等分威尔金森功分器的设计

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1、摘 要摘 要本文对一个等分威尔金森功分器进行了仿真，分析了功分器的基本原理，介绍了ADS软件基本使用方法，并选择了频率范围：0.91.1GHz，频带内输入端口的回波损耗：C1120dB，频带内的插入损耗：C213.1dB,C3125dB为设计指标的等分威尔金森功分器。先进行威尔金森功分器原理图的设计，再用ADS软件进行原理图仿真，得出的结论采用理论计算的结果作为功分器参数时，功分器并没有达到所需设计的指标，所以要对功分器的各个参数进行优化。优化后所得到的最佳数据保存以后再进行功分器版图的仿真，各项指标基本达到设计所需的要求。关键词：仿真，威尔金森功分器，ADS，优化 ABSTRACTIn th

2、is paper a power dividers quintiles Wilkinson is simulated, and analyzes the basic principle of power dividers, introduces the basic use ADS software method, and choose the frequency range: 0.9GHz, frequency band 1.1 input ports C11 20dB return loss:, frequency band insertion loss: C21 3.1 dB, C31 2

3、5dB isolation ratio: for the design index equal power dividers Wilkinson. First conducts the power dividers Wilkinson schematic design, reoccupy ADS software simulation principle diagram, the conclusion of the theoretical calculation result as parameters when power dividers power dividers did not re

4、ach the required design to index, so the power dividers various parameters were optimized. After optimization of the best data preserves received after power dividers again, and all the indexes of simulation territory to meet the design requirements of basic required.Key words：Simulation Wilkinson P

5、ower dividers ADS optimization目 录目 录第1章 引言11.1 功分器的发展概述11.2本次设计的主要工作3第2章 功分器的技术基础42.1基本工作原理42.2 功分器的技术指标6第3章 ADS介绍83.1 ADS发展概述83.2 ADS 的仿真设计方法93.3 ADS的辅助设计功能103.4 ADS与其他EDA软件和测试设备间的连接113.5 ADS应用结论11第4章 功分器的原理图设计、仿真与优化124.1等分威尔金森功分器的设计指标124.2建立工程与设计原理图124.3基本参数设置164.4功分器原理图仿真194.5功分器的电路参数的优化22第5章 功分器

6、版图的生成与仿真285.1功分器版图的生成285.2功分器版图的仿真30第6章 结论33参考文献34致谢35外文资料原文36译文44主要符号表.1端口的输入功率.2端口的输出功率.3端口的输出功率.输入端口特性阻抗.分支微带线的特性阻抗.分支微带线的特性阻抗.2端口接的负载电阻.3端口接的负载电阻.2端口输入电压.3端口输入电压.2端口输入阻抗.3端口输入阻抗.反射功率.入射功率.端口2匹配时，端口1的反射系数.端口2匹配时，端口1到端口2的正向传输系数.端口3匹配时，端口1到端口3的正向传输系数.回波损耗.插入损耗.插入损耗.隔离度第1章 引言第1章 引言1.1 功分器的发展概述功率分配器是

7、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的微波网络，广泛应用于雷达、多路中继通信机等大功率器件等微波射频电路中。功率分配器又可以逆向使用作为功率合成器，因此有时又称为功率分配/合成器。对于高效率应用场合，对功率分配器的主要要求是：插损较小，各路幅度和相位一致性要好，以保证较高的分配与合成效率；两支路之间的隔离度要好，平滑度高，当其中的一路出现故障时不至于影响另一路的正常工作或影响很小，以提高设备的安全系数和可靠性；宽频带，即在超宽的频带内达到所要求的性能；电路形式简单，容易调整，且体积小，以便于设备的小型化和实现批量生产；有足够的功率容量，以满足大功率分配合成的需要。当功率分配/合

8、成器的工作频率较低时，其理论分析与实际研制都能达到较高的效果，但随着频率升高，特别是在10GHz以上，则会带来许多的问题：要求加工精度更高，微带线的损耗增加，微带不连续模型不够精确，隔离电阻尺寸可以与波长相比拟，不再是一个纯电阻，且波长变短使分配/合成器的体积减小带来微带间的耦合等等。随着我国军事装备发展的突飞猛进，对频率高端，尤其是2GHz10GHz宽频带内高可靠微波功分器的应用也越来越广，需求量迅猛增加。特别是在微波测量和电子对抗系统中，为提高装备的实用性和多信号捕捉能力，往往选用宽带体制来作为系统方案，此时对功分器提出了全频带带宽覆盖的要求。功分器是微波接收、发射及频率合成系统中不可缺少

9、的部件，无论是微波通信、雷达、遥控遥感、电子侦测、电子对抗还是微波测量系统中，都有将信号等功率分配的要求，讲信号等功率分配为多路，再分别进行处理，是非常普遍的应用。在发射系统中，将功分器反转使用，就是功率合成器，在中、大功率发射源中，对整个系统性能有着重要的影响。尤其是在多通道侧向系统中，更是决定着系统性能的关键部件，对幅度的一致性、相位的一致性指标有着严格的要求，这样才能保证系统的测量精度。微波功分器除了幅度、相位一致性要求外，对功分器的插入损耗还有着较高的要求，以避免过大的损耗降低信号强度。同时，为保证各路之间的不受串扰的影响，隔离度指标也相当的重要，在微波测量系统中尤其如此。此外，在微波

10、发射源中作为微波功率合成器使用时，对微波功分器的承受功率还有更高的要求。近年来随着我国国民经济和科学技术的发展，电子信息尤其是无线通信日新月异，3G还没普及，4G已经崭露头角，功率分配器不仅应用在射频功率的分配和合成，在超宽带短脉冲电磁场应用中，采用阵列天线的技术是提高探测距离是较为理想的选择，阵列天线的关键技术功分器的研制就相当重要。无线电发射设备中，为了保证足够远的传输距离，待传输信号须经过一系列的功率放大直至获得足够大的功率再送至发射天线。采用功率合成技术将多路固态器件输出功率进行同向叠加，是获得更高输出功率的有效途径之一。随着无线通信技术的快速发展，各种通讯系统的载波频率不断提高，小型

11、化低功耗的高频电子器件及电路设计使微带技术发挥了优势。单波传输使得系统的增益达不到实际的要求，从而必须实现多波传输，也就是将功率进行分配，即产生了功率分配器，简单功分器。本文设计仿真的是最简单最经典的威尔金森功分器，在射频电路和测量系统中，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信质量，而微带功分器在实践应用中显得更为突出。随着我国军事装备的迅猛发展，对功分器的带宽覆盖提出了更高的要求。在全频带范围内，要满足功分器的各项性能指标，具有相当大的难度。目前，国内能够生产此类宽带微波功分器的单位不多，一般均为研制配套件或根据用户定制少量生产，未构成产品系列，其结果是研制

12、周期长、成本高、实用性不强。微波功分器的产品从上世纪70年代国外就早已有之，早期产品多用于微带线威尔金森结构，基本属于窄带应用，经过四十多年的发展，随着工艺水平的提高和传输线理论的进一步完善，在该领域已经有了很大的突破。目前，国外的产品以PULSAR、NADAR、Merrimac、TMI、M/ACOM、MCS等公司为代表，已经形成了从窄带到快带，从双路到多路的完整的产品线，其中以PULSAR的公司的产品以产品齐全，质优面广著称。PULSAR的快带微波功分器产品主要以带状线工艺为主，可以提供较高的性能指标。国内生产微波功分器的厂家主要有亚光厂和泰格微电子研究所，尤其是亚光厂在该领域已经有较为齐全

13、的产品系列，占据了国内很大一部分军品市场。已经研制出了YGG系列产品采用SMA阴头结构，是国外产品的主流封装形式，采用了单节或多节微带线Wilkinson结构，基本上为窄带和倍频程产品，已大批供应市场。但目前的产品主要根据用户要求定制，系统化、标准化程度还不够高，可靠性也还需加强，电性能指标也还有继续提高的余地，同时在产品上还应向宽频带1第1章 引言高隔离、低损耗的方向发展，并解决由此产生的各种工艺问题。1.2本次设计的主要工作本文主要讨论关于等分威尔金森功分器的设计仿真过程，具体工作包括以下几部分：（1）查阅书籍，了解功分器的基本原理；（2）根据功分器的设计指标，利用ADS进行功分器原理图的

14、设计、仿真与优化；（3） 由于原理图仿真和实际误差较大，需要进一步采用矩量法进行功分器版图的仿真；3第2章 功分器的技术基础第2章 功分器的技术基础2.1基本工作原理功率分配器可以等效为将输入功率分成相等或不相等的几路输出功率的一种多端口微波网络。在理想情况下，功率分配器各输出端口的输出功率之和等于输入端口功率。但实际上，由于功率分配器的存在损耗，各个输出端口输出信号的幅度和相位不可能完全一致，这就会造成输出各路功率比理想情况要小，也就是说输出端口的输出功率之和小于输入端口的输入功率。因此，在设计功率分配器时一定要做到个输出端口输出信号幅度和相位一致性高，损耗小；并且各端口间应当具有足够的隔离

15、作用，使得各路互不影响。功率分配器是三端口电路结构，其信号输入端的输入频率为，而其它两个输出端的输出功率分别为及。理论上，由能量守恒定律可知。若并以毫瓦分贝来表示三端口之间的关系，则可以写成：当然,只是相等的情况下最常使用在电路中。因此，功率分配器大致上可分为等分型及比例型两种类型。威尔金森功分器的功能就是将输入信号等分或不等分地分配到各个输出端口，并保持相同的输出相位。环形器虽然有相似功能，但威尔金森功率分配器在应用上具有更宽的带宽。微带型威尔金森功分器的电路图结构如图2-1所示。其中，输入端口特性阻抗为；两段分支微带线电长度为，特性阻抗分别为和,终端分别接负载和。 图2-1 功分器的电路结

16、构5功分器各个端口特性如下:端口1无反射端口2和端口3输出电压相等且同相端口2、端口3输出功率比值为任意指定值由这些条件可以确定,及,的值。由于端口“2”，“3”的输出功率和输入电压的关系为 （2-1）因为 , （2-2）则 （2-3）又因为 （2-4）可得 （2-5）若取 （2-6）则 （2-7）由条件端口1无反射，即要求由与并联而成的总输入阻抗等于。由于在中心频率处，则,均为纯电阻，所以 （2-8）如以输入电阻表示功率比，则 （2-9） 联立（2-8）、（2-9）可解得： （2-10）由于 和等幅、同相，故在端口“2”，“3”间跨接一电阻并不影响功分器的性能。但当“2”，“3”两端口外接负

17、载不等于,时，来自负载的反射功率便分别由“2”，“3”两端口输入，此时该三端口网络变为功率合成器。为使“2”，“3”端口彼此隔离，须在期间加一吸收电阻起隔离作用。隔离电阻的值为 （2-11）隔离电阻通常用镍镉合金或电阻粉等材料制成的薄膜电阻。当时，上面的结果化为功率等分情况。还可以看出，输出线是阻抗和匹配的，而不与阻抗匹配。2.2 功分器的技术指标1.输入端口的回波损耗输入端口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：2.插入损耗输入端口的出入损耗根据输出端口的输出功率与输入端口1的输入功率之比来计算：3.输出端口间的隔离度输出端口2和输出端口3间的隔离度根据输出端口2的输出功

18、率和输出端口3的输出功率之比来计算：4.功分比当其他端口无反射时，功分比根据输出端口3的输出功率与输出端口2的输出功率之比来计算： 5.相位平滑度在做功率合成应用时，功分器输出端口的相位平滑度直接影响功率合成的效率。7第3章 ADS介绍3.1 ADS发展概述现在射频和微波系统的设计越来越复杂，对电路的指标要求越来越高，电路的功能越来越多，电路的尺寸越来越小，而设计周期却越来越短，传统的设计方法已经不能满足微波电路设计的需要，使用微波EDA(Electronic Design Automation，电子设计自动化)软件工具进行微波系统的设计已经成为微波电路设计的必然趋势。目前主流的电磁仿真软件主

19、要基于以下三种方法：距量法:、 有限元法: 、 时域有限差分法:目前，国外各种商业化的射频和微波EDA软件工具不断涌现，首推的是Agilent公司的ADS软件和Ansoft公司的HFSS Designer软件。ADS(Advanced Design System),是美国安捷伦（Agilent）公司所开发的电子设计自动化软件，功能强大，仿真手段丰富多样，包含时域电路仿真（SPICE-Like simulation）、频域电路仿真（Harmonic Balance、Linear Analysis）、三维电磁仿真（EM Simulation）、通信系统仿真（Communication System

20、 Simulation）和数字信号处理仿真设计（DSP）等，并可对设计结果进行成品率分析与优化，大大提高了复杂电路的设计效率，是非常优秀的微波电路、系统信号链路的设计工具。ADS软件支持射频和为微波色设计工程师开发所有类型的RF设计，从简单到复杂，从离散的射频/微波模块到用于通信和航天/国防的集成MMIC,是当今国内各大学和研究所使用最多的微波/射频电路和通信系统仿真软件。ADS软件版本有ADS2009、ADS2008、ADS2005A、ADS2004A等。此外，Agilent公司还和多家半导体厂商合作建立了ADS Design Kit及Model File,以供设计人员使用。使用者可以利用D

21、esign Kit及软件仿真功能进行通信系统的设计、规划与评估及MMIC/RFIC、模拟与数字电路设计。除了上述仿真设计外，ADS软件也提供了辅助设计功能，如Design Guide以范例及指令方式示范电路活系统的设计流程，而Simulation Wizard 以步骤式界面进行电路设计与分析。ADS还能与其他EDA软件，如SPICE Mentor Graphics的Modelsim Cadence的NC-Verilog、Mathwokes的Matlab等进行协同仿真（Co-Simulation）第3章 ADS介绍再加上丰富的元件应用模型库及测量/验证仪器间的连接功能，大大增加了电路与系统设计的

22、方便性，快速性与精确性。3.2 ADS 的仿真设计方法ADS软件可以帮助电路设计者进行模拟、射频与微波等电路和通信系统设计，其提供仿真分析方法大致可以分为：时域仿真、频域仿真、系统仿真和电磁仿真。3.2.1.高频SPICE分析和卷积分析 高频SPICE分析方法提供如SPICE仿真器相同的瞬态分析，用它可分析线性和非线性电路的瞬态效应。但是与SPICE仿真相比，它又有很多优点，例如，在SPICE仿真器中无法直接使用的频域分析模型，如微带线、带状线，可以在ADS的SPICE高频仿真器中直接使用。这是因为ADS在仿真时可以将频域分析模型进行拉氏变化后再进行瞬态分析，而不需要使用者将该模型转化为等效的

23、RLC电路。因此SPICE高频仿真器除了可以做低频电路的瞬态分析，也可以分析高频电路的瞬态分析，此外SPICE高频仿真器还可以提供瞬态噪声分析的功能，可以在用来仿真电路的瞬态噪声，如振荡器或锁相环的jitter。卷积分析方法是架构在SPICE高频仿真器上的高级时域分析方法，由卷积分析可以更加准确地用时域的方法分析与频率相关的软件。例如，以S参数定义的元件、传输线和微带线等。32.2.线性分析线性分析为频域的电路仿真方法，可以对线性或非线性的射频与微波电路进行线性分析。当进行线性分析时，软件首先会先针对电路中的每个元件计算所需的线性参数，如S、Z、Y和H参数，电路阻抗、噪声、反射系数、稳定系数、

24、增益或损耗等，然后再进行整个电路的分析和仿真。32.3.射频电路分析射频系统分析方法可以让使用者模拟评估系统特性，其中系统的电路模型可以使用行为级模型外，也可以使用元件电路模型进行响应验证。射频系统仿真分析包含了上面介绍的线性分析，谐波平衡分析和电路网络分析等各种分析手段，它们分别来验证射频系统的无源元件和线性化系统模型特性、非线性系统模型和具有数字调频信号的系统特性。3.2.4.电磁仿真分析（Momentum）ADS软件提供了一个平面电磁仿真分析功能Momentun，它可以用来仿真微带线、带状线和共面波导的电磁特性，天线的辐射特性，以及电路板上的寄生、耦合效应。所分析的S参数结果可直接用于谐

25、波平衡和电路包络等电路分析中，进行电路设计和验证。3.3 ADS的辅助设计功能ADS软件除了上述的仿真分析功能外，还包含其他辅助设计功能以增加使用者使用的方便性，同时提高电路设计效率。3.3.1.设计指南(Design Guide)设计指南以范例与指令的说明示范电路设计的设计流程，使用者可以利用这些范例与指令，学习如何利用ADS软件高效地进行电路设计。目前ADS所提供的设计指南包括：WLAN设计指南、Bluetooth指南、CDMA2000设计指南、RF System 设计指南、Mixer设计指南、Oscillator设计指南、Passive Circuits设计指南、Phased Locke

26、d Loop设计指南、Amplifier设计指南和Filter设计指南。吃了使用ADS自带的设计指南外，使用者也可以通过软件中的Design Guide Developer Studio 建立自己的设计指南。3.3.2.仿真向导（Simulation Wizard）仿真向导提供step-by-step的设定界面工设计人员进行电路分析与设计，使用者可以利用图形化界面设定所需验证的电路响应模型。ADS提供的仿真向导包括：元件特性（Device Characterization）、放大器（Amplifier）、混频器（Mixer）和线性电路（Linear Circuit）。3.3.3.仿真结果显示模

27、板（Simulation & Data Display Template）为了增加仿真分析的方便性，ADS软件提供了仿真模板功能，它让使用者可以将经常重复使用的仿真设定（如仿真控制器、电压电流源、变量参数设定等）制定成一个模板直接使用，避免了重复设定所需的时间和步骤。结果显示模板也具有相同的功能，使用者可以将经常使用的绘图或列表格式制成模板以减少重复设定所需的时间。除了使用者自行建立的模板外，ADS软件也提供了标准的仿真与结果显示模板以供利用。9第4章 功分器的原理图设计、仿真与优化3.4 ADS与其他EDA软件和测试设备间的连接由于现今电路设计的复杂庞大，每个EDA软件在整个系统设计中均扮演

28、不同的角色，其主要功能和侧重点不同。因此，软件与软件之间、软件和硬件之间、软件和元件商之间的沟通与连接也成为设计中不可忽视的组成部分。ADS软件按提供了丰富的接口，它能方便地与其他设计验证软件和硬件进行连接。3.4.1.SPICE电路转换器（SPICE Netlist Translator）SPICE电路转换器可以将由Cadence、Specter、PSPICE、HSPICE及Berkeley SPICE 所产生的电路图转换成ADS格式的电路图进行仿真分析：另外也可以将由ADS产生的电路图转换成SPICE格式的电路图，做布局与电路结构检查(LVS,Layout Versus Schematic

29、 Checking)、布局寄生抽取(Layout Parasitic Extraction)等验证。3.4.2.电路与布局文件格式转换器(IFF Schematic and Layout Translator)电路与布局文件格式转换器是使用者与其他EDA软件连接沟通的桥梁，可以将不同的EDA软件所产生的文件转换成ADS可以使用的文件格式。3.5 ADS应用结论随着电路结构的日趋复杂和工作频率的提高，在电路与系统设计的流程中，EDA软件已经成为不可缺少的工具。ADS软件所提供的仿真分析方法的速度、准确与方便性显得十分重要，此外该软件与其他EDA软件以及测量仪器的连接，也是现在的庞大设计流程所必须

30、具备的功能之一。Agilent公司推出的ADS软件以其强大的功能成为现今国内各大学和研究所使用最多的软件之一。11第4章 功分器的原理图设计、仿真与优化本论文用ADS软件设计一个等分威尔金森功分器，并根据给定的指标对其性能参数进行优化仿真。4.1等分威尔金森功分器的设计指标等分威尔金森功分器的设计指标：频率范围：0.91.1GHz频带内输入端口的回波损耗：C1120dB频带内的插入损耗：C213.1dB,C3125dB4.2建立工程与设计原理图4.21.建立工程（1） 运行ADS2008，打开ADS2008主窗口。（2） 执行菜单命令【File】【New Project】,弹出“New Pro

31、ject”对话框，新建工程“equai_divider”,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 新工程窗口4.22.设计原理图（1）在原理图设计窗口元件面板下拉列表中选择“TLines-Microstrip”元件库，打开微带元件面板，如图4-2所示。 图4-2 “TLines-Microstrip”元件库（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，本设计用到的元件如下： ：MLIN，一般微带线 ：Mcurve，弧形微带线 ：M

32、TEE，微带T型结 ：MSUB，微带基片 ：TFR，薄膜电阻（3）设计输入端口电路，输入端口的电路连接如图4-3所示。 图4-3 输入端口连接图13（4）设计阻抗变换电路，四分之一波长阻抗变化线部分的连接如图4-4 所示。其中，薄膜电阻TFR为两路分支线之间的隔离电阻，用来增加两个输出端口之间的隔离度。 图4-4 阻抗变化部分连接图（5）设计输出端口电路，两输出端口的电路为对称的，如图4-5和4-6所示。 13 图4-5 功分器的上支线 图4-6 功分器的下支线15（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微带型威尔金森功分器，如图4-7所示。 图4-

33、7 微带型威尔金森功分器的电路原理图4.3基本参数设置（1）在微带面板中选择微带线参数设置控件MSUB（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4-8 所示。 H=0.8 mm，表示微带线介质基片厚度为0.8mm Er=4.3 mm，表示微带线介质基片的相对介电常数为4.3 Mur=1，表示微带线介质基片的相对磁导率为1 Cond=5.88E+7，表示微带线金属片得电导率5.88E+717 Hu=1.0e+033mm，表示微带电路的封装高度为1.0e+033mm T=0.03mm，表示微带线金属片得厚度为0.33mm TanD=1e-

34、4，表示微带线的损耗角正切为1e-4 Roungh=0mm，表示微带线的表面粗糙度为0mm 4-8 微带线参数设置控件对话框由功分器的理论分析可知，输入输出端口微带线的特性阻抗为50Ohm，则四分之一波长微带线的特性阻抗为70.7Ohm。（3）在原理图设计窗口中执行菜单命令【Tools】【LineCalc】【Start LineCale】，弹出如图4-9所示的“LineCalc” 窗口。在“Substrate Parameters”栏中输入如图4-8 所示的MSUB控件的基本参数。在“Componet Parameter”栏的“Freq”项中输入功分器的中心频率为1GHz。在“Electric

35、al”栏的传输线特性阻抗“Z0”项中输入50Ohm，单击按钮就可以在“Physical”栏的传输线宽度“W”项中得到1.521330mm 的线宽，如图4-9所示。（4）同样，在传输线特性阻抗“Z0”项中输入70.7Ohm，并在“E_Eff”文本框中输入90deg（四分之一波长），单击按钮得到“Physical”栏的“W”项为0.788886，“L”项为42.897100mm（约为四分之一波长）（5）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，在原理图中插入“VAR”控件。（6） 双击“VAR”控件，弹出参数设置窗口，分别将w1、w2、lh设置为变量，根据前面“LineCalc”的

36、计算结果，设置w1=1.52，w2=0.79，lh=16 (此处不设单位，在设置微带线时另行设定)。（7）完成“VAR”参数的设定后，依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4-10所示。图4-9 微带线计算工具“LineCalc” 17 图4-10完整的微带型威尔金森功分器的电路原理图4.4功分器原理图仿真完成原理图的设计后，就可以对功率分配器的原理图进行仿真，根据设计指标的要求。主要对它的电路S参数进行仿真和分析，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-S_Param”，选择S参数扫

37、描控件 插入原理图中，双击原理图中的控件“SP”对其参数进行设置：选择扫描类型（Sweep Type）为线性（Linear），根据功分器的指标设置扫描的频率范围和步长，“Start”为0.9GHz,“Stop”为1.1GHz，“Step-size”为0.01GHz。（2）选择元件“Term” 放置在功分器3个端口上，用来定义端口1、2和3，然后单击工具栏的 图标，放置3个“地”与“Term”相连，完整的电路图如图4-11所示。图4-11加入S参数元件后的功分器整体原理图（3）完成所有的连接和仿真参数设置后，就可以对电路进行S参数进行仿真，单击工具栏中的【Simulate】按钮进行电路仿真。（4

38、）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，如图4-12及4-13所示，选择要显示的将S(11)，单击【Add】按钮，在弹出的“Complex Data”对话框选择dB为单位，如图 所示。 单击【OK】按钮，返回前“Plot Traces & Attributes ”对话框，单击【OK】按钮，会显示一个S(11)曲线。（5）执行菜单命令【Marker】【New】，添加一个marker点放置在曲线的某一点，选择三角标志，用鼠标或键盘的方向键可以移动标记。19 图4-12 数据显示窗口 图4-13 数据显示窗口21（6）同理，分别将S(21)、S(22)、S(23

39、)添加到数据显示窗口，最终的S参数如图4-14所示。图4-14 S参数仿真结果图结论：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，除了S11参数外，各项指标都不上十分理想，功分器在所要求的全频带内隔离度没有达到指标，并且平坦度较差，并且当频率偏移中心频率1GHz时，S11参数出现了严重的恶化，所有还需要对功分器的各个参数进行优化。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，它的性能并没有完全达到设计指标，因此需要对功率分配器的各个参数进行优化。阻抗匹配对电路的性能具有直接的影响，在实际应用中，功率分配器会连接在输出阻抗为50的设备后端，为了实现输入匹配，输

40、入端口传输线的特性阻抗必须为50，因此必须使w1=1.52mm，以达到输入阻抗的匹配。这里主要通过改变w2和lh这两个变量的值，优化系统的各个指标，以实现阻抗匹配。为了达到改变w2和lh这两个变量值得目的，首先需要在VAR控件中设定这两个变量的范围：（1）双击“VAR”控件，弹出“Varibles and Equation”对话框，如图4-15所示。 图4-15 “Varibles and Equation”对话框（2）在“Select Parameter”栏中选择w2，单击【Tune/Opt/DOE Setup】按钮，弹出“Setup”对话框，然后选择“Optimization”标签页。在“

41、Optimization Status”下拉列表中选择“Enable”，在“Type”下拉列表中选择“Continuous”，在“Format”下拉列表中选择“min/max”在“Minimun Vable”和“Maximun Value”文本框中输入0.7和0.9，如图4-16所示。这样就完成了对参数w2的设置，单击【OK】按钮确定设置并关闭窗口。 23 图4-16 “Optimization”对话框（3）再用同样的方法设置参数lh，lh的优化范围设置为520.（4）设置完成优化参数w2和lh后，还需要选择优化方式和优化目标。从元件面板下拉列表选择“Optim/Stat/Yield/DOE”

42、元件库。将控件“Optim”（优化设置） 和控件“Goal”（优化目标） 插入到原理图中。这里总共设置了4个优化目标，所有需要4个Goal控件，分别优化S(1,1)、S(2,2)、S(2,1)和S(2,3)。由于电路的对称性，S(3,1)和S(3,3)不用设置优化，S(1,1)和S(2,2)分别用来设定输入输出端口的反射系数，S(2,1)用来设定功分器通带内的衰减情况，S(2,3)用来设定两个输出端口的隔离度。（5）双击控件“Optim”，弹出优化方法及优化次数对话框。在“Optimization Type”下拉列表中选择“Random”项，在“Nunber of iterations”文本框

43、中修改为500。常用的优化方法有Random（随机）和Gradient(梯度)等。其中，随机法通常用于大范围搜索，梯度法用于局部收敛。（6）控件“Optim”设置完成后，再分别设置4个Goal控件，双击控件“Goal”，弹出参数设置对话框，根据等分威尔金森功分器的设计指标，对它的各个参数进行设置。25 在“Expr”项中输入表达式“dB（S(1,1)）”，表示优化的目标是端口1反射系数的dB值。在“SimInstanceName”项中输入“SP1”，表示针对S参数仿真SP1进行的优化。Min值采用默认值，表示S(1,1)的值越小越好。Max=-20，表示优化的目标dB（S(1,1)不超过-20

44、dB。Wight采用默认值，表示优化的几个目标没有主次之分。RangeVar1=“freq”，表示优化是在一定的频率范围内进行。RangeVar1=0.9GHz，表示频率优化范围的最小值为0.9GHz。RangeVar1=1.1GHz，表示频率优化范围的最大值为1.1GHz。其余3个Goal控件的参数如图4-17 所示，具体不再一一赘述。 图4-17 设置完成的“Goal”控件电路参数图图4-18 加入优化元件后的功分器原理图当优化结束后，数据显示窗口会自动打开，最终的优化结果如图4-19 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【Si

45、mulate】【Update Optimization Values】，以保存优化后的变量值（在“VAR”控件上可以看到变量的当前值）；否则，优化后的值将不保存到原理图中。如果一次优化不能满足设计指标的需要，则需要改变变量的取值范围，新进行优化，直到满足设计要求为止。第4章 功分器原理图的设计、仿真与优化 图4-19 优化后的S参数仿真结果图（7）优化完成后，下面观察优化后的仿真曲线。必须关掉优化控件，才能观察仿真的曲线。关掉优化控件的方法是单击原理图设计窗口工具栏的【Deactive or Active Component】按钮，然后单击优化控件“OPTIM”,若控件上了打了红叉表示已经关掉

46、。要想重新开启控件，只需单击工具栏中的【Deactive or Active Component】按钮，然后再单击要开启的控件就可以了，此时可以发现控件上的红叉消失，功能也重新恢复了。取消优化控件后，单击工具栏中的【Simulate】按钮就可以进行仿真，仿真结果会出现数据显示窗口。单击图形显示窗口左侧工具栏栏中的按钮，放置一个矩形图到图形窗口中，在弹出的“Plot Trace&Attibutes”窗口的左侧列表里选择S(1,1)(S11参数),单击【Add】按钮并设置参数单位为“dB”，单击两次【OK】按钮后，图形窗口中显示出S11随频率变化的曲线，同理，可以依次加入S21、S22、S23曲线

47、。由于最终原理图的电路参数与优化结果相同，因此最终仿真结果同样如图 4-19 所示。27第5章 功分器版图的生成与仿真一般使用电路板上的微带电路实现功率分配器，这可能与原理图仿真的结果有很大的差距，因此，需要在ADS中对版图进行进一步的仿真之后才能进行电路板的制作，版图的仿真采用矩量法直接对电磁场进行计算，其结果比在原理图中仿真要准确，但是它的计算比较复杂，需要较长的时间。为了进一步对原理图设计进行验证，下面在ADS中对版图进行进一步仿真。5.1功分器版图的生成在进行功分器版图的仿真前需要生成功分器的版图。（1）单击工具栏的 图标，然后单击原理图用于S参数仿真的“SP”空间、3个“Term”元

48、件和3个“地”，再单击原理图中用于优化的“Optim”控件和4个“Goal”元件。这些元件和控件失效后，在进行版图生成时，他们就不会出现在所生成的版图中。（2）确定所有元件失效后，执行菜单命令【Layout】【Generate/UpdateLayout】弹出一个设置对话框。这里应用它的默认设置，直接单击【OK】按钮。此时，弹出“Statues of Layout Gerenation”对话框，显示了所生成版图中有效的元件数目等信息，如图5-1所示。将对话框中的内容和原理图比较，确认无误后单击【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

49、5-2所示。从图中可以看出，原理图中的各种传输线模型已经转化为版图的实际微带线。 第5章 功分器版图的生产与仿真图5-1 “Statues of Layout Gerenation”对话框微带线介质基片和金属片的基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基本参数。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。 图5-2 由原理图生成的功分器版图（4）在版图设计窗口中，执行菜单命令【Momentun】【Substrate】【UpdateFrom Schematic】，将原理图的基板和微带参数更新到版图中。（5）在版图设计窗

50、口中，执行菜单命令【Momentun】【Substrate】【Creat/Modify】，可以查看和修改基本和微带的基本参数，如图5-3所示。设置完微带线的基本参数后，一个完整的微带型威尔金森功分器版图就形成了，接下来就可以进行S参数仿真了。29图5-3 “Creat/Modify Substrate”对话框5.2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，并能更好接近实际，需要在版图里再次进行S参数的仿真。（2）执行菜单命令【Momenttun】【Simulation】【S-parameters】，打开仿真控制对话框，如图5-4所示。在“Sweep Type”下拉列表中选“

51、Adaptive”，设置的起止频率与原理图中相同，“Start”为0.9GHz，“Stop”为1.1GHz。版图的仿真速度比较慢，采取样点“Sample Points Limit”为20。仿真控制参数设置完成后，单击【Update】按钮。29（3）单击【Simulate】按钮进行仿真。仿真过程中会弹出状态窗口显示仿真的过程，整个仿真过程一般比较慢，需要数分钟，仿真结束后将会自动出现数据显示窗口。 图5-4 版图仿真控制对话框值得注意的是：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行优化仿真，可以改变优化变量的初值，也可以根据曲线与指标的差别情况适当调整优化目标的参数，重新进

52、行优化。如果仍不能满足要求，则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，要先使刚才打红上叉的元件回复有效，然后才能进行优化，之后重复前面所述的过程，直到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5-5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5-5 版图仿真后的S参数仿真结果31第6章 结论第6章 结论本文介绍了通过ADS设计和仿真一种等分威尔金森功率分配器的方法。主要是通过对功率分配器原理图的S参数仿真以及版图的矩量法仿真得到与功率分配器性能有关的S参数。在原理图仿真中，由于理论计算的参数不能满足设计指标，

53、因此需要利用ADS的优化工具对参数进行优化。通过版图仿真，了解了版图生成的过程和矩量法仿真，设计仿真出符合指标的等分威尔金森功分器。值得注意的是，在以后的工程中设计类似于功分器等的微带电路前，一定要确定板材介质以及金属涂熬层得相关参数，以便能得到与实际电路更接近的仿真结果；否则，按照仿真参数设计的实际电路的性能会于之前确定的指标有较大的差距。33参考文献1徐兴福.ADS2008射频电路设计与仿真实例.北京:电子工业出版社,2009.2983142陈艳华.李朝晖等.ADS应用详解.北京:人民邮电出版社,2008.1281323料承恩. 微波技术基础.西安:西安电子科技大学出版社,1993.164

54、44雷振亚.射频微波电路导论.西安：西安电子科技大学出版社, 2005,6575外文资料原文致谢本论文是在导师赵小翔老师指导下精心完成的，三个月来，赵老师对我进行了耐心的帮助和指导，使我能够在论文的选题和写作过程中保持清醒的思路。老师工作认真，学术精湛，在教学和研究工作异常繁忙的情况下，依然抽出时间认真对我指导，他严于律己，宽以待人的精神深深感染了我，是我学习的榜样，特此表示感谢。35外文资料原文Design of Power Splitter with Minute Phase Unbalance degreesZHANG Peng-fei, CHENG Ming, LU Sheng- ju

55、n（No.36 Research Institute of CETC, Jiaxing, Zhejiang 314033, China）Abstract: In this paper,a new method of designing wideband power splitter isintroduced.Its merits are wideband,high isolation and minute phase unbalance degrees.The writers design a six- way power splitter withADS and introduce the

56、sim ulation and the test datasheets.This splitter has been used in project and it proved that this design wasfeasible.Keywords:wideband power splitter;phase unbalancedegrees;isolation;ADS1 prefacePower dividers is the input signal power into equal or not equal several road of the power output a mult

57、i-port microwave network, it plays a signal in system of allocation or synthetic role. Power dividers sort is various, common power dividers have transformer, microstrip or ribbon line type, waveguide type and ferrite type, they each have their advantages and use occasion. In addition, still have a kind of using resistance distribution network des