3dB单节功率分配器的仿真设计

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一、课题名称

3dB单节功率分配器的仿真设计

二、课题任务

运用功分器设计原理,利用HFSS软件设计一个Wilkinson功分器,中心工作频率3.0GHz。

⏹基本要求

实现一个单阶Wilkinson等功分设计,带内匹配≤-10dB,输出端口隔离≤-10dB,任选一种微波传输线结构实现。

⏹进阶要求

多阶(N≥2),匹配良好(S11≤-15dB),不等分,带阻抗变换器(输出端口阻抗

不为50Ω),多种传输线实现。

三、实现方式

自选一种或者多种传输线实现,如微带线,同轴线,带状线等,要求输入输出端口阻抗为50Ω,要求有隔离电阻(通过添加额外的端口实现)

四、具体过程

1.计算基本参数

通过ADS Tool中的Linecalc这个软件来进行初步的计算。

在HFSS中选定版型为Rogers RT/duroid 5880 (tm),如具体参数下图

➢50Ω微带线计算

得到选取微带线宽度约为0.67mm。

➢70.7Ω微带线计算

得到选取微带线宽度约为0.34mm,由于微带线电长度与其宽度没有必然联系,所以两个分支微带线的长度根据具体情况进行更改。

2.绘制仿真模型

➢微带单阶功分器

参数解释:

◆空气腔参数:a:宽度;b,b1,b2:各部分长度。

◆微带参数:w50:阻抗为50Ω的微带线宽度;w2:两分支线宽度;

l1,l2,l3,l4:各部分微带线长度;

rad1,rad2:各部分分支线长度(即半环半径)

◆在本例中,需要调整的调整关键参数为w2,rad1,空气腔参数随关键参数相应调

整即可。

◆根据计算,此处的吸收电阻值应该为100Ω,但是在实际情况中,选取97Ω。➢微带多阶功分器

参数解释:

◆空气腔参数:a:宽度;b,b1,b2:各部分长度。

◆微带参数:w50:阻抗为50Ω的微带线宽度;w2:两分支线宽度;

l1,l2,l3,l4:各部分微带线长度;

rad1,rad2:各部分分支线长度(即半环半径)

◆在本例中,需要调整的调整关键参数为w2,rad1,微调参数为w50,rad2,空气

腔参数随关键参数相应调整即可。

◆根据计算,第一个吸收电阻选为100Ω,第二个选为:210Ω。

3.仿真获取数据

◆对各个部分的微带线设置边界条件:微带主体:Pefect E;吸收电阻:Lumped RLC。

◆设置激励源:分别选择微带线各个端口,设置为Wave Port。

◆分别对单阶以及多阶Wilkinson功分器进行离散方式扫频,频率范围取

0.001-6GHz,等间隔获取40-60个点的数据进行逐一扫频,连接各独立点绘制曲

线。

➢微带单阶功分器

➢微带多阶功分器

1.微带单阶功分器

微带单阶功分器2.5-3.5GHz S11参数曲线

微带单阶功分器2.5-3.5GHz S21、S31参数曲线

微带单阶功分器2.5-3.5GHz S23参数曲线

微带单阶功分器2.5-3.5GHz S参数曲线

数据分析:如上图所示,通过HFSS 设计仿真的微带单阶功分器中心频点处在3.0Ghz,S11参数衰减高达近-13dB,S21,S31衰减接近于-3 dB,匹配良好,S23达到接近-11.5dB,隔离度较好,所有指标均达到。

⏹参数检验

➢微带分支线长度对频率的影响

将微带分支线长度度缩小1mm,观察S参数曲线

更改分支线长度后的功分器模型

更改分支线长度后的功分器S参数曲线

由上图可得,当微带分支线的长度变化时,其中心频点也会随之变化。经过理论以及实验验证,微带功分器分支线越长,中心频点越低;反之,微带功分器分支线越短,中心频点越高。

➢微带分之前宽度对频率的影响

将微带分支线宽度缩小0.1mm,观察S参数曲线

更改分支线长度后的功分器S参数

由上图可得,当微带分支线的宽度变化时,其中心频点也会随之微小变化。但是经过理论以及实验验证,微带功分器分支宽度与中心频点没有直接关系,其宽度的改变只是改变微带线的特征阻抗,进而间接地影响中心频点以及各S参量的变化。

➢隔离电阻对微带的影响

去除微带分支线隔离电阻,观察S参数的变化

去掉分支线隔离电阻后的功分器模型

去掉分支线隔离电阻后的功分器S参数

由上图可得,当微带分支线的隔离电阻去除时,各项参数中S23参数变化显著,这说明隔离电阻对整个功分器两输出端口的隔离度具有一定的作用。

2.微带多阶功分器

➢宽频域范围0-6GHz

0-6Ghz S11参数扫频曲线

0-6Ghz S21 S31参数扫频曲线

0-6Ghz S23参数扫频曲线

0-6Ghz S11 S21 S23 S31参数扫频曲线

➢窄频域范围测试2.5-3.5GHz

2.5-

3.5Ghz S11参数扫频曲线

2.5-

3.5Ghz S21 S31参数扫频曲线

2.5-

3.5Ghz S23参数扫频曲线

2.5-

3.5Ghz S参数扫频曲线

数据分析:如上图所示,通过HFSS 设计仿真的微带单阶功分器中心频点处在3.0Ghz,S11参数衰减高达近-30dB,S21,S31衰减接近于-3.04dB,匹配良好,S23高达-18.5dB,隔离度良好,所有指标均达到。

六、学习体会

1.模仿阶段

在最初的模仿阶段,通过对参考资料上面的示例进行模仿从而获取对Wilkinson 功分器感性的认识。通过按部就班完成示例,我们慢慢学会逐步使用HFSS仿真软件,虽然参考资料之中的参数设计有所谬误,但是通过不断地尝试与修正,最终完成实现了Wilkinson功分器的初步设计。

2.修正阶段

通过前期的设计,我们认识到通过修正微带线的长度可以实现选择频率的特性,通过修正微带线的宽度则可以改变其端口的阻抗。为了将原来的示例设计中的

12.5GHz的中心频点修改至3GHz,我们一方面修改为微带的宽度,以适应新的频率

点,另一方面最重要的是加长两条分支微带的长度,从而降低频点。

在这一阶段中我们的尝试是最多的,不仅尝试修改微带的长、宽,更是试图通过修改底板的厚度、格力电阻的阻值来影响参数。但是理论与实践均证明:还是通过修改微带的长、宽这两个参数来实现微调是最好的。

3.自行设计

最后的这个自行设计阶段则完全是通过总结之前的模仿、修正两个阶段的经验来进行的。虽然威尔金森功分器只是非常基本的一种微波器件,但是当需要自行设计的时候还是在借鉴前人的基础之上完成的。通过此次的课程设计,我感受到了理论与实际之间的差距。虽然只是在仿真阶段,但是在此就充分显示出自身的设计经验不足等缺点。相信通过不断的自身的学习与改进,最终能够将本次的课题做到尽善尽美。

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