实验三 射频微波功率分配器合成器设计

• 执行菜单命令【Tools】-【LineCalc】-【Sta百度文库t LineCalc】
• 修改参数，然后单击
按钮就可以算出微带线的线宽1.52 mm
• Z0 项填入70.7 Ohm，在E_Eff中输入90deg（对应四分之一波长），然后单 击 按钮就可算出微带线的线宽0.7889 mm，线长为42.8971mm。
实验三 射频功率分配/合成器设计、仿真与测试
一、实验目的
1. 了解功率分配器的原理及基本设计方法 2. 掌握威尔金森功分器的结构、工作原理及S参量 3. 了解利用ADS进行电路优化仿真的基本步骤及方法
4. 掌握利用ADS微带线计算工具LinCalc计算、设计微带线
5. 了解利用ADS在电路板级进行电路仿真的方法与步骤。
第一次优化仿真结果
• 更改图中的微带弯头
第二次优化仿真结果
• 在工具栏单击“Deactive or Active”控件 ，然后单击Optim控件、4个Goal 控件、 3个“地”、三个“Term”，“SP”控件，使它们失效。失效后在原理图 生成时，它们就不会出现在所生成的版图中。
• 执行菜单命令【Layout】【Generate/Update Layout】，弹出一个设置对 话框，这里应用其默认设置，直接单击OK。 圆弯头
Cs
(a )
(b )
Z0 Ls 20 1 Cp 0 Z 0
Lp
0
Z0
2 Cs 0 Z 0
0 2f 0
0 2f 0
用ADS仿真：中心频率为2.4GHz的集总参数L-C式低通型功 率分配器，传输线特征阻抗为50欧姆。
Z0 50 9 Ls 2 . 3446 10 2.3446nH 9 20 2 2 2.4 10 1 Cp 1.3263 10 12 1.3263 pF 0 Z 0
2 P2 Lp 3 P3
Cs
(a )
(b )
1 P1
功分器
2 P2 3 P3
技术指标：
• • • • 频率范围：分配器的工作频率 承受功率：分配器/合成器所能承受的最大功率 功率分配比：主路到支路的功率分配比 插入损耗：输入输出间由于传输线（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 • 驻波比：每个端口的电压驻波比 • 隔离度：支路端口间的隔离程度
20
版图仿真结果
最优弯头版图仿真结果
作业：
设计一微带结构的威尔金森功分器，指标要求： 中心频率：2.45GHz 带宽：60MHz 输出端口功率比：2：1 频带内输入端口的回波损耗：S11<-20dB，S22<-20dB ，S22<-20dB 隔离度：S32<-25dB 板材参数： H:基板厚度(1.5 mm)， Er:基板相对介电常数(2.65) 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(0.035 mm) TanD:损耗角正切(1e-4)， Roungh:表面粗糙度(0 mm) 报告要求： （1）叙述威尔金森功分器原理； （2）给出功分器的原理图和版图； （3）给出原理图和版图仿真结果，并对其结果进行分析。
dB(S(1,3)) dB(S(1,2))
-6 -7 -8 -9 -10 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 freq, GHz
优点：频宽大, 布线面积小, 设计简单 缺点：功率衰减较大
2. 集总L-C式低通型和高通型功率分配器
1 P1 Cp Ls Z0 Ls 2 P2 Cp 3 P3 Z0 1 P1 Lp Cs 2 P2 Lp 3 P3
N型阴开路器 N型阴短路器 50ΩN型阴负载
传输
直通
按图连接，进行直通校准
完成传输测试
完成全双端口
双阴连接器
③ 进行测量
测量
格式
S11 驻波 对数幅度
S21 对数幅度 相位
光标 用调节旋钮分别记录驻波和回损（输入端）；插损和 相移（支路1、支路2）和隔离度（支路1与支路2 ，应 该如何连接？），记录（15组），并照相记录波形。
l≈g / 4
l≈g / 4
Z ＝R0 P
0 1 s 2 1 2
1 2 0 0
1 2 0 0
威尔金森功分器的设计与仿真
设计指标：
频率范围：0.9-1.1GHz 频带内输入端口的回波损耗：S11<-20dB 频带内插入损耗：S21>-3.1dB, S31>-3.1dB 隔离度：S32<-25dB
50ΩN型阳负载 50ΩN型阳负载
功分器
功分器
50ΩN型阳负载
四、思考题
1. 给出四种用ADS微带线计算工具LinCalc可计算、设计的微 带线 2. 微带圆弯头与最优弯头有什么区别？ 3. 威尔金森功分器中的电阻R理论取值是多大？起什么作用？ 4. 比较电阻功分器与威尔金森功分器的特点。 5. 实验体会和建议。
• 在版图窗口执行菜单命令【Insert】【Port】，弹出port对话框。在功 分器版图中插入三个端口，分别于端口1、端口2、端口3相连。
• 在版图窗口执行菜单命令【Momentum】【Simulation】【SParameters】，打开仿真控制对话框。设置起止频率与原理图相同，参数设置 完成后，单击“Update”按钮。然后单击“Simulate”按钮，开始仿真。
三、功分器的测量
测功分器在800MHz-2200MHz的回损、插损和隔离度 ① 设置激励参数
起始 800MHz
终止 2.2GHz
触发 连续扫描
线性频率
扫描设置 扫描点 141
←I
扫描类型
② 进行测量校准
校准
机械校准
全双端口(SOLT) 反射 按图连接
分别进行前向和反向开路、短路、匹配负载校准
完成反射测试
功分器参数测量记录表
频 率 (GHz) 回 损 (dBm)
驻波
支路1 插 损 (dBm) 支路1 相移
支路2 插 损 (dBm ） 支路2 相移
隔 离 度 (dBm)
实验报告要绘制曲线
微带板材参数
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)
Ctrl+R 旋转 F5 移动文字
• 同样方法设置L变量（12—24）、 r变量(30—120)
• 选择元件库“Optim/Stat/Yield/DOE”，将优化设置控件“Optim” 目标控件“Goal” （共需四个）插入原理图中。
和优化
• 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。
二、基本理论
将一路微波功率按一定比例分成n路输出的功率元件称为功率 分配器。按输出功率比例不同, 可分为等功率分配器和不等功率分 配器。
④ ① Z0 Z03 Z02 ② Z04 Rj ③ Z05 Z0 ⑤
1 P1 Lp 3 P3 Z0 Cs
Z0
g / 4
1 P1 Cp Ls Z0 Ls 2 P2 Cp
用ADS仿真：L-C式低通型功率分配器
2.2 威尔金森功分器
④ ① Z0 Z03 Z02 ② Z04 Rj ③ Z05 Z0 ⑤ Z0
g / 4
2 P2
2Z0
P 2
薄膜隔离电阻 2R0 Z ＝R0 Z ＝R0 Z0＝ 2 R 0
P 2
1 P1
2Z0
2 Z0
Z0＝ 2 R 0
g / 4
P3 3
最优弯头
• 在版图窗口执行菜单命令【Momentum】【Substrate】【Update From Schematic】，将原理图的基板和微带参数更新到版图中。
• 在版图窗口执行菜单命令【Momentum】【Substrate】【Creat/Modify】， 可以查看和修改基板和微带的基本参数。
2.1 集总参数功率分配器
1. 电阻式（等功率）
2 P2 2 P2
Z0 1 P1 Z0
Z 0 /3 1 P1 Z 0 /3 Z 0 /3
Z0
3 P3
3 P3
(a )
(b )
△形和Y形电阻式功率分配器
用ADS仿真：△形电阻式功率分配器
Reverse Transmission, dB -3 -4 -5
• 为便于参数优化的需要，在原理图中插入“VAR”控件
；
• 双击“VAR”控件，设置w1、w2、r，L 四个变量(此处不设单位)
w1=1.52
r=100
w2=0.79 L=16
• 设置微带线宽度W和长度L，具体变量设置如图所示（加SP、端）
频率带宽较差、中心频率有偏移，还需要进一步优化
• 双击 控件，弹出参数设置窗口；选择w2，单击“Tune/Opt/Start/DOE Setup”按钮；选择“Optimization”标签，如下设置：