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微带wilkinson功分器的仿真设计实验报告 学 院 电子科学与工程学院 姓 名 学 号 指导教师 2016年10月21日一、实验目的l 了解功率分配器电路的原理及设计方法。l 学习使用ADS软件进行微波电路的设计，优化，仿真。l 掌握功率分配器的制作及调试方法。二、设计要求指标l 通带范围0.9 1.1GHz。l 双端输出，功分比为1:1。l 通带内个端口反射系数小于-20dB。l 两个输出端口的隔离度小于-20dB。l 传输损耗小于3.1dB。三、设计思路 图一：设计思路示意图四、理论分析设计1. 基本工作原理分析功率分配器是三端口电路结构，其信号输入端的输入功率为P1，而其它两个输出端的输出功率分别为P2和P3。理论上，由能量守恒定律可知：P1=P2+P3。端口特性为：(1) 端口1无反射(2) 端口2和端口3输出电压相等且相同(3) 端口2、端口3输出功率比值为任意指定值1/k2 由这些条件可以确定Zo2、Zo3以及R2、R3的值。2.功分器技术指标计算 (1) 输入端口回波损耗 输入端口1的回波损耗根据输入端口1的反射功率和输入功率之比来计算s11=-10Log(PrPi) (2) 插入损耗 输入端口1的回波损耗根据输出端口的输出功率和输入端口1的输入功率之比来计算S21=-10Log(P2P1) S31=-10Log(P2P1)(3) 输出端口间的隔离度 输出端口2和输出端口3间的隔离度可以根据输出端口2和输出端口3的输出功率比来计算S23=-10Log(P2P3)(4) 功分比 当其它端口没有反射时，功分比根据输出端口3和输出端口4的输出功率比来计算K2=P2P3(5) 相位平滑度 在做功率分配器时，输出端口的平滑度直接影响功率合成效率。五、尺寸计算使用ADS软件自带的计算工具计算出微带线的尺寸。图5.1 50的微带线宽度计算图5.2 75的微带线宽度计算输入Z0=50Ohm,可以算出微带线的宽度为1.52mm。填入ZO=70.7Ohm和E_Eff=90deg，可以算出微带线的线宽为0.79mm和长度42.9mm。完成理论值计算。六、ADS仿真步骤(一) 创建项目n 点击File-New Project设置工程文件名称为Wilkinson divider，点击Length Unit设置长度单位为mm。 n 点击New Project对话中的OK键，并保存文件。 （二）创建原理图n 将MUSB插入原理图，参数设置：H：基板厚度(0.8 mm)；er：基板相对介电常数(4.3)；Mur：磁导率(1)；Cond：金属电导率(5.88E+7)；Hu：封装高度(1.0e+33 mm)；T：金属层厚度(0.03 mm)；TanD：损耗角正切(1e-4)；Roungh：表面粗糙度(0 mm)。如下图所示： 图6.1：MSub控件参数n 在菜单中选择变量VAR空间，插入到原理图,设置w1范围为0.7-0.9，l1范围为5-20。设置后如下图所示：图6.2：Var控件参数n 同样方法完成原理图绘制图6.3：完整原理图（三）原理图S参数仿真 图6.4：原理图S参数仿真结果（四）指标优化n 在原理图设计窗口中选择优化工具栏n 选择优化设置控件Optim放置在原理图中，双击该 控件设置优化方法及优化次数。n 常用的优化方法有Random(随机)、Gradient(梯度)等。随机法通常用于大范围搜索，梯度法则用于局部收敛n 因为具有四个优化目标，所以在插入Optim后需插入4个Goal控件设置，并进行参数设置，例如：n 在Expr中设置表达式dB(S(1,1)，表示优化的目标是端口1反射系数的dB值。n 在SimInstanceName中，输入SP1，表示是针对S参数仿真SP1进行的优化。n Max=-20,表示优化的目标不超过-20dBn Min值不添，这是由于S(1,1)的值越小越好n Weight值不添，这是由于优化的几个参数没有主次之分。n RangeVar1=freq，表示优化是在一定频率范围内进行的。n RangeMin1=0.9GHz，表示频率变化范围的最小值为0.9GHz。n RangeMax1=1.1GHz，表示频率变化范围的最大值为1.1GHz。图6.5：设置优化指标后的原理图（五）优化后的S参数仿真图6.6：优化后的S参数结果（六）生产版图图6.7：版图（七）版图仿真n 版图生成后先要设置微带电路的基本参数(即原理图中MSUB里的参数)，方法是点击版图窗口菜单中的Momentum - Substrate - Update From Schematic从原理图中获得这些参数，点击Momentum - Substrate - Create/Modify可以修改这些参数。n 为了进行S参数仿真还要在功分器两侧添加两个端口，做法是点击工具栏上的Port按钮，弹出port设置窗口，点击OK关闭该窗口，在电路两边要加端口的地方分别点击加上两个port。n 电阻要替换成薄膜电阻，否则无法用矩量法进行仿真，注意薄膜电阻的宽度要和连接的微带线一致，不要忘记在substrate中的metallization layers中加入薄膜电阻所在的层。n 点击EM - Simulation Setup - frequence plan弹出仿真设置窗口，该窗口右侧的Sweep Type选择Adaptive，起止频率设为与原理图中相同，采样点数限制取10 (因为仿真很慢，所以点数不要取得太多)。然后点击保存按钮，将设置填入左侧列表中，点击Simulate按钮开始进行仿真。仿真过程中会出现一个状态窗口显示仿真进程。n 在option中调整网格大小，如图所示：图6.8 网格大小的调整（八）版图仿真S参数结果图6.9 版图S参数仿真结果版图仿真结果看出通带内个端口反射系数小于-20dB，两个输出端口的隔离度小于-20dB,传输损耗小于3.1dB。符合设计要求9
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