3dB单节功率分配器的仿真设计
- 1、下载文档前请自行甄别文档内容的完整性,平台不提供额外的编辑、内容补充、找答案等附加服务。
- 2、"仅部分预览"的文档,不可在线预览部分如存在完整性等问题,可反馈申请退款(可完整预览的文档不适用该条件!)。
- 3、如文档侵犯您的权益,请联系客服反馈,我们会尽快为您处理(人工客服工作时间:9:00-18:30)。
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。