功分器设计报告

Wilkinson 功率分配器设计报告
姓名：陶伟 班级：电科 09-1 班 学号：2220092322
一、 引言
功率分配器是将输人功率分成相等或不相等的几路功率输出的一种多端口 微波网络。在微波系统中, 需要将发射功率按一定的比例分配到各发射单元, 如 相控阵雷达等, 因此功分器在微波系统中有着广泛的应用。它的性能好坏直接影 响到整个系统能量的分配、合成效率。功率分配器有多种形式，其中最常用的是 四分之一波长（λp/4）功率分配器，这种功率分配器称为威尔金森（Wilkinson） 功率分配器。 威尔金森功率分配器由三端口网络构成， 其功率分配可以是相等的， 也可以是不相等的。在这里，我介绍的是等功率分配的微带线 Wilkinson功率分 配器。
(5)由于隔离电阻被去掉了，所以需要将版图再导回到原理图仿真，方法如下， 选择版图视窗中的【Momentum】菜单>【Component】>【Create/Update】命令， 弹出设置元件库的对话框，在“Model Type”中选择 Momentum RF，在 Lowest Frequency 填上 1GHz， Highest Frequency 填上 2GHz， 其他保持默认， 单击 【OK】 完成创建新的元件库的设置，这样功分器被当做一个元器件添加到元件库里了。 (6)在 ADS 主视窗中新建原理图并保存为 divider_JC，单击菜单中的元件库图标， 打开元件库，如图 2.17 所示，单击左侧 Projects，会在右侧窗口显示项目 divider 的所有原理图，右键单击 divider，会出现 Place Component，单击它，然后打开 刚新建的原理图 divider_JC，在其画图区放上刚选择的功分器元件 (7)在新建的原理图 divider_JC 中，在隔离电阻安放位置连接一个阻值为 100Ω的 集总电阻，并在输入输出端口连接终端负载 Term，然后插入仿真控件 SP，对 S 参数仿真控件 SP 设置如下。 频率扫描类型 Sweep Type 选为 Linear。 频率扫描起始值 Start 设为 1GHz。 频率扫描终止值 Stop 设为 2GHz。 频率扫描步长 Step-size 设为 0.001GHz。 （8）接下来就可以进行版图仿真了，单击仿真【Simulate】图标，运行仿真，仿 真结束后，数据显示视窗自动弹出，用矩形图查看 S11、S21、S23 参数曲线， 如图 6 所示。从图 6 中可以看出，各曲线均达到技术指标。
二、功分器的基本工作原理
图1 图1是微带三端口功率分配器的原理结构，其中 Z0 是它的输入端口特性阻 抗，Z02和Z03是它的分支微带线的特性阻抗，R2和R3是它的终端负载。对于等 功分威尔金森功分器来说，图1的原理结构可以等效为如下图2结构，而且有 R2=R3=Z0； Z02=Z03=Z0*1.414； R=2*Z0；
七、原理图优化
步骤如下： (1) 在 VAR 控 件 的 “ Variables&Equations ” 窗 口 中 选 择 L70b ， 单 击 [Tune/Opt/Stat/DOE setup]按钮，弹出“Setup”窗口，选择[Optimization]选项卡， 在 “Optimization status” 中选择 “Enabled” 、 “Type” 中选择 “continuous” 、 “Format” 中选择“min/max” 、 “Minimum Value”和“Maximum Value”分别设置为 9.5 和 30，就完成了对 L70b 的设置。 (2) 用同样的办法设置 W50、W70 的比较小的优化范围。 (3)完成上述的范围设定后，还需要选择优化方式和优化目标。步骤如下： (4) 在原理图设计窗口中选择优化工具栏，将优化控件“ Optim ”和目标控件 “Goal”插入到原理图中，由于需要 3 个优化目标 S(1,1)、S(2,2)、S(2,1)、S(2,3)， 因此需要添加 4 个目标控件。S(1,1)和 S(2,2)分别用来分析输入输出端口的反射 系数，S(2,1)用来分析功率分配器通带内的衰减情况，S(2,3)用来分析两个输出端 口的隔离度。 (5) 设置优化方法为随机(Random)或者梯度(Gradient)等， 随机法通常用于大范围 搜索， 梯度法则用于局部收敛。 在 “Optimization Type” 下拉表中选择 “Random” ， 在“Random”文本框中修改为 50。 (6) 接着设置 4 个目标控件的参数，设置完之后如图 4 所示。

H=3mm，表示微带线基板的厚度为 3mm。 Er=2.65，表示微带线基板的相对节点常数为 2.65。 Mur=1，表示微带线的相对磁导率为 1。 Cond=1.0e+50，表示微带线导体的电导率为 1.0e+50。 Hu=1.0e+033mm，表示微带线的封装厚度为 1.0e+0.33mm。 T=0.005mm，表示微带线的导体层厚度为 0.005mm。 TanD=0.0003，表示微带线的损耗角正切为 0.0003。 Rough=0mm，表示微带线的表面粗糙为 0mm。
四、设计指标

3dB Wilkinson 功率分配器。 中心频率 1.5GHz。 工作频带内输入端口的回波损耗： 这里的 S11 (dB) 是 S11 (dB) 20dB ， 指 RL1。



工作频带内的传输损耗： 3.2dB S 21 (dB ) 2.8dB 。 两个输出端口间的隔离度 S23(dB) ≤ -20dB。 微带线基板的厚度为 3mm，基板的相对介电常数为 2.65。 各端口特性阻抗采用 50Ω。
图 4、优化设置
(7) 完成相关参数设置之后，单击工具栏中的[Simulate]按钮进行优化仿真。 优化过程中系统会自动打开一个状态窗口显示优化结果，其中的“ CurrentEF” 表示与优化目标的偏差， 当它的值减小到 0 的时候表示达到了优化目标。优化结
束后数据显示窗口会自动打开。 由于选择的优化方法是随机(Random)， 因此每次 优化的结果都会有所不同甚至相去甚远，所以要不断改变参数的值，多次进行优 化，直至得到跟所需要的优化结果最接近的数据为止，就如图 5 所示。 (8)当优化后各项参数都符合设计要求，再点击原理图窗口菜单中的[Simulate]— —[Update Optimization Values]命令保存优化后的变量值。 这样就完成了原理图的 设计、仿真和优化，并达到了设计的指标的要求。但是在实际应用中还是会发现 仿真结果与实际设计的电路指标有很大差别，因此必须在原理图设计与 电路制作中对版图进行仿真，以进一步保证结果符合设计要求。
图 5、原理图的优化曲线
八、版图设计及仿真
(1)在生成版图之前，必须先将原理图中的负载终端 Term 和“接地”以及优化控 件去掉。去掉的方法是单击原理图工具栏中的【Deactive or Active Component】 按钮，然后单击负载终端 Term、 “接地” ，OPTIM 和四个 GOAL。因为原理图 上的隔离电阻是集中元件，不能够出现在版图上，所以也必须将电阻 R 去掉。 (2)选择原理图 divider 上的【 Layout 】菜单 > 【 Generate/Update Layout 】 ，弹出 【Generate/Update Layout】设置窗口，单击窗口上的【OK】按钮，默认它的设 置。这时又会弹出【Status of Layout Generation】版图生成状态窗口，单击【OK】 按钮，完成版图的生成过程。对比原理图和版图可以发现，原理图中构成分支定 向耦合器电路的各种微带线元件模型，在版图中已经转化为实际微带线。 (3)选择版图工具栏上的端口 Port，插入版图，输入端口设置为端口 1，输出端口 设置为端口 2 和端口 3，隔离电阻处的两端口设置为端口 4 和端口 5。 (4)为了使版图的仿真结果有效，必须使版图中微带线的基本参数与原理图中的 微带线的基本参数一致，具体设置方法如下：选择版图视窗中的【Momentum】 菜单>【Substrate】>【Update From Schematic】命令，从原理图视窗得到微带线 的 基 本 参 数 。 再 选 择 版 图 视 窗 中 的 【 Momentum 】 菜 单 > 【 Substrate 】 > 【Create/Modify】命令，打开【Create/Modify Substrate】窗口，此时，你可以看 到微带线的基本参数与与原理图中的微带线的基本参数是一致的了。



五、原理图设计
1.原理图绘制
图3、原理图 (1) 新建工程文件，点击Length Unit设置长度单位为毫米（mm）并创建工程。 (2) 在原理图设计窗口中选择微带线器件面板列表，在微带线器件面板中选择 MLIN与MTEE插入原理图中，并用导线工具连接起来，构成功率分配器的输入端 口。双击MLIN，在弹出的参数设置窗口中设置MLIN的W=W50mm、L=5mm。用 同样的办法设置MTEE的W1=W70mm、W2=W70mm和W3=W50mm。 (3) 从微带线器件面板中分别选择4个MLIN、2个MSOBND_MDS和1个MTEE，插入 到原理图中， 并用导线连接成功率分配器的一路分支线，用同样的器件构成功率 分配器的另外一路分支线， 由于功率分配器结构的对称性，两路分支线中各段微 带线的尺寸参数相同。 (4) 把输入端口与两路分支线连接起来，并在两路分支线之间插入隔离电阻R，R 的参数为R=100Ω。 (5) 分别用3 个 TLIN 和 2 个 MSOBND_MDS 以及连接导线构成功率分配器的输出端 口2。 用同样的器件构成与之对称的另一个输出端口3， 由于功分器结构的对称性， 两输出端口的各段微带线尺寸参数相同。 (6)至此，功率分配器的所有部分连接完成。
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Zo 2Z o Zo
2Z o Zo 2Z o
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图2
关于这一点，我没有详述，大家可以参考由栾秀珍、房少军、金红和邰佑城 老师编著的《微波技术》这本书，书中对这阐述的非常详细。