射频功分器一分三地设计毕设论文设计

word某某建筑工业学院毕 业 设 计 (论 文)专 业 通 信 工 程 班 级08通信2班学生某某 X 静 学 号 08205040205课 题基于ADS的微波器件设计与仿真 1分3功分器的设计与仿真 指导教师彭 金 花 2012年 6月摘 要随着现代电子和通信技术的飞跃开展，信息交流越发频繁，各种各样电子电气设备已大大影响到各个领域的企业与家庭。在微波通信领域，随着微波技术的开展，功分器作为一个重要的器件，其性能对系统有不可忽略的影响，因此其研制技术也需要不断的改良。本文首先对功分器的根本理论、性能指标作了简单介绍，然后阐述了一个具体的一分三功分器的设计思路和过程，并给出了设计的电路结构、仿真结果、生成了相应的Layout图，最后制作了版图。本文还用到了ADS和AutoCAD，在功分器的具体电路结构建模、仿真优化和版图的生成上如何应用，在设计过程中文中都作出了相应的说明。关键词：功分器； ADS；仿真AbstractWith the leap development of the modern electronic and munication technology and the more and more frequent information exchange, various kinds of electrical and electronic equipments have greatly affected business and home in all domains. In the field of microwave munication, along with the development of microwave technology, as a key device, the influence of the splitters performance to system can not be overlooked, so the development technology needs continuously improved.In this paper, the basic theory and the performance indicators of the splitters are simply introduced, and then the design idea and process of a specific 1 into 3 splitters are expatiated. The circuit structure, the simulation results and the Layout chart are also givn. Finally, the Territory is made. ADS and AutoCAD are also used in the design. How to use them in the specific circuit modeling, simulation, optimization and Territory formation are correspondingly described in the paper.Key words: splitters; ADS; simulation36 / 41目录第一章引言11.1 微波技术简介11.1.1 微波的概念介绍11.1.2 微波的主要特性21.1.3 微波的一些应用21.2 功分器的概述334第二章微带传输线理论62.1 微带传输线简介62.2 微带线参数的计算方法9第三章功分器的根本理论103.1 功分器的分类情况103.2 常用的功率分配器间的区别103.3 功分器的根本原理101012第四章功分器的设计181818181818194.1.6 S参数19202020214.4.2 设计原理图21224.4 .4功分器原理图仿真244.4.5 功分器的电路参数的优化26284.4.7 功分器版图的仿真30第五章总结32参考文献34基于ADS的微波器件设计与仿真1分3功分器的设计与仿真 电子信息工程学院 通信工程专业 2008级通信2班 X静指导教师：彭金花第一章引言1.1 微波技术简介1.1.1 微波的概念介绍近年来,在无线电通信等应用中,不断使用越来越短的电磁波,如长波、中波、短波、超短波、微波、亚毫米波直到光波。微波与无线电波、红外线、可见光一样都是电磁波，微波是指频率为300MHz-300KMHz的电磁波，即波长在1米到1毫米之间的电磁波。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。在微波频段X围内，一方面，其波长比普通无线电波短得很多相应的频率高得很多；另一方面，其波长又比可见光长得多，相应得频率也低得很多。因而，微波波段具有自己的特点、应用领域和研究方法，它的产生、传输、辐射、传播也与别的波段不同。这就是将微波波段划出来进展专门研究的原因，同时它也是更高频段研究的根底。 在通信和雷达工程中，常使用拉丁字母来代表微波波段的名称，列于表1-1。表11 微波波段的代号与对应的频率X围波段频率X围/GHz波段频率X围/GHz UHF K L Ka LS Q S U C M XC E X F Ku G R 微波能通常由直流或50MHz交流电通过特殊的器件来获得。可以产生微波的器件有许多种，但主要分为两大类：半导体器件和电真空器件。电真空器件是利用电子在真空中运动来完成能量变换的器件，或称之为电子管。在电真空器件中能产生大功率微波能量的有磁控管，多腔速调管，微波三、四极管，行波管等。在目前微波加热领域特别是工业应用中使用的主要是磁控管与速调管。1.1.2 微波的主要特性 纵观从低频无线电波、微波到可见光以至X射线、射线的整个电磁波谱，就可以发现，它们虽然都同属于电磁波，但不同波段的电磁波具有各自不同的性质。从微波来说，主要特性有： (1)微波源仍是单频、偏振、相干的，因而可采用外差方法来承受微波信号。 (2)微波的波长短。微波的传输特性相似于几何光学，具有“似光性。 (3)微波波长和一般物体的线性尺寸可比拟，因而，有可能采用成熟的几何光学方法来设计各种微波仪器和设备，如采用发射面或透镜来设计微波天线等。 (4)微波既是频率很高的波段，也是频带极宽的波段，具有通信容量高、抗干扰能力强的特性，因而可以用于多路通信。 (5)微波可以穿透电离层，因而卫星通信必须采用微波。 (6)水、含水或脂肪的材料对微波有吸收作用。正是利用这一点，微波在工农业的许多方面得到应用。1.1.3 微波的一些应用 根据微波的一些特性，我们可以得到它的一些简单的应用：(1)广播与电视。由于电台的增多，无线电波段日益拥挤，电台之间的相互干扰变得严重。解决的唯一方法是向高频开展。微波的频带比长波、中波、短波与超短波的频带之和还要宽上1万倍左右。采用微波可传递多路广播与电视信号。 (2)通信。中继通信一般采用厘米波，其他利用微波的散射通信和卫星通信都在迅速开展，微波通信实际上是一种中继站在空中的微波中继通信。 (3)雷达与导航。为了适应各种不同的要求，现代雷达的种类很多，性能业日益提高。除了军用以外，还开展了多种民用雷达，如气象雷达、导航雷达、汽车防撞雷达、防盗雷达等等。 (4)微波加热。微波加热是指一些有耗介质，特别是含水或含脂肪的材料，吸收微波能量，并把它转化为热能。其优点是加热均匀且内外同热，热效率高，不需传热过程，加热时间短，便于自动控制和连续生产。 (5)医学。热效应在医疗方面的应用，除微波理疗机做透热医疗外，还可以利用微波进展局部加热杀死癌细胞。 (6)能源。可利用微波对电离层的穿透性，把卫星上所产生的电功率传递到地面。1.2 功分器的概述功分器是将输入信号功率分成相等或不相等的几路输出的一种多端口网络，它广泛应用于雷达系统与天线的馈电系统中。功分器按照其功率分配比有相应的设计公式可较为容易的实现。等分功分器按其分配支路的数量可分为2n+1奇等分和2n偶等分两类。后者的设计方法相对简单，只需要在最根本的一分二功分器上再等分即可。对于奇等分功分器，通常惯用的设计方法是先2n+1等分，然后其中一路加负载，这种设计方法虽然简便，可是有着结构受限，接负载端容易影响其它端口相幅的一致性，并且插入损耗较大。随着无线通信技术的快速开展，各种通讯系统的载波频率不断提高，小型化低功耗的高频电子器件与电路设计使微带技术发挥了优势。在射频电路和测量系统如混频器、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讯质量。在通讯设备中，功分器有着非常广泛的应用，例如在相控阵雷达系统中，要将发射机功率分配到各个发射单元中去。实际中常需要将某一功率按一定比例分配到各分支电路中。功分器种类繁多，常见的功分器有变压器式 、微带式或带状线式 、波导式和铁氧体式，它们各有优缺点和使用场合。功率分配器作为一种低耗的无源器件广泛应用于微波毫米波系统，其功能是将输入功率分配到各个支路中。近年来，采用集成型的平面传输线设计的功率分配器得到了快速的开展。在天线阵技术的馈电网络中，功率分配器可将功率分配到各个阵列单元。功分网络中布线的设计质量直接影响整个天线的性能，在实际设计中应考虑体积的小型化、相位、驻波、各端口的匹配和加工精度等问题，目前的文献大都是针对小型的1-2功分网络。功分器可以采用腔体和微带的方法。腔体插入损耗较小，功率容量较大，不过隔离度不好，但插入损耗和平衡度较好；而微带线设计方法就比拟灵活，最简单的可以在输出端口加单向铁氧体，为了减小体积，提高性能，目前最通用的还是Wilkinson功率分配器的设计思想。微带功率分配器有简单和混合型两类。在平面型微波集成电路中，直接分成多路输出的只有简单的功率分配器才能实现，其加工工艺简单，但输出端不匹配，各路输出之间隔离很小，工作频带较窄。混合型功率分配器，由于平面电路上要对称地安置几个隔离电阻在结构上有困难，故一般只能做成两路功率分配器，最多不超过三路，但它改善了输出端的匹配，又增大了各输出端口之间的隔离。混合型多路功率分配器通常是用数个两路功率分配器级联而成。另外可用作功率分配器的有微带线定向耦合器和环形电桥，但是它们一般并不称为功率分配器，因为一个功率分配器应该只有信号的输入端口和输出端口，而不必有隔离端口。在微带功分器中，Wilkinson功分器由于其自身结构的特点具有良好的特性，是在毫米波微波大功率系统中应用最广泛的一种形式，其功率分配可以是相等的或不相等的。 威尔金森功分器一般只应用于 X 波段以下频率，当频率升高就会出现许多问题，比如隔离电阻相对于工作频率有一个谐振频率点，不能再被看作是纯电阻，它的尺寸可与工作波长相比拟，不能再看作集总元件。为了得到高频段的谐振频率，电阻尺寸必须很小，这就意味着功分器的两个分支电路必须凑的很近才能与电阻相连，但这样又会引起输出两支路间的强耦合，破坏了我们所要的功分比。功分器现在有如下几种系列：1、400MHz-500MHz频率段二、三功分器，应用于常规无线电通讯、铁路通信以与450MHz无线本地环路系统。2、800MHz-2500MHz频率段二、三、四微带系列功分器，应用于GSMCDMA/PHS/WLAN室内覆盖工程。3、800MHz-2500MHz频率段二、三、四腔体系列功分器，应用于GSMCDMA/PHS/WLAN室内覆盖工程。4、1700MHz-2500MHz频率段二、三、四腔体系列功分器，应用于PHS/WLAN室内覆盖工程。5、800MHz-1200MHz/1600MHz-2000MHz频率段小体积设备内使用的微带二、三功分器。第二章微带传输线理论2.1 微带传输线简介 微带是一种可以在印刷电路板PCB上制造的用来传播微波信号的传输线，适合制作微波集成电路的平面结构传输线，如天线、耦合器、过滤器、电源分隔等微波部件都可以用微带线实现。相比于传统的波导技术来说，微带线是迄今为止最廉价、最轻便和最紧凑的传输线。与金属波导相比，其优点有体积小、重量轻、使用频带宽、可靠性高和制造本钱低等，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开展，形成了微波集成电路，使微带线得到了广泛应用，相继出现了各种类型的微带线。 (1)微带线的历史微带线是一种类似于带状线和共面波导的平面传输线。微带线是由ITT(美国国际电报公司)实验室研发的，ITT实验室研发微带线的目的是为了与带状线的开展进展抗衡。早期的微带线使用厚基板工艺，在微带线上就允许横电磁波TEM波进展传播，这样的话在微带线中传输的微波便非常复杂，难以预料。20世纪60年代开始薄基板工艺开始广泛使用。 (2)微带线概述微带线是由介质基片以与其两边的导体带条和接地板所构成，而带条图形是用印刷技术敷在介质基片上的。其结构如图2-1所示。 图2-1 微带线结构图 其中，t为金属导体厚度,w为金属导体宽度,h为介质厚度,r为介质衬底的相对介电常数。微带线与微带线构成的各种电路(微波集成电路)是平面电路，与波导或同轴线构成的电路(相对的称为立体电路)相比拟，具有体积小、重量轻、本钱低、频带宽等优点；但有Q值低、功率容量小等缺点。此外，微带线不像波导那样是封闭的传输线，因此比拟容易受到其他部件的辐射影响。 (3)根本设计参数微带线设计的实质是在给定情况下，由Zc来确定导电带的宽度。其设计时主要参考以下参数：基板参数：基片材料对真空的相对介电常数r；基板厚度h；导电带宽度以与导电带、底板金属的相关参数。微带线参数：特性阻抗Z0、有效介电常数e和衰减常数等。电性能参数：特性阻抗Z0 、工作频率f0 、工作波长0 、波导波长和电长度(角度)。 (4)微带线常用材料导体带和接地板均由金属材料制成。对于金属材料有以下几点要求：高的导电率；低的电阻温度系数；对基片的附着性能好；好的刻蚀性和可焊接性；易于沉淀和电镀等。 对于介质基片材料的选择，应从如下几个方面综合考虑：相对介电常数较高，且随频率的变化小；材料的损耗小；介质纯度高，具有较好的均匀性与性能一致性；热导性与热稳定性好，且与导体的粘附性能好；有一定的机械强度且易于机械加工；抗腐蚀性强，化学性能稳定等。因此，导体带和接地板均由导电良好的金属材料(如银、铜、金)构成。介质基片常用的材料有：金红石(纯二氧化钛)、氧化铝陶瓷、蓝宝石、聚四氟乙烯和玻璃纤维强化聚四氟乙烯。 (5)微带线制作工艺微带线或由微带线构成的微波元件，大都采用薄膜(如真空镀膜)和光刻等工艺在介质基片上制作出来所需要的电路。此外，也可以在介质基板两面敷有铜箔的板，在板的一面用光刻腐蚀法制作出所需的电路，而板的另一面的铜箔板如此作为接地板 (6)微带线的计算公式：微带线的有效介电常数可以解释为一个均匀媒质的介电常数， (2-1)这个均匀媒质取代了微带线的空气和电介质区域。对于给定的特性阻抗Z0和介电常数，比值W/h可以求得为当时， (2-2)当时， (2-3)其中，导波长计算公式(2-4)微带线长度计算公式 (2-5)2.2 微带线参数的计算方法 由上述公式可以看出，计算公式极为复杂。每一个电路的设计都使使用一次这些公式是不现实的。经过几十年的开展，使得这一过程变得相当简单。微带线设计问题的实质就是求给定介质基板情况下阻抗与导带宽度的对应关系。目前使用的方法主要有： 早期微波工作者针对不同介质基板，计算出了物理结构参数与电性能参数之间的对应关系，建立了详细的数据表格。这种表格的用法步骤是：按相对介电常数选表格；查阻抗值、宽度比W/h、有效介电常数三者之间的关系，只要一个值，其他两个就可查出；计算，通常h，如此W可得。由求出波长，进而求出波导波长，进而求出微带线长度。目前计算微带电路的仿真软件，如ADS、Ansoft、MW Office等，输入微带的物理参数拓扑结构，就能方便得到微带线的电性能参数，并可调整或优化微带线物理参数。第三章功分器的根本理论3.1 功分器的分类情况a、按路数分为：2路、3路和4路与通过级联形成的多路功率分配器。b、按结构分为：微带功率分配器与腔体功率分配器。c、根据电路形式可分为：微带线、带状线、同轴腔功率分配器。d、根据能量的分配分为：等分功率分配器与不等分功率分配器。3.2 常用的功率分配器间的区别常用的功率分配器都是等功率分配，从电路形式上来分，主要有微带线、带状线、同轴腔功率分配器，几者间的区别如下：a、同轴腔功分器优点是承受功率大，插入损耗小，缺点是输出端驻波比大，而且输出端口间无任何隔离。微带线、带状线功分器优点是价格廉价，输出端口间有很好的隔离，缺点是插入损耗大，承受功率小。b、微带线、带状线和同轴腔的实现形式也有所不同：同轴腔功分器是在要求设计的带宽下先对输入端进展匹配，到输出端进展分路；而微带功分器先进展分路，然后对输入端和输出端进展匹配。3.3 功分器的根本原理微带功分器的分支电路通常是用四分之一波长阻抗变换器，它是一种有用而实际的阻抗匹配电路。阻抗匹配的根本思想如图3-1所示，它将匹配网络放在负载和传输线之间。理想的匹配网络是无耗的，而且通常设计成向匹配网络看去输入阻抗为。虽然在匹配网络和负载之间有很屡次反射，但是在匹配网络左侧传输线上的反射被消除了。这个过程也被认为是调谐。阻抗匹配或调谐的原因是很重要的，原因如下所述：（1） 当负载与传输线匹配时假设信号源是匹配的，可传送最大功率，并且在馈线上功率损耗最小。（2） 对阻抗匹配灵敏的接收机部件可改良系统的信噪比。（3） 在功率分配网络中如天线阵馈电网络，阻抗匹配可以降低振幅和相位不平衡。只要负载有非零实部，就能找到匹配网络。匹配网络负载 图3-1 阻抗匹配网络四分之一波长变换器对于匹配实数负载阻抗到传输线，是简单而有用的电路。如如下图所示，假如主传输线的特性阻抗为，终端接纯电阻性负载 ，但，如此可以在传输线与负载之间接入一特性阻抗为、长度的传输线段来实现匹配。 图3-2 波长变换器设此时面上的反射系数为，如此 (3-1)上式取模值为(3-2)在中心频率附近，上式可近似为(3-3)当q = 0时，反射系数的模达到最大值，由式3-3)可以画出 随q 变化的曲线，如图3-3所示。随q (或频率)作周期变化，周期为p。如果设为反射系数模的最大容许值，如此由阻抗变换器提供的工作带宽对应于图中限定的频率X围q。由于当q偏离时曲线急速下降，所以工作带宽是很窄的。图3-3 波长变换器在设计频率附近的的近似形态当 时 (3-4)通常用分数带宽表示频带宽度，与有如下关系 (3-5)当和，且给定频带内容许的 时，如此由式3-5可计算出相对带宽值；反之，假如给定值，也可求出变换器的，计算中取小于的值。对于单一频率或窄频带的阻抗匹配来说，一般单节变换器提供的带宽能够满足要求。但如果要求在宽频带内实现阻抗匹配，那就必须采用多节阶梯阻抗变换器或渐变线阻抗变换器。功率分配器是将输入信号功率分成相等或不相等的几路功率输出的一种多端口网络。任意多分路单节的功分器的电路拓扑结构如图 3-4 所示：图3-4功分器的电路示意图其中a为多路普通功分器的示意图，信号源与负载内阻均为：；假如为 N 等分，如此 ，各段长度均为： 。这种功分器不能做到信道之间有隔离，也不能做到各端口的完全匹配。图b为混合型N路功分器，不同之处在于各路输出端口均有一隔离电阻R与公共结点相连。可以使输入功率分成大小不相等的N路输出，且各输出端口同相位。假如在输出端口反射，如此波将在支线交叉口再分配。由于各段长度为。如此往返的电长度为，彼此相消，从而实现各输出端口之间的相互隔离。一分三功分器是一个四端口网络，其S参数为： 由于普通的无耗互易三端口网络不可能完全匹配，且输出端口间无隔离，工程上对信道之间的隔离要求又很高，因此常用混合型的功率分配器，该结构也称为威尔金森型功率分配器，它是有耗的三端口网络，是在毫米波微波大功率系统中应用最广泛的一种形式，其功率分配可以是相等的或不相等的。其不等功率分配器的一个原理性示意图为图3-5。图3-5 配有隔离电阻的微带功分器结构图这种功率分配器一般都有消除、端之间耦合作用的隔离电阻R。设主臂(功率输入端)的特性阻抗为，支臂-和-的特性阻抗分别为和，它们的终端负载分别为和，电压的复振幅分别为和，功率分别为和。假设微带线本身是无耗的，两个支臂对应点对地(零电位)而言的电压是相等的，那么，就可以得到如下的关系式：(3-6)(3-7)(3-8)又因，所以有(3-9)(3-10)式中的k是比例系数，k可以取1(等功率情况)，或大于1和小于1(不等功率情况)。设和是从接头处分别向支臂-和-看去的输入阻抗，两者的关系是：(3-11)从主臂向两支臂看去应该是匹配的，因此应有(3-12)或 (3-13) 由此得 ： (3-14)因为和k是给定的，这样和即可求出。前面己经讲过，可见，只需选定和中的一个值，如此另一个即可确定，为计算方便，通常可选取 (3-15)根据式(3-14)，(3-15)和式(3-16)即可求出两个支臂的特性阻抗和分别为 (3-16) (3-17) 现在确定隔离电阻R的作用与其值大小。倘假如没有电阻R，那么，当信号由-支臂的端口输入时，一局部功率将进入主臂，另一局部功率将经过-支臂而到达端口；反之，当信号由-支臂的端口输入时，除一局部功率将进入主臂外，还有一局部功率将到达端口，即、两端口之间相互影响。为了消除这种现象，加了隔离电阻R。当信号由主臂输入时，由于R两端电位相等，无电流通过，不影响功率分配(相当于R不存在一样)。假如信号由端口输入，一局部能量经 R到端口，另一局部，除经-支臂输入主臂外，还有一局部经-支臂到达端口，但这一局部与经R到达端口的信号，由于路程差而使它们的相位差，从而使它们互相抵消，端口输出的能量极少；同理，当信号从端口输入时，端口的输出能量也极少。假如R的值和位置选择适宜，就能得到较好的隔离效果。为了求出隔离电阻R的表示式，可以利用图3-5的示意图。图中和公式中的电压和电流是指其复振幅。设在端口上接入电压为U的信号源，这样就会在整个电路中引起电压和电流，设在、端口处的电压分别为, 和，电流分别为。因为-和-支臂的长度L均为,所以，根据传输线理论可知 对于-支臂有 (3-18) (3-19)对于-支臂有 (3-20) (3-21) 另外，根据电路理论可知，在主臂和两个支臂的交接点处有(3-22)在隔离电阻R与端口的交接点处有 (3-23) 式中 (3-24) 将式(3-22)代入式(3-23)，得 (3-25) 再将式(3-21)和式(3-25)代入式(3-24)，得 (3-26)或 (3-27) 当、端口隔离，即端口无能量输出(实际上即)时，如此由式(3-26)和式(3-27)可得 (3-28)再根据式(3-27)，(3-28)和式(3-29)，得 (3-29)在实际的微带电路中，隔离电阻是由蒸发在介质基片上的镍铬合金薄膜或钽薄膜构成的；在波长较长的情况下，也可用一般的小型电阻焊接在导体带上。一般地讲，假如两个支臂的间距不太大，外接的隔离电阻引线短，如此效果较好，否如此隔离性能较差。在以上的分析中，曾假定、端口的负载分别为和，但在实际的应用中，、端口后面要接的一般都是特性阻抗等于的传输线，而为了保证所要求的功率分配比，如此应在端口与传输线之间、端口与传输线之间分别参加一段长的阻抗变换器，图3-6是这种情况的示意图。设在端口后变换段的特性阻抗为，在端口后变换段的持性阻抗为，它们的表示式分别为 (3-30) (3-31) 对于等功率分配器,如此 , ,于是有 (3-32) (3-33) (3-34)以上是对中心波长而言所得出的结果。当波长偏离中心波长时，性能会差些,即频带较窄，假如要求频带宽些，如此可采用多节的功率分配器。利用微波网络理论可以证明:任何无耗的三端口网络不可能同时实现各端口的匹配和隔离；但是对于加了隔离电阻的三端口功率分配器，即成了有耗网络，因此各端口可以同时得到匹配和隔离。微带一分三功分器的工作原理与上述分析类似，不同之处仅在于输出路数。第四章功分器的设计驻波：终端不匹配的传输线上各点的电压和电流由入射波和反射波叠加而形成驻波。传输线上波腹处电压振幅和波节点电压振幅之比为电压驻波比，用表示，输入驻波比越小越好。(4-1)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，才能进展设计。 在大功率分配器/合成器中，电路元件所能承受的最大功率是核心指标之一，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传输线。 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所带来的损耗，其计算公式为所有的路数的输出功率之和与输入功率的比值，而分配损耗为其中一路输出功率与输入功率的比。：理想等分功分器的分配损耗为dB=10lg1/N (4-2) N为功分器路数N=4 6.0dB 支路端口间的隔离度是功率分配器的另一个重要指标。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。在主路和其他支路都接匹配负载的情况下，各分配支路之间的衰减量。输入端的输入功率与隔离端的输出功率之比，记为C， 4.1.6 S参数S参数是与电压驻波比VSWR直接相关的反射系数。传输系数通常用来表示增益或衰减。S参数从功率的角度表达电路的输入和输出，因此可以用来度量沿50传输线电路元件的传输功率和反射功率。S参数通过将电路端接系统的实际线阻来测量，它是一个具有幅度和相位信息的矢量。、为反射功率和入射功率之比，两者同反射系数 一样，在Smith圆图中得到广泛应用。因此，任意两端口器件的输入、输出参数与其对的特征阻抗可以从极坐标图中提取。常见的S参数以dB表达，见下表4-1表4-1 S参数与意义S参数描述输入反射系数、回波损耗正向传输系数、插入损耗输出反射系数反向传输系数ADS2009全称 Advanced Design System 2009,是Agilent公司2009年推出的新版本的EDA软件。ADS经过多年的开展，仿真功能和仿真手法日趋完善个，最大的特点就是集成了从IC级到电路级直至系统级的仿真模块。它内含基于矩量法Momentum 的电磁仿真模块，ADS Momentum 是一种对3D进展简化的2.5D电磁场仿真器，非常适合第3维度上均匀变化的机构仿真，如PCB板级设计、无源板级器件设计、RFIC/MMIC和LTCC等。其仿真速度极快，同时保证和主流3D电磁仿真软件相当的精度。此外，Agilent公司还和各大元器件厂商广泛合作并提供最新的Design Kit给用户使用。使用户可以在第一时间得到最新的设计资源。同时Agilent公司利用自身的优势，在软件与测试仪器的结合上有着其他软件无法比拟的优势，极大地提高了设计的效率。Agilent公司在2009软件版本中增加了基于有限元算法(FEM:Finite Element Method)的3D电磁场仿真器EMDS,大大提高了软件的3D仿真能力。ADS2009能与许多著名的EDA软件进展协同仿真，如CST、Mentor Graphics、Cadence、Matlab等，并且ADS layout能够与主流的CAD软件相互导入和导出版图隔离度：20dB在进展设计时，主要是以功分器的S参数作为优化目标进展优化仿真。S21、 S31、S41是传输参数，反映传输损耗；S11、 S22、 S33、S44分别是输入输出端口的反射系数，由它可以换算出输入、输出端的电压驻波比。如果反射系数过大，就会导致反射损耗增大，使系统性能下降。S23等反映了三个输出端口之间的隔离度。（1） 运行ADS2009，打开ADS2009主窗口。（2） 执行菜单命令【File】【New Project】，弹出【New Project】对话框，建立工程WDCoupler ，默认的长度单位为millimeter，如图4-1所示。（3） 单击【OK】按钮，弹出原理图设计窗口和原理图设计向导，在原理图设计向导中选择“No help needed再单击【Finish】按钮打开原理图设计窗口。图4-1建立工程4.4.2 设计原理图1在原理图的元件面板列表上，选择微带线【TLines-Microstrip】元件库 ，打开元件面板。2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。3设计输入端口电路。4设计阻抗变换电路。5设计输出端口电路。6把输入端口电路，阻抗变换电路和输出端口电路用导线连接在一起，就构成了一个完整的功分器。在ADS中功分器的电路原理图如图4-2所示。图4-2 功分器的电路原理图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双击原理图中的“MUSB控件，然后再弹出的对话框中设置参数，如图4-3所示。Mur=1 ，表示微带线的相对磁导率为1Cond=5.88E+7 ，表示微带线导体的电导率为5.88E+7Hu=1.0e+033 ，表示微带线的封装高度为1.0E+033TanD=1e-4 ，表示微带线的损耗角正切为1e-4Roungh=0mm ，表示微带线外表粗糙度为0mm图4-3MUSB设置参数当Z0=59.46时，对应的W4=1.12mm当Z0=42时，对应的W5=2.01mm 3计算出功分器各段微带线的理论尺寸后，为便于参数优化的需要，在原理图中插如“VAR控件。4双击“VAR控件，弹出参数对话框，在对话框中对变量参数w和l进展设置。对变量w1设置如下在Name栏填入w1单击【Tune/Opt/Stat/DOE Setup】按钮，打开【Setup】设置窗口，在【Setup】窗口中，选择优化【Optimization】按钮，然后在【Optimization】栏选择Enable，在Type栏里选择Continuous，在Format栏选择【min/max】，在【Minimum Value】栏填入1.00mm，在【Maximum Value】栏填入2.00mm，单击【OK】按钮完毕设置。（4） 用同样的方法设置w2,w3,w4,w5,w6,w7和l。（5） 完成“VAR参数的设置后，一次双击原理图中功分器的各段微带线，并设置微带线的宽度w与长度l，单位为mm，具体的变量设置如图4-4所示。图4-4设置变量后的功分器原理图4.4 .4功分器原理图仿真完成原理图的设置后，就可以对功率分配器的原理图进展仿真，根据设计指标要求。主要对它的电路S参数进展仿真和分析，原理图的仿真步骤如下。（1） 在原理图设计窗口中选择S参数仿真软件面板“Simulation-Sparam，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对其参数进展设置：频率扫描类型选择为Linear，频率扫描的起始值为0.9GHz，频率终止值为1.1GHz，频率的扫描步长为10MHz。（2） 选择元件“Term放置在功分器4个端口上，定义端口1、2、3和4，然后单击工具栏的图标，放置4个“接地与“Term相连。（3） 完成所有的连接和仿真参数设置后，就可以对电路进展S参数进展仿真，单击工具栏中的【Slmulate】按钮进展电路仿真。（4） 仿真完成后，系统弹出数据显示窗口，再单击图标，弹出数据图的轨迹与属性窗口，选择要显示的函数S(1,1)，单击【Add】按钮，在弹出的“plex Data对话框选择dB为单位，单击【OK】按钮，返回前“Plot TracesAttributes对话框，单击【OK】按钮，同样设置S2，1、S3，1、S4，1、S2，3、S2，4和S3，4，如图4-5所示。图4-5 S参数曲线结论：从图中结果可以看出，采取理论计算的结果作为功分器的参数时，各项指标都不理想，功分器在所需求的频带内隔离度没有达到指标，并且平坦度较差，当频率偏移中心频率1.0GHz时，S11参数出现了严重的恶化，所以还需要对功分器的各个参数进展优化。4.4.5 功分器的电路参数的优化使用理论计算的结果作为功率分配器参数时，它的性能并没有达到设计的指标，因此需要对功率分配器的各个参数进展优化。1在原理图的元件面板列表上，选择优化控件【Optim/Stat/Yield/DOS】，元件面板上出现与【Optim/Stat/Yield/DOS】对应的元件图标。在元件面板上选择优化控件Optim，插入原理图的画图区。在元件面板上选择目标控件Goal，插入到原理图的画图区，共插入7个目标控件。2双击画图区的优化控件Optim，设置优化控件。选择随机Random优化方式。优化次数选择500次。其余的选项保持默认状态。3设置7个目标控件Goal，这7个目标控件分别用来控制S1，1、S2，1、S3，1和S4，1，S2，3，S3，4，S2，4其中S1，1表示端口1的匹配状况，S2，1表示功分器正向传输系数，S2，3表示两个输出端口之间的隔离度。当优化完毕后，数据显示窗口会自动打开，最终的优化结果如图4-6所示。可见，各项指标都满足了设计要求，并且指标在通带内相对平坦。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。如果一次优化不能满足设计指标的需要，如此需要改变变量的取值X围，新进展优化，直到满足设计要求为止。单击工具栏中的【Simulate】按钮就可以进展仿真，仿真结果会出现数据显示窗口，依次放置S1，1、S(2,2)、S(2,1)和S(2,3)。由于最终原理图的电路参数也优化结果一样，因此最终仿真结果同样如图4-6所示。图4-6 优化后的仿真曲线在进展功分器版图的仿真前需要生成功分器的版图。1在生成版图前，必须先将原理图中的优化控件和目标去掉。去掉的方法是单击原理图工具栏中的【Deactive or Active ponent】按钮，然后单击优化控件和7个目标控件，假如优化控件和7个目标控件打了红叉，表示已经被关掉。在原理图上，去掉4个端口的Term和“接地，不让它们出现在生成的版图中，去掉的方法与去掉优化控件和目标控件的方法一样。 2确定所有元件失效后，执行菜单命令【Layout】【Generate/Update Layout】弹出设置窗口，单击窗口上的【OK】按钮，完成版图的生成。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4-7所示，从图上可以看出，原理图中的各种传输线模型已经转化为版图是实际微带线。3选择版图工具栏上的端口Port，插入版图，输入端口设置为端口1，输出端口设置为端口2、端口3和端口4。4微带线介质和金属片的根本参数对微带型威尔金森功分器的性能影响很大，在此必须设置版图中的微带线的根本参数。为了利用原理图的仿真结果，将版图中的微带线参数设置为原理图中的“MUSB控件里的参数。5在版图设计窗口中，执行菜单命令【Momentun】【Substrate】【Creat/Modify】 ，可以查看和修改微带线的根本参数。设置完微带线的根本参数后，一个完整的功分器版图就形成了，接下来就可以进展S参数仿真了。其中图4-8为从ADS导入AutoCAD的到的版图。图4-7 ADS中生成的版图图4-8从ADS导入AutoCAD的到的版图4.4.7 功分器版图的仿真1生成功分器的版图后，为观察功分器的性能，并能更好的接近实际，需要在版图里再次进展S参数的仿真。2执行菜单命令【Momenttum】【Simulation】【S-parameters】，打开仿真控制对话框，。在“Sweep Type下拉列表中选“Adaptive，设置的起止频率与原理图中一样，“Start为0.9GHz，“Stop为1.1GHz。索取的样点为41个。仿真控制参数设置完成后，单击【Update】按钮。3单击【Simulation Control】窗口中的【Simulation】按钮，开始仿真。整个仿真过程比拟慢，需要数分钟，仿真完毕后将会自动出现数据显示窗口。值得注意的是：如果版图仿真得到的曲线不满足指标要求，那么重新回到原理图窗口进展优化仿真，可以改变优化变量的初值，也可以根据曲线与指标的差异情况适当调整优化目标的参数，重新进展优化。如果仍不能满足要求，如此需要进一步增加变量个数，从而改变更多的原理图参数。在返回原理图重新优化时，需要使刚刚打上红叉的元件回复有效，然后才能进展优化，之后重复前面所诉的过程，知道版图仿真的结果达到要求为止。本次功分器版图的仿真结果如图4-9所示，观察S曲线，可以看出它的性能有不同程度的恶化，但仍能满足设计指标的要求。图4-9生成版图后的S参数曲线第五章总结 通过这次功分器的设计，我学到了很多书本上没有的东西。首先最大的收获就是提升了自己将书本上所学到的知识应用于实践的能力，其次就是学到了一些微波功分器方面的相关知识。 对于微带功率分配器我们常用的是功率等分的功率分配器，有很多软件对于功率分配器的仿真都是可以的，常用的有ESSOF，ADS，Microwave Office等，由于软件仿真的结果是理想化的，而实际由于电阻接头等引起的误差是不可防止的。例如对于各个端口的回波损耗与隔离度，ESSOF，Microwave Office的仿真结果很接近，与实验结果相比拟而言，一般仿真结果需要达到28dB，实验出来的才能达到21dB，但仿真结果超过28dB后实验的结果变化并不大，这与电缆、接头等的回波损耗有关系。如果采用的是ADS，由于建模更接近真实，考虑到拐角等，一般情况下回波损耗与隔离度仿真结果与实验结果相差3-4dB左右，也就是说仿真是24dB而实际就能做到21dB。 所以，在这方面我学到了很多。另外，关于ADS仿真软件，我以前从来都没有接触过，甚至是听都没听过的东西，这次通过自学，我知道了它的根本功能以与操作方法，相信这些知识才我以后的工作学习中，都会起到一定的影响的。这次功分器的设计，不同于以往的课程设计，从头到尾都是由自己一个人独立完成的。这在一定程度上提高了我独立思考问题，解决问题的能力。从一开始的查阅资料、外文翻译，到后来的功分器设计，以与ADS软件的仿真和毕业论文的写作，除了教师和同学给过一些指导之外，其他的都是我自己独立完成的。最后能够顺利完成这次毕设，给了我很大的成就感和满足感。这次的设计过程虽然只是用的软件仿真，并没有实践的环节，但对于我来说，通过查阅书籍，我已经学到了很多。我会记得这次毕业设计的经历，相信这些在我以后的工作学习中都会有帮助的！致谢大学四年学习时光已经接近尾声，在此我想对我的母校，我的父母、，我的教师和同学们表达我由衷的谢意。毕业论文暂告收尾，这也意味着我在大学学习生活既将完毕。回首既往，自己一生最宝贵的时光能于这样的校园之中，能在众多学富五车、才华横溢的教师们的熏陶下度过，实是荣幸之极。在这四年的时间里，我在学习上和思想上都受益非浅。这除了自身努力外，与各位教师、同学和朋友的关心、支持和鼓励是分不开的。在毕业论文设计过程中，我遇到了许许多多的困难。在此我要感谢我的指导教师彭金花教师给我悉心的帮助和对我耐心而细致的指导，我的毕业论文较为复杂烦琐，但是彭金花教师仍然细心地纠正图中的错误。除了敬佩彭金花教师的专业水平以外，她的治学严谨和科学研究的精神也是我永远学习的榜样，并将积极影响我今后的学习和工作，我才得以解决毕业设计中遇到的种种问题。同时感谢我院、系领导对我们的教诲和关注；感谢大学四年传授我们专业知识的所有教师。还有谢谢我周围的同窗朋友，他们给了我无数的关心和鼓励，也让我的大学生活充满了温暖和欢乐。如果没有他们的帮助，此次毕业论文的完成将变得困难。他们在我设计中给了我许多宝贵的意见和建议。同时也要感谢自己遇到困难的时候没有一蹶不振，取而代之的是找到了最好的方法来解决问题。最后，感谢生我养我的父母。谢谢他们给了我无私的爱，为我求学所付出的巨大牺牲和努力。这次毕业能够最终顺利完成，归功与电信学院所有教师四年间的认真负责，使我能够很好的掌握专业知识，并在毕业论文中得以表现。也正是你们长期不懈的支持和帮助才使得我的毕业论文最终完成。最后，我向某某建筑工业学院电信学院全体教师再次表示衷心感谢：谢谢你们，谢谢你们四年的辛勤栽培！参考文献1 David M. Pozar.微波工程第三版M. X肇仪 译.:电子工业,2006.3 2 清华大学.微带电路M.:人民邮电，1975 4 顾继慧.微波技术M.:科学,20046 清华大学.微带电路编写组.微带电路M.:人民邮电,19767 X学观.微波技术根底与天线M.某某：某某电子科技大学，2001 8 廖承恩.微波技术根底M.：国防工业，1984 9 程敏锋，X学观.微带型Wilkinson功分器设计与实现A.现代电子技术，2006，20 10 韩淑萍，李铭祥.高隔离度一分三功分器的设计A.某某大学学报， 2004.12，10611程海荣，X洪新.一种微带混合型功率分配器的设计A12 黄志洵，王晓金.微波传输线理论与实用技术. 科学，199613黄玉兰.ADS射频电路设计根底与典型应用.人民邮电，200914 Gandhi Om P.Microwave Engineering and Applicati