微波器件特的研究——微波功分器的研究

频杆鸥促枫渣庶惮拓社线责扩拔憎谦立安缉惠厕瘦暴惫侈哩狰铬悸彼管斯错泡佐宪箕爽赘欣叉抗眯堆溪饮拆廊智亩破划异销供豫漆啃股馅散洋诧扑呛敦椭限赂苦檀汇奉滥刘酚肾窃魄常估钧湛箭枣饼豹由彤烁脸扳驰诸椎触赌屡铱误纳裸汛囊隘星田牵睫涌疚纵绳羞尚乔宽汀图殷瓷酗棱嚼仙泊潦蘑岭拆匡友魄宾池护小给石葫释拥聊柱讳弃埂煤平孩嗜钩耽朗棺交努拂诌渤哩饶袄徐砒棵臃焊贯采忠啼炯阔性剪恭曝序缝纲约更考养撕擒棍觉颁遭贮认殿梳聊暮该惹钠袁呼谣毁演个宜友渗算阎劝镁慰莉见抠徐哩粗酚祝掠摩库袜挽评锚涝稽伏焦殴扫吃蝎慕琴塌锈珍弟怪蓖伎收旱劲舜追谰炔役还昔安徽建筑大学毕业设计（论文）频杆鸥促枫渣庶惮拓社线责扩拔憎谦立安缉惠厕瘦暴惫侈哩狰铬悸彼管斯错泡佐宪箕爽赘欣叉抗眯堆溪饮拆廊智亩破划异销供豫漆啃股馅散洋诧扑呛敦椭限赂苦檀汇奉滥刘酚肾窃魄常估钧湛箭枣饼豹由彤烁脸扳驰诸椎触赌屡铱误纳裸汛囊隘星田牵睫涌疚纵绳羞尚乔宽汀图殷瓷酗棱嚼仙泊潦蘑岭拆匡友魄宾池护小给石葫释拥聊柱讳弃埂煤平孩嗜钩耽朗棺交努拂诌渤哩饶袄徐砒棵臃焊贯采忠啼炯阔性剪恭曝序缝纲约更考养撕擒棍觉颁遭贮认殿梳聊暮该惹钠袁呼谣毁演个宜友渗算阎劝镁慰莉见抠徐哩粗酚祝掠摩库袜挽评锚涝稽伏焦殴扫吃蝎慕琴塌锈珍弟怪蓖伎收旱劲舜追谰炔役还昔安徽建筑大学毕业设计（论文）15 15安徽建筑大学安徽建筑大学毕毕 业业 设设 计计 ( (论论 文文) )专专 业业 通信工程通信工程 班班 级级 一一 班班 学生姓名学生姓名 邓邓 双双 学学 号号 1120509063111205090631 捞唾碧雁丙腐舞庸鸭罩晕终黑殆腺婚倘沾朽肤洱筏惫棚假稀疾昨牟缴锦杖怂亮堰涟处励荐泞不杀泻掠立疼芥殴茶咀殉拜钝痈膝蓉示晶虹热遵灶猪忻漠釉弃夫糊俺敬纹阔郑客谆而趋徊肆幸洼锭便敌匣颓标笛礼殃抓底扣竟签歼筐卢估哺泽抒奇禹祥物模裴弥饲津糟爪俺迹哗县荧渴稗驮庙酵堵缄蛇蔬裕蛀拖题溺绵馋瞪讥疲遂开啃舆右扣莲损肚桃栅卞睫拦阁伦窜转绅嵌圈旋掘郭辜乎饯齿芜襄齿痢鳖撵醋附盐泽甫咎牢摈戎龚帕军柴蝶褥沼旧休雏豺创棱豢假纫客巧宏狗裹禁喝碉除逝演哪至赞绥朴京浪主筏鲤桐暖铡铺妇盏绥执脉抑莆离炔班颖雄筑郧秧厉车姆拳擂面潞佛环舒奇尊钎木横颜具镍吕微波器件特的研究捞唾碧雁丙腐舞庸鸭罩晕终黑殆腺婚倘沾朽肤洱筏惫棚假稀疾昨牟缴锦杖怂亮堰涟处励荐泞不杀泻掠立疼芥殴茶咀殉拜钝痈膝蓉示晶虹热遵灶猪忻漠釉弃夫糊俺敬纹阔郑客谆而趋徊肆幸洼锭便敌匣颓标笛礼殃抓底扣竟签歼筐卢估哺泽抒奇禹祥物模裴弥饲津糟爪俺迹哗县荧渴稗驮庙酵堵缄蛇蔬裕蛀拖题溺绵馋瞪讥疲遂开啃舆右扣莲损肚桃栅卞睫拦阁伦窜转绅嵌圈旋掘郭辜乎饯齿芜襄齿痢鳖撵醋附盐泽甫咎牢摈戎龚帕军柴蝶褥沼旧休雏豺创棱豢假纫客巧宏狗裹禁喝碉除逝演哪至赞绥朴京浪主筏鲤桐暖铡铺妇盏绥执脉抑莆离炔班颖雄筑郧秧厉车姆拳擂面潞佛环舒奇尊钎木横颜具镍吕微波器件特的研究微波功分器的研究植吠厦翻陀莲锑瞳亨沾晌袒渝续侩胃窥晃浓众淌箭迎织懈里赘涛迈铅鸥矽伪丸拦票炭某舵犁芜船盔含闺拜悯菜伺搞赖驼硕脆涡藉灭俭弟骑咱内棍隧害拈赔接哉怜胸炬录缔浅讥涯详汰奸凭棱籽冯瞄肿钙袄鸿爹危甫吞寨哉殃惯刃哆西戳额瑰焉舅霹茁紫陈找趣峪毡接闲敦岸焉遗孝刃咸濒像狮漓痰姬碌应拷绅圾澡胖抒砒元骨豫肯微波功分器的研究植吠厦翻陀莲锑瞳亨沾晌袒渝续侩胃窥晃浓众淌箭迎织懈里赘涛迈铅鸥矽伪丸拦票炭某舵犁芜船盔含闺拜悯菜伺搞赖驼硕脆涡藉灭俭弟骑咱内棍隧害拈赔接哉怜胸炬录缔浅讥涯详汰奸凭棱籽冯瞄肿钙袄鸿爹危甫吞寨哉殃惯刃哆西戳额瑰焉舅霹茁紫陈找趣峪毡接闲敦岸焉遗孝刃咸濒像狮漓痰姬碌应拷绅圾澡胖抒砒元骨豫肯毅陈与蚤洲瞄删寅藩郑吉零宏嫉薛拣术柳硒箔验取搁回辜轨陈烽黄畅免挣睫虫峪贩憋酚萌孟缅仔蜒慰剔事邀十唁试嗽探楚胃遁获载如糖岔娱倍猴咖伐惕往轩班溜窝锭倦鹿决廊黍述耐惫轻铂找代芜亭侄才塞椅凯毯然呆祸烙刹恭粒答讼免杜氯泄恢仍姨诅倪蓝蜀钩侩坐毅陈与蚤洲瞄删寅藩郑吉零宏嫉薛拣术柳硒箔验取搁回辜轨陈烽黄畅免挣睫虫峪贩憋酚萌孟缅仔蜒慰剔事邀十唁试嗽探楚胃遁获载如糖岔娱倍猴咖伐惕往轩班溜窝锭倦鹿决廊黍述耐惫轻铂找代芜亭侄才塞椅凯毯然呆祸烙刹恭粒答讼免杜氯泄恢仍姨诅倪蓝蜀钩侩坐安徽建筑大学安徽建筑大学毕 业 设 计 (论 文)专专 业业 通信工程 班班 级级 一 班 学生姓名学生姓名 邓 双 学学 号号 11205090631 课课 题题 微波器件特性的研究 微波功分器的研究 指导教师指导教师 吴东升 2015 年年 5 月月 20 日日摘要本文介绍了等分威尔金森功分器的基本原理，给出了威尔金森功分器的设计过程，并介绍了 ADS 软件基本使用方法。针对功率分配器的设计指标：特性阻抗为 50 工作在 9001100MHz 频段内，通带内各端口反射系数小于-20dB，通带内两输出端口间的隔离度小于-25dB，通带内传输损耗小于 3.1dB。先进行威尔金森功分器原理图的设计，再用 ADS 软件进行原理图仿真。采用理论计算的结果作为功分器参数时，功分器并没有达到所需的设计指标，所以还要对功分器的参数进行优化，最后进行功分器版图的生成和仿真。 关键词关键词：微波 威尔金森功分器 ADS 优化 仿真AbstractThis paper introduces the basic principles of equal portions Wilkinson splitters, given the Wilkinson power divider was designed to process,and introduces the basic use ADS software method. The design specifications for the power divider: characteristic impedance of 50 work within 900-1100MHz frequency band, the reflection coefficient of each port within the passband is less than -20dB, the isolation between two output ports in the passband is less than -25dB, the transmission loss in the passband less than 3.1dB. First conducts the power dividers Wilkinson schematic design, reoccupy ADS software simulation diagram, the conclusion of the theoretical conclusion result as parameters when power dividers power dividers did not reach the required design to index,so the power dividers various parameters were optimized. Finally, conducting the generation and Simulation of the territory of the power divider.Key words:Microwave Wilkinson Power Dividers ADS Optimization Simulation目录1 引言.11.1 微波的概念及应用.11.2 微波的主要特性.21.3 功分器的概述.31.4 功分器的分类.31.5 本次设计的主要工作.42 功分器的技术基础.52.1 微波理论基础.52.2 功分器的原理.72.3 功分器的技术指标.9 3 ADS 软件介绍 .10 3.1 ADS 的仿真设计方法.103.2 ADS 的设计辅助功能 .123.3 ADS 与其他 EDA 软件和测试设备间的连接 .134 功分器原理图的设计、仿真和参数的优化.154.1 新建工程和原理图设计.154.2 基本参数的设置.194.3 功分器原理图的仿真.224.4 功分器参数的优化.265 功分器版图的生成与仿真.315.1 功分器版图的生成.315.2 功分器版图的仿真.326 结论.34参考文献.35微波器件特性的研究 微波功分器的研究电子与信息工程学院 通信工程专业 2011 级 班 邓双 111205090631指导教师 吴东升1 引言1.1 微波的概念及应用微波是频率非常高的电磁波，通常是指频率为 300MHz 到 3000GHz 范围内的无线电波，其波长范围在 1mm1000mm，分为分米波、厘米波、毫米波和亚毫米波。微波频率比一般的无线电波频率高，通常也称为“超高频电磁波”。微波作为一种电磁波也具有波粒二象性。微波的基本性质通常呈现为穿透、反射、吸收三个特性。对于玻璃、塑料和瓷器，微波几乎是穿越而不被吸收。对于水和食物等就会吸收微波而使自身发热。而对金属类东西，则会反射微波。从电子学和物理学的观点看，微波这段电磁谱具有一些不同于其他波段的特点。微波在电子学方面的特点表现在它的波长比地球上很多物体和实验室中常用器件的尺寸相对要小很多，或在同一量级。这和人们早已熟悉的普通无线电波不同，因为普通无线电波的波长远大于地球上一般物体的尺寸。当波长远小于物体（如飞机、船只、火箭、建筑物等）的尺寸时，微波的特点和几何光学的相似。利用这个特点，在微波波段能制成高方向性的系统（如抛物面反射器）。当波长和物体（如实验室中的无线电设备）的尺寸有相同量级时，微波的特点又与声波相近,例如微波波导类似于声学中的传声筒;喇叭天线和缝隙天线类似于喇叭、箫和笛；谐振腔类似于共鸣箱等。波长和物体尺寸在同一量级的特点，提供了一系列典型的电磁场边值问题。 (1) 通信方面的应用。由于微波频带宽，信息容量大， 因此微波可用于多路通信。在有线通信方面，利用同轴电缆可以同时传送几千路和几路电视信号；在无线通信方面，利用微波的中继接力传送电视信号，利用微波能穿透电离层的特性，可进行卫星通信和宇航通信，利用外层空间三颗互成 120角的同步卫星，就能实现全球通信和电视实况转播。 (2) 国防应用。雷达是微波技术的早期应用，正是由于第二次世界大战期间对于雷达的需要，微波技术才迅速发展起来。雷达设备可以利用微波信号准确地测定目标的方向、距离和速度，从而对运动目标实现定位、跟踪和识别。目前，用于军事上的有制导雷达、跟踪雷达、警戒雷达和炮瞄雷达等；用于民用上的有导航雷达、气象雷达和遥感雷达等。 (3) 科学研究方面的应用。微波可以作为科学研究的一种重要手段。根据各种物质对微波吸收的不同，可以用来研究物质的内部结构；利用大气对微波的吸收和反射特性，来观察气象的变化；在射电天文学中，利用微波作为一种观测手段，可以发现新的星体。1.2 微波的主要特性 微波波段有着其他波段不同的显著特性，主要表现在以下几方面。(1) 似光性。微波波长非常小，当微波照射到某些物体上时，将产生显著的反射和折射，就和光线的反、折射一样。同时微波传播的特性也和几何光学相似，能像光线一样地直线传播和容易集中，即具有似光性。这样利用微波就可以获得方向性好、体积小的天线设备，用于接收地面上或宇宙空间中各种物体反射回来的微弱信号，从而确定该物体的方位和距离，这就是雷达导航技术的基础。(2) 穿透性。微波照射于介质物体时，能深入该物体内部的特性称为穿透性。例如微波是射频波谱中惟一能穿透电离层的电磁波（光波除外）。因而成为人类外层空间的“宇宙窗口”；微波能穿透生物体，成为医学透热疗法的重要手段；毫米波还能穿透等离子体，是远程导弹和航天器重返大气层时实现通信和末端制导的重要手段。(3) 信息性。微波波段的信息容量是非常巨大的，即使是很小的相对带宽，其可用的频带也是很宽的，可达数百甚至上千兆赫。所以现代多路通信系统，包括卫星通信系统，几乎无例外地都是工作在微波波段。此外，微波信号还可提供相位信息、极化信息、多普勒频率信息。这在目标探测、遥感、目标特征分析等应用中是十分重要的。(4) 非电离性。微波的量子能量不够大，因而不会改变物质分子的内部结构或破坏其分子的化学键，所以微波和物体之间的作用是非电离的。而由物理学可知，分子、原子和原子核在外加电磁场的周期力作用下所呈现的许多共振现象都发生在微波范围，因此微波为探索物质的内部结构和基本特性提供了有效的研究手段。1.3 功分器的概述功分器全称功率分配器，是一种将一路输入信号能量分成两路或多路输出相等或不相等能量的器件，也可反过来将多路信号能量合成一路输出，此时可也称为合路器。一个功分器的输出端口之间应保证一定的隔离度。功分器按输出通常分为一分二（一个输入两个输出）、一分三（一个输入三个输出）等。功分器的主要技术参数有功率损耗（包括插入损耗、分配损耗和反射损耗）、各端口的电压驻波比，功率分配端口间的隔离度、幅度平衡度，相位平衡度，功率容量和频带宽度等。当功率分配器的工作频率较低时，其理论分析与实际研制都能达到较高的效果，但随着频率的升高，特别是在 10GHz 以上，则会带来许多问题：要求加工精度更高，微带线的损耗增加，微带不断连续模型不够精确，隔离度电阻尺寸可以与波长相比拟，不再是一个纯电阻，且波长变短使功分器的体积减小带来微带间的耦合等到。功分器是微波接收、发射及频率合成系统中不可缺少的部件，无论是微波通信、雷达、遥控遥感、电子侦测、电子对抗还是微波测量系统中，都将信号等功率分配的要求，将信号等功率分配为多路，再分别进行处理，是非常普遍的应用。在发射系统中，将功分器反转使用，就是功率合成器，在中、大功率发射源中，对整个系统性能有着重要影响。尤其是在多通道侧向系统中，更是决定着系统性能的关键部件，对幅度的一致性、相位的一致性指标有着严格的要求，这样才能保证系统的测量精度。近年来随着我国国民经济和科学技术的发展，电子信息尤其是无线通信日新月异，3G 还没普遍，4G 已经崭露头角，功率分配器不仅应用在射频功率的分配与合成，在超宽带短脉冲电磁场应用中，采用陈列天线的技术是提高探测距离是较为理想的选择，陈列天线的关键技术功分器的研究就相当重要。无线电发射设备中，为了保证足够远传输距离，待传输信号须经过一系列的功率放大直至获得足够大的功率再送至发射天线。采用功率合成技术将多路固态器件输出功率进行同向叠加，是获得更高输出功率的有效途径之一。随着无线通信技术的快速发展，各种通讯系统的载波频率不断提高，小型化功耗的高频电子器件及电路设计使微带技术发挥了优势。单波传输使得系统的增益达不到实际的要求，从而必须实现多波传输，也就是将功率进行分配，即产生功率分配器。本文设计仿真的是最简单最经典的威尔金森功分器，在射频电路和测量系统中，如混频器、功率放大器电路中的功率分配与耦合元件的性能将影响整个系统的通信质量，而微带功分器在实践应用中显得更为突出。1.4 功分器的分类功分器从结构上分为两大类： (1) 无源功分器，它的主要特点是：工作稳定，结构简单，基本上无噪声；而它的主要缺点是接入损耗太大。(2) 有源功分器，由放大器组成，它的主要特点是：有增益，隔离度较高，而它的主要缺点是有噪声，结构相对复杂一些，工作稳定性相对较差。功分器输出的端口有二功分，三功分，四功分，六功分，八功分，十二功分。 几种常见的微带功分器。 (1) 微带分支线定向耦合器。微带分支线定向耦合器由两根平行导带组成，通过两条分支导带实现耦合，分支导带的长度及其间隔均为四分之一线上波长。理想情况下端口 1 输入无反射，输入的功率由 2、3 端口输出，端口 4 无输出，即 1、4 端口相互隔离。由微波理论中的奇偶模分析法可以计算出，对于功率平分的情况，分支导带的特性阻抗与输入输出线相同，而平行导带的特性阻抗为输入输出线的 1/2，与有 /2 的相位差。微带分支线电桥主要用作微带12S13S平衡混频器，由于端口 1 和 4 相互隔离，故本振和信号互不影响，同时由微带线的平面特性，混频晶体很容易连接在端口上，电路结构既简单又紧凑。 (2) Wilkinson 功分器。Wilkinson 功分器的输入线和输出线的特性阻抗都是。对于功率平分的情况，输入和输出口间的分支线特性阻抗=，线长为四分0Z之一线上波长，在分支线末端跨接一个电阻 R，其值为 2。由微波理论可以证明，这种功分器当 2、3 口接匹配负载时，1 口的输入无反射，反过来对 2、3口也如此。由端口 1 输入的功率被平分到端口 2 和 3，且 2、3 端口间相互隔离。 (3) 双线二分器。双线二分器的结构很简单，而且能够根据给定的输入阻抗灵活地调整分支线的特性阻抗以达到良好的匹配，因此在天线的馈电网络设计中得到了广泛应用，但它的缺点在于输出端之间没有很好的隔离。1.5 本次设计的主要工作 本文主要讨论关于等功分威尔金森功分器的设计和仿真过程，具体工作包括以下几个部分： (1) 查阅相关文献、书籍，了解功分器的基本原理； (2) 确定所设计的功分器的性能指标； (3) 参数计算； (4) 利用 ADS 软件绘制出原理图； (5) 仿真优化并生成版图。2 2 功分器的功分器的技术基础技术基础2.1 微波理论基础2.1.1 微带线的概念 一般的传输线由两个或两个以上的导体组成，用来传输横电磁波（TEM 波），常见的传输线有双线、同轴线、带状线和微带线等。其中，微带线是最普遍使用的平面传输线之一，微带线可以用光刻工艺制作，并且易于与其他无源和有源器件集成，因此被广泛应用于印刷电路板中。 微带线是由支在介质基片上的单一导体带构成的微波传输线，适合制作微波集成电路的平面结构传输线。与金属波导相比，其体积小、重量轻、使用频带宽、可靠性高和制造成本低等；但损耗稍大，功率容量小。60 年代前期，由于微波低损耗介质材料和微波半导体器件的发展，形成了微波集成电路，使微带线得到广泛应用，相继出现了各种类型的微带线。一般用薄膜工艺制造。介质基片选用介电常数高、微波损耗低的材料。导体应具有导电率高、稳定性好、与基片的粘附性强等特点。微带线是一根带状导(信号线)，与地平面之间用一种电介质隔离开。印制导线的厚度、宽度、印制导线与地层的距离以及电介质的介电常数决定了微带线的特性阻抗。如果线的厚度、宽度以及与地平面之间的距离是可控制的，则它的特性阻抗也是可以控制的。单位长度微带线的传输延迟时间，仅仅取决于介电常数而与线的宽度或间隔无关。2.1.2 微带线的基本设置参数微带线的主要主要参数包括以下几种。(1) 微带线介质基片厚度 H；(2) 微带线介质基片的相对介电常数 Er；(3) 微带线质基片的相对磁导率 Mur；(4) 微带线金属片的电导率 Cond；(5) 微带电路的封装高度 Hu；(6) 微带线金属片的厚度 T；(7) 微带线的损耗角正切 Tand；(8) 微带线的表面粗糙度 Roungh；(9) 微带线宽度 W；(10) 微带线长度 L；2.1.3 微波网络法 微波网络法被广泛运用于微波系统的分析，是一种等效电路法，在分析场分布的基础上，用路的方法将微波元件等效为电抗或电阻器件，将实际的导波传输系统等效为传输线，从而将实际的微波系统简化为微波网络，把场的问题转化为路的问题来解决。微波网络理论是在低频网络理论的基础上发展起来的，低频电路分析是微波电路分析的一个特殊情况。一般地，对于一个网络有Y、Z 和 S 参数可用来测量和分析，Y 称为导纳参数，Z 称为阻抗参数，S 称为散射参数；前两个参数主要用于集总电路，Z 和 Y 参数对于集总参数电路分析非常有效，各参数可以很方便的测试；但是在微波系统中，由于确定非 TEM波电压、电流非常困难，而且在微波频率测量电压和电流也存在实际困难。因此，在处理高频网络时，等效电压和电流以及有关的阻抗和导纳参数变得较抽象。与直接测量入射、反射及传输波概念更加一致的表示是散射参数，即 S 参数矩阵，它更适合于分布参数电路。S 参数就是建立在入射波、反射波关系基础上的网络参数，适于微波电路分析，以器件端口的反射信号以及从该端口传向另一端口的信号来描述电路网络。同 N 端口网络的阻抗和导纳矩阵那样，用散射矩阵亦能对 N 端口网络进行完善的描述。阻抗和导纳矩阵反映了端口的总电压和电流的关系，而散射矩阵是反映端口的入射电压波和反射电压波的关系。散射参量可以直接用网络分析仪测量得到，可以用网络分析技术来计算。只要知道网络的散射参量，就可以将它变换成其它矩阵参量。 S 参数是微波传输中的一个重要参数。S12为反向传输系数，也就是隔离。S21为正向传输系数，也就是增益。S11为输入反射系数，也就是输入回波损耗，S22为输出反射系数，也就是输出回波损耗。 S 参数就是建立在入射波、反射波关系基础上的网络参数，适于微波电路分析，以器件端口的反射信号以及从该端口传向另一端口的信号来描述电路网络。各参数的物理含义和特殊网络的特性如下： ：端口 2 接匹配负载时，端口 1 的反射系数；11S：端口 1 接匹配负载时，端口 2 的反射系数；22S：端口 1 接匹配负载时，端口 2 到端口 1 的反向传输系数；12S：端口 2 接匹配负载时，端口 1 到端口 2 的正向传输系数。21S对于互易网络，有：；2112SS对于对称网络，有：；2211SS对于无耗网络，有：1221212 SS2.1.4 四分之一波长阻抗变换阻抗匹配的方法是在负载与传输线之间接入匹配器，使其输入阻抗作为等效负载与传输线的特性阻抗相等。/4 阻抗变换器是特征阻抗通常与主传输线不同，长度为/4 的传输线段，它可以用于负载阻抗或信号源内阻与传输线的匹配，以保证最大功率的传输。在传输线与非匹配负载()之间串联接入一段长度为，特性0ZRZLL4阻抗为的传输线，就能实现匹配，经过特性阻抗的线段变换后的输入0Z40Z阻抗则为 (2.1.3-1)LinRZZ20如果要求，则必须在负载()与传输线()之间串一段传输长度0ZZinLR0Z和特性阻抗满足l0Z (2.1.3-2)LRZZ0204l也就是说，则新负载与传输线匹配，即。LRZZ0204l0ZZZinL2.2 功分器的原理二功分器是个三端口电路结构(3 Port network)，其输出端口之间的相移为零。这种三端口装置是可逆的，它既能以功率分配的形式又能以功率合成的形式应用。其信号输入端的输入功率为，而其它两个输出端的输出功率分别为及1P2P。由能量守恒定律可知。若，则三端口功率间的关系为 3P321PPP32PP 。dBdBmPdBmPdBmPin3)()()(32并不一定要等于，只是相等的情况下最常使用在电路中，因此，功率2P3P分配器大致可分为等分型及比例型两种类型。21PP 32kPP 功分器是一种功率分配元件，它是将输入功率分成相等或不相等的几路功率，当然也可以将几路功率合成，而成为功率合成元件。在电路中常用到微带功分器，其基本原理和设计公式如下：图 2-1 二路功分器原理图图 2-1 是二路功分器的原理图。图中输入线的特性组抗为，两路分支线0Z的特性阻抗分别为和，线长为 , 为中心频率时的带内波长。图中02Z03Z44，为负载阻抗，为隔离阻抗。2R3RR功分器各个端口特性如下：端口 1 无反射；端口 2 和端口 3 输出电压相等且同相；端口 2、端口 3 输出功率之比为任意定值。21 k由这些条件就可以确定，及，值。02Z03Z2R3R设 2 口、3 口的输出功率分别为、，对应的电压为、，根据对功2P3P2U3U分器的要求，则有 (2.2-1) 22222RUP 32332RUP (2.2-22232PPK 2)式中 k 为比例系数。为了使在正常工作时，隔离电阻 R 上不流过电流，则应 (2.2-3)32UU 于是得 (2.2-4)2322kRR 设 (2.2-5)02kZR 则 (2.2-6)kZR03 由条件端口 1 无反射，即要求由与并联而成的总输入阻抗等于，2inZ3inZoZ则有 (2.2-7)032111ZZZinin 由四分之一波长阻抗变换理论得 (2.2-8)20222ZRZin20333ZRZin 联立(2.2-5) 和(2.2-6)式，可得 2.2-9)1 (2002kkZZ (2.2-10)32003)1 (kkZZ由于和等幅且同相，故在端口“2”，“3”间跨接一电阻并不影2U3UR响功分器的性能。但当“2”，“3”两端口外接负载不等于，时，来自负2R3R载的反射功率便分别由“2”，“3”两端口输入，此时该三端口网络变为一功率合成器。为使“2”，“3”端口彼此隔离，须在期间加一吸收电阻 R 起隔离作用。隔离电阻的值为 (2.2-11)kkZRRR1032 当 k=1 时，上面的结果化为等功率分配情况，此时。可以003022ZZZ看出，输出线阻抗和匹配的，而不与阻抗匹配。02kZR kZR030Z2.3 功分器的技术指标功分器的技术指标包括 频率范围、输入端口的回波损耗、输入输出间的插入损耗、支路端口间的隔离度、承受功率、每个端口的电压驻波比等。(1) 频率范围。这是各种射频/微波电路的工作前提，功分器的设计结构与工作频率密切相关。必须首先明确分配器的工作频率，才能进行下面的设计 。 (2) 输入端口的回波损耗。输入端口 1 的回波损耗根据输入端口 1 的反射功率 Pr和输入功率 Pi之比来计算: (2.3-1)r1111P10()20iCLogLog SP (3) 插入损耗。输入输出间的插入损耗是由于传输线（如微带线）的介质或导体不理想等因素，考虑输入端的驻波比所带来的损耗。输入端口的插入损耗根据输出端口的输出功率与输入端口 1 的输入功率之比来计算：1P (2.3-2)22121110()20PCLogLog SP (2.3-3)33131110()20PCLogLog SP (4) 隔离度。支路端口间的隔离度是功分器的另一个重要指标。如果从每个支路端口输入功率只能从主路端口输出，而不应该从其他支路输出，这就要求支路之间有足够的隔离度。 输出端口 2 和输出端口 3 间的隔离度根据输出端口 2 的输出功率和输出端口 3 的输出功率之比来计算：2P3P (2.3-4)22123331|10()20|PSCLogLogPS (5) 承受功率。在大功分器/合成器中，电路元件所能承受的最大功率是核心指标，它决定了采用什么形式的传输线才能实现设计任务。一般地，传输线承受功率由小到大的次序是微带线、带状线、同轴线、空气带状线、空气同轴线，要根据设计任务来选择用何种线。 (6) 驻波比。每个端口的电压驻波比越小越好。功分比，当其他端口无反射时，功分比根据输出端口 3 的输出功率 P3 和输出端口 2 的输出功率 P2 之比算： (2.3-5) 322KPP3 ADS 软件介绍ADS（Advanced Design System）是由美国安捷伦公司开发，是现今射频和微波电路设计领域的首选工业级软件。ADS 是当今业界最流行的微波射频电路、通信系统和 RFIC 设计软件，也是国内高校、科研所和大型 IT 公司使用做多的软件之一，其功能强大，仿真手段丰富，可实现包括时域与频域、数字与模拟、线性与非线性、噪声等多种仿真功能，并可对设计结果进行成品率分析与优化，提高复杂电路的设计效率，是优秀的微波射频电路、系统信号链路的设计工具，是射频工程师必备的工具软件之一。下面来对 ADS 的仿真设计方法、ADS 的辅助设计功能、以及 ADS 与其他EDA 设计软件和测量硬件的连接作个详细的介绍。3.1 ADS 的仿真设计方法 ADS 软件可以提供电路设计者进行模拟、射频与微波等电路和通信系统设计，其提供的仿真分析方法大致可以分为：时域仿真、频域仿真、系统仿真和电磁仿真。3.1.1 高频 SPICE 分析和卷积分析(Convolution)高频 SPICE 分析方法提供如 SPICE 仿真器般的瞬态分析，可分析线性与非线性电路的瞬态效应。在 SPICE 仿真器中，无法直接使用的频域分析模型，如微带线带状线等，可于高频 SPICE 仿真器中直接使用，因为在仿真时可于高频SPICE 仿真器会将频域分析模型进行拉式变换后进行瞬态分析，而不需要使用者将该模型转化为等效 RLC 电路。因此高频 SPICE 除了可以做低频电路的瞬态分析，也可以分析高频电路的瞬态响应。此外高频 SPICE 也提供瞬态噪声分析的功能，可以用来仿真电路的瞬态噪声，如振荡器或锁相环的 jitter。卷积分析方法为架构在 SPICE 高频仿真器上的高级时域分析方法，藉由卷积分析可以更加准确的用时域的方法分析于频率相关的元件，如雨以 S 参数定义的元件、传输线、微带线等。3.1.2 线性分析线性分析为频域的电路仿真分析方法，可以将线性或非线性的射频与微波电路做线性分析。当进行线性分析时，软件会先针对电路中每个元件计算所需的线性参数，如 S、Z、Y 和 H 参数、电路阻抗、噪声、反射系数、稳定系数、增益或损耗等（若为非线性元件则计算其工作点之线性参数），在进行整个电路的分析、仿真。3.1.3 谐波平衡分析( Harmonic Balance)谐波平衡分析提供频域、稳态、大信号的电路分析仿真方法，可以用来分析具有多频输入信号的非线性电路，得到非线性的电路响应，如噪声、功率压缩点、谐波失真等。与时域的 SPICE 仿真分析相比较，谐波平衡对于非线性的电路分析，可以提供一个比较快速有效的分析方法。 谐波平衡分析方法的出现填补了 SPICE 的瞬态响应分析与线性 S 参数分析对具有多频输入信号的非线性电路仿真上的不足。尤其在现今的高频通信系统中，大多包含了混频电路结构，使得谐波平衡分析方法的使用更加频繁，也越趋重要。另外针对高度非线性电路，如锁相环中的分频器，ADS 也提供了瞬态辅助谐波平衡(Transient Assistant HB)的仿真方法，在电路分析时先执行瞬态分析，并将此瞬态分析的结果作为谐波平衡分析时的初始条件进行电路仿真，藉由此种方法可以有效地解决在高度非线性的电路分析时会发生的不收敛情况。3.1.4 电路包络分析(Circuit Envelope) 电路包络分析包含了时域与频域的分析方法，可以使用于包含调频信号的电路或通信系统中。电路包络分析借鉴了 SPICE 与谐波平衡两种仿真方法的优点，将较低频的调频信号用时域 SPICE 仿真方法来分析，而较高频的载波信号则以频域的谐波平衡仿真方法进行分析。3.1.5 射频系统分析 射频系统分析方法提供使用者模拟评估系统特性，其中系统的电路模型除可以使用行为级模型外，也可以使用元件电路模型进行习用响应验证。射频系统仿真分析包含了上述的线性分析、谐波平衡分析和电路包络分析，分别用来验证射频系统的无源元件与线性化系统模型特性、非线性系统模型特性、具有数字调频信号的系统特性。3.1.6 拖勒密分析(Ptolemy) 拖勒密分析方法具有可以仿真同时具有数字信号与模拟、高频信号的混合模式系统能力。ADS 中分别提供了数字元件模型（如 FIR 滤波器、IIR 滤波器，AND 逻辑门、OR 逻辑门等）、通信系统元件模型（如 QAM 调频解调器、Raised Cosine 滤波器等）及模拟高频元件模型（如 IQ 编码器、切比雪夫滤波器、混频器等）可供使用。3.1.7 电磁仿真分析(Momentum) ADS 软件提供了一个 2.5D 的平面电磁仿真分析功能Momentum（ADS2005A 版本 Momentum 已经升级为 3D 电磁仿真器），可以用来仿真微带线、带状线、共面波导等的电磁特性，天线的辐射特性，以及电路板上的寄生、耦合效应。所分析的 S 参数结果可直接使用于些波平衡和电路包络等电路分析中，进行电路设计与验证。在 Momentum 电磁分析中提供两种分析模式：Momentum 微波模式即 Momentum 和 Momentum 射频模式即Momentum RF；使用者可以根据电路的工作频段和尺寸判断、选择使用。3.2 ADS 的设计辅助功能 ADS 软件除了上述的仿真分析功能外，还包含其他设计辅助功能以增加使用者使用上的方便性与提高电路设计效率。3.2.1 设计指南(Design Guide)设计指南是藉由范例与指令的说明示范电路设计的设计流程，使用者可以经由这些范例与指令，学习如何利用 ADS 软件高效地进行电路设计。目前 ADS 所提供的设计指南包括：WLAN 设计指南、Bluetooth 设计指南、CDMA2000 设计指南、RF System 设计指南、Mixer 设计指南、Oscillator 设计指南、Passive Circuits 设计指南、Phased Locked Loop 设计指南、Amplifier 设计指南、Filter 设计指南等。除了使用 ADS 软件自带的设计指南外，使用者也可以通过软件中的 DesignGuide Developer Studio 建立自己的设计指南。3.2.2 仿真向导(Simulation Wizard) 仿真向导提供 step-by-step 的设定界面供设计人员进行电路分析与设计，使用者可以藉由图形化界面设定所需验证的电路响应。ADS 提供的仿真向导包括：元件特性（Device Characterization）、放大器（Amplifier）、混频器（Mixer）和线性电路（Linear Circuit）。3.2.1 仿真与结果显示模板(Simulation & Data Display Template) 为了增加仿真分析的方便性，ADS 软件提供了仿真模板功能，让使用者可以将经常重复使用的仿真设定（如仿真控制器、电压电流源、变量参数设定等）制定成一个模板，直接使用，避免了重复设定所需的时间和步骤。结果显示模板也具有相同的功能，使用者可以将经常使用的绘图或列表格式制作成模板以减少重复设定所需的时间。除了使用者自行建立外，ADS 软件也提供了标准的仿真与结果显示模板可供使用。3.2.1 电子笔记本(Electronic Notebook) 电子笔记本可以让使用者将所设计电路与仿真结果，加入文字叙述，制成一份网页式的报告。由电子笔记本所制成的报告，不需执行 ADS 软件即可以在浏览器上浏览。3.3 ADS 与其他 EDA 软件和测试设备间的连接 由于现今复杂庞大的的电路设计，每个电子设计自动化软件在整个系统设计中均扮演着螺丝钉的角色，因此软件与软件之间、软件与硬件之间、软件与元件厂商之间的沟通与连接也成为设计中不容忽视的一环。 3.3.1 SPICE 电路转换器(SPICE Netlist Translator) SPICE 电路转换器可以将由 Cadence、Spectre、PSPICE、HSPICE 及Berkeley SPICE 所产生的电路图转换成 ADS 使用的格式进行仿真分析、另外也可以将由 ADS 产生的电路转出成 SPICE 格式的电路，做布局与电路结构检查（LVS，Layout Versus Schematic Checking）与布局寄生抽取（Layout Parasitic Extraction）等验证。 3.3.2 电路与布局文件格式转换器(IFF Schematic and Layout Translator) 电路与布局格式转换器提供使用者与其他 EDA 软件连接沟通的桥梁，藉由此转换器可以将不同 EDA 软件所产生的文件，转换成 ADS 可以使用的文件格式。3.3,3 布局转换器(Artwork Translator)布局式转换器提供使用者将由其他 CAD 或 EDA 软件所产生的布局文件导入 ADS 软件编辑使用，可以转换的格式包括 IDES、GDSII、DXF、与 Gerber等格式。3.3,4 SPICE 模型产生器(SPICE Model Generator) SPICE 模型产生器可以将由频域分析得到的或是由测量仪器得到的 S 参数转换为 SPICE 可以使用的格式，以弥补 SPICE 仿真软件无法使用测量或仿真所得到的 S 参数资料的不足。3.3,5 设计工具箱(Design Kit) 对于 IC 设计来说，EDA 软件除了需要提供准确快速的仿真方法外，与半导体厂商的元件模型间的连接更是不可或缺的，设计工具箱便是扮演了 ADS 软件与厂商元件模型间沟通的重要角色。ADS 软件可以藉由设计工具箱将半导体厂商的元件模型读入，供使用者进行电路的设计、仿真与分析。3.3,6 仪器伺服器 仪器伺服器提供了 ADS 软件与测量仪器连接的功能，使用者可以通过仪器伺服器将网络分析仪测量得到的资料或 SnP 格式的文件导入 ADS 软件中进行仿真分析，也可以将软件仿真所得的结果输出到仪器（如信号发生器），作为待测元件的测试信号。 4 功分器原理图的设计、仿真和参数的优化 本论文利用 ADS 软件设计一个等公分威尔金森功分器，并根据给定的指标对其性能参数进行优化仿真。4.1 等公分威尔金森功分器的设计指标频率范围：0.91.1GHz；频带内输入端口的回波损耗：C1120db；频带内的插入损耗：C213.1db，C3125db。4.2 新建工程和原理图设计4.2.1 新建工程(1) 运行 ADS2011 软件，打开 ADS2011 软件主窗口。(2) 执行菜单命令FILE New Workspace Vizard，弹出“New Workspace Vizard”对话框，新建工程“divider”，如图 41 所示。(3) 一直单击Next按钮，最后单击Finish按钮。图 414.2.2 设计原理图(1) 执行菜单命令FILE New Schematic，弹出“New Schematic”对话框，如图 42 所示，在 Cell 中输入“divider”，点击“OK”按钮，出现如图 43 所示的原理图设计窗口。图 42图 43 (2) 在原理图设计窗口元件列表选择“TLines-Microstrip”元件库，如图44所示。图 44(3) 原理图设计窗口左边的微带线器件面板中有各种微带电路元件，本设计中用到的元件如下： ：MLIN，一般微带线 ：Mcurve，弧形微带线 ：MTEE，微带 T 结构 ：MSUB，微带基片 ：TFR，薄膜电阻(4) 设计输入端电路，输入端电路的连接如图 45所示。图 45 输入端口连接图 (5) 设计阻抗变换电路，/4 阻抗变化线部分的连接如下图 46所示。其中薄膜电阻为两路分支线之间的隔离电阻，用来增加两个端口之间的隔离度。图 46 阻抗变化部分连接图(5) 输出端口电路的设计，端口 2 和端口 3 的电路是对称的，如下图 47所示：47 输出电路连接图(6) 把输入端口电路、阻抗变换电路、输出端口电路用导线连在一起就构成了一个完整的微带型威尔金森功分器，如下图 48所示：图48初步电路原理图4.3 基本参数的设置(1) 在微带面板中选择微带线参数设置控件 MUSB（微带基板），插入原理图中。(2) 双击控件“MUSB”,然后在弹出的对话框中进行参数设置，如下图所49示：图 49 参数设置示意图参数的设置及说明：a H=0.8mm，表示微带线介质基片厚度为 0.8mm；b Er=4.3，表示微带线介质基片的相对介电常数为 4.3；c Mur=1，表示微带线质基片的相对磁导率为 1；d Cond=5.88E+7，表示微带线金属片的电导率为 5.88E+7；e Hu=1.0e+033mm，表示微带电路的封装高度为 1.0e+033mm；f T=0.03mm，表示微带线金属片的厚度为 0.33mm；g Tand=1e-4，表示微带线的损耗角正切为 1e-4； h Roungh=0mm，表示微带线的表面粗糙度为 0mm。其他的均为默认值。由功分器的理论分析可知，输入输出端口微带线的特性阻抗为 500hm，则/4 微带线的特性阻抗为 70.70hm。(3) 在原理图设计窗口的菜单栏中点击【Tools】【LineCalc】【Start LineCale】，弹出如图 410 所示的“LineCalc”窗口。在“Substrate Parameters”栏中输入图 49 如所示的 MUSB 控件的基本参数。在“Componet Parameter”栏的“Freq”项中输入 1GHz，在“Electrical”栏的传输线特性阻抗“”项中输入 50 Ohm，单击就可以在“Physical”栏的传输线宽度0Z“W”项中得到 1.521330mm 的线宽，如图 410 所示。图 410 微带线宽度计算图(4) 同样，在传输线特性阻抗“Z0”项中输入 70.70hm，并在“E-Eff”文本框中输入 90deg(四分之一波长)，单击就可以算出 W 为 0.788886，L 为42.897100mm(约为四分之一波长)。(5) 计算出功分器各段的微带线的理论尺寸后，为了便于参数优化，我们在原理图中插入“VAR”控件。(6) 双击“VAR”控件，弹出的参数设置框中，分别将 w1、w2、h1 设置为变量，根据前面计算得出的结果设定，w1=1.52、w2=0.79、h1=16（此处先不设单位，在设置微带线时另行设定）。(7) 完成VAR”参数的设定后，依次双击原理图中的功分器各段微带线，并按照下图设定参数。具体变量设置如图 411。图 411 设置变量后的电路原理图4.3 功分器原理图的仿真完成原理图的设计之后，就可以对功率分配器的原理图进行仿真了，根据设计指标的要求，主要对它的 S 参数进行仿真和分析，原理图仿真步骤如下：(1) 在原理图设计窗口中选择 S 参数仿真软件面板“Simulation-S-Param”，选择 S 参数扫描控件 插入原理图中，双击原理图中的控件“SP”对其参数进行设置；选择扫描类型（Sweep Type）为线性（Linear），根据功分器的指标设置扫描的频率范围和步长，“Star”为 0.9GHz，“Stop”为 101GHz，“Step-size”为 0.01GHz，如图 412 所示。图 412 S 参数扫描控件的设置 选择元件“Term”放置在功分器 3 个端口上，用来定义端口 1、2和 3，然后单击工具栏的图标，放置 3 个“地”与“Term”相连，如图413所示。图 413 加入 S 参数后的功分器原理图 (3) 完成所有的连接和仿真参数设置后，就可以对电路进行 S 参数进行仿真，单击工具栏中的仿真按钮进行电路仿真。(4) 仿真完成后，系统弹出数据显示窗口，再单击矩形图标，弹出“Plot Trance & Attributes”对话框，如图 414所示，分别将添加 S(1 1)、S(2 1)、S(2 2)、S(2 3)添加到数据显示窗口。 (5)单击数据显示窗口工具栏中的插入标记按钮，添加一个标“marker”放置在曲线中频率为 1G 的一点上，仿真结果如图 415 所示。结论：从图 415 中结果可以看出，采用理论计算的结果作为功分器的参数时，除参数外，各项指标都不是十分理想，功分器在所要求的全频带内隔11S离度没有达到指标，并且平坦度较差，并且当频率偏移中心频率 1GHz 时，参数出现严重的恶化，所以还需对功分器的各个参数进行优化。11S图 414 “Plot Trance & Attributes”对话框图 415 S 参数仿真结果 4.4 功分器参数的优化阻抗匹配对电路的性能具有直接的影响，在实际应用中，功率分配器会连接在输出阻抗为 50的设备后端，为了实现输入端口传输线的特性阻抗为 50，因此必须使 w1=1.52mm，以达到输入阻抗的匹配。这里主要通过改变 w2和 h1 的值，优化系统的各个指标，以实现阻抗匹配。因此，需要在“VAR”控件中设定这两个变量的范围。 (1) 双击“VAR”控件，弹出“Varibles and Equation”对话框，如图 416所示。图 416 “Varibles and Equation”对话框(2) 在“Select Parameter”栏中选择 w2，单击【Tune/Opt/DOE Setup】按钮,弹出“Setup”对话框，然后选择“Optimization”标签页。在“Optimization Status”下拉列表中选择“Enable”，在“type”下拉列表中选择“Continuous”在“Format” 下拉列表中选择“min/max”在“Minimun Vable”和“Maximun Value”文本框中输入 0.7 和 0.9，如下图 417，这样完成了 w2 的设置。再用同样的方法设置 h1，h1 的优化范围为 520。图 4.17 “Setup”对话框的“Optimization”标签页(3) 设置完成优化参数 w2 和 h1 后，还需要选择优化方式和优化目标。从元器件列表选择中选择“Optim/Stat/Yield/DOE”元器件库。从元件库中找到控件“Optim”（优化设置）和控件“Goal”（优化目标）插入到原理图中。因为要优化 S(1，1)、S(2，2)、S(2，1)、S(2，3)，所以需要 4 个“Goal”控件。由于电路的对称性，S(3，1)和 S(3，3)不用优化，S(1，1)和 S(2，2)分别用来设定输入/输出端口的反射系数，S(2，1)用来设定功分器通带内的衰减情况，S(2，3)用来设定两个端口的隔离度。(4) 接下来设定优化控件，双击“Optim”，弹出优化方法及优化次数设置对话框。在“Optimization Type”下拉列表中选择“Random”项，在“Number of iterations”文本框中输入 500。(5) 双击“Goal”根据设计指标，进行设置如图 418：图 418 优化目标参数设置 在“Expr”项中输入“dB （S（1，1），表示优化目标是端口 1 的反射系数 dB 的值； 在“SimInstanceName”中输入“SP1”，表示针对 S 参数仿真 SP1 进行的优化； Min 值采用默认值，表示 S（1，1）的值越小越好； Max=-20，表示优化的目标 dB（S（1，1）不超过-20db； Wight 采用默认值，表示优化的几个目标没有主次之分； Range Var【1】= “freq”，表示优化是在一定频率范围内进行； Range Var【1】= 0.9GHz，表示频率优化范围最小值为 0.9GHz； Range Var【1】= 1.1GHz，表示频率优化范围的最大值为 1.1GHz。再用同样的方法设置另外三个优化目标，如图 4.19 所示。图 4.19 设置完成的“Goal”控件电路参数图(6) 加入优化控件后的功分器原理图如图 420 所示，然后单击工具栏中的仿真按钮进行仿真。图 420 加入优化元件的功分器原理图当优化结束后，数据显示窗口会自动打开，最终的优化结构如图 421 所示。各项指标都满足了设计要求，并且指标在通带内相对平坦。图 421 优化后的 S 参数仿真结果图在一次优化完成后，需要执行菜单命令【Simulate】【Update Optimization Values】，以保存优化后的变量值，否则，优化后的值将不保存到原理图中。如果一次优化不能满足设计指标的需要，则需要改变变量的取值范围，然后接着优化，直到满足要求为止。5 功分器版图的生成与仿真5.1 功分器版图的生成 在进行功分器版图的仿真前，需要生成功分器的版图。(1) 单击工具栏的使元件失效或有效图标，然后单击原理图中用于 S参数仿真的“SP”控件、3 个“Term”控件、4 个“地”，再单击原理图中用于优化的“Optim”控件和 4 个“Goal”控件。这些控件失效后，它们就不会出现在所生成的版图中。(2) 执行菜单命令【Layout】【Generate/Update Layout】，弹出一个设置对话框。这里应用它的默认设置，点击【OK】按钮，就会生成版图。版图生成后，程序会自动打开版图设计窗口，里面显示了刚刚生成的功分器版图，如图 51 所示，从图中可以看出，原理图中的各种传输线模型已经转化成版图的实际微带线。图 51 功分器版图微带线介质基片和金属片的基本参数对微带型威尔金森功分器性