基于ads传统wilkinson功分器设计与仿真
等分威尔金森功分器的设计与仿真
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：0.9～1.1GHz，频带内输入端口的回波损耗：C11>20dB，频带内的插入损耗：C21<3.1dB,C31<3.1dB，两个输出端口间的隔离度：C23>25dB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ABSTRACTABSTRACTIn this 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: 0.9～GHz, frequency band 1.1 input ports C11 > 20dB return loss:, frequency band insertion loss: C21 < 3.1 dB, C31 < 3.1 dB, between the two output port C23 > 25dB 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 reach 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 Power dividers ADS optimization目录目录第1章引言 (1)1.1 功分器的发展概述 (1)1.2本次设计的主要工作 (3)第2章功分器的技术基础 (4)2.1基本工作原理 (4)2.2 功分器的技术指标 (6)第3章 ADS介绍 (8)3.1 ADS发展概述 (8)3.2 ADS 的仿真设计方法 (9)3.3 ADS的辅助设计功能 (10)3.4 ADS与其他EDA软件和测试设备间的连接 (15)3.5 ADS应用结论 (15)第4章功分器的原理图设计、仿真与优化 (16)4.1等分威尔金森功分器的设计指标 (16)4.2建立工程与设计原理图 (16)4.3基本参数设置 (16)4.4功分器原理图仿真 (19)4.5功分器的电路参数的优化 (26)第5章功分器版图的生成与仿真 (28)5.1功分器版图的生成 (28)5.2功分器版图的仿真 (34)第6章结论 (37)参考文献 (38)致谢 (35)外文资料原文 (36)译文 (44)主要符号表1P ...................................................1端口的输入功率 2P ...................................................2端口的输出功率 3P ...................................................3端口的输出功率 0Z ..................................................输入端口特性阻抗 02Z ..........................................4λ分支微带线的特性阻抗 03Z ..........................................4λ分支微带线的特性阻抗 2R .................................................2端口接的负载电阻 3R .................................................3端口接的负载电阻 2U .....................................................2端口输入电压 3U .....................................................3端口输入电压 2in Z ....................................................2端口输入阻抗 3in Z ....................................................3端口输入阻抗 r P ..........................................................反射功率 i P ..........................................................入射功率 11S .....................................端口2匹配时，端口1的反射系数 21S .........................端口2匹配时，端口1到端口2的正向传输系数 31S .........................端口3匹配时，端口1到端口3的正向传输系数 11C ..........................................................回波损耗 21C ..........................................................插入损耗 31C ..........................................................插入损耗 23C ...........................................................隔离度第1章引言1.1 功分器的发展概述功率分配器是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。
《2024年基于ADS的射频功率放大器设计与仿真》范文
《基于ADS的射频功率放大器设计与仿真》篇一一、引言随着无线通信技术的快速发展，射频功率放大器（RF Power Amplifier, RPA）在通信系统中扮演着至关重要的角色。
射频功率放大器负责将低功率信号放大至适合传输的功率水平，从而保证通信的质量和稳定性。
为了设计一款性能优异的射频功率放大器，并确保其在实际应用中具有良好的效果，基于ADS（Advanced Design System）的射频功率放大器设计与仿真变得尤为重要。
本文旨在详细阐述基于ADS的射频功率放大器设计与仿真的全过程，并通过具体的案例来验证设计的有效性和准确性。
二、设计需求及理论基础在开始设计之前，首先需要明确射频功率放大器的设计需求，包括工作频率、增益、输出功率、效率以及线性度等。
接着，了解射频功率放大器的基本工作原理及主要类型，如场效应管（FET）和双极晶体管（BJT）等。
根据需求选择合适的类型和拓扑结构，如Doherty结构、多级级联等。
同时，还需要掌握ADS 软件的使用方法和设计流程。
三、基于ADS的设计过程1. 原理图设计在ADS中创建新的原理图设计项目，并绘制出相应的电路图。
根据需求和理论基础，合理布局元件，包括滤波器、耦合器、输入输出电路等。
注意确保电路的稳定性和可靠性。
2. 参数设置与仿真根据设计需求，设置电路的仿真参数，如电源电压、工作频率等。
然后进行仿真分析，包括小信号S参数仿真、大信号仿真等。
通过仿真结果来验证设计的可行性和性能指标是否满足要求。
3. 优化与调整根据仿真结果，对电路进行优化和调整。
这包括对元件参数的微调、电路拓扑的改进等。
反复进行仿真和优化，直至达到预期的性能指标。
四、仿真结果与分析1. 仿真结果展示将优化后的设计进行仿真，得到射频功率放大器的各项性能指标。
包括增益、输出功率、效率、线性度等。
通过图表和曲线来展示仿真结果。
2. 结果分析对仿真结果进行分析和评估。
首先，对比实际需求与设计目标，检查各项性能指标是否满足要求。
Wilkinson功率分配器的设计、仿真、加工、和测试
Wilkinson功率分配器的设计、仿真、加工、和测试一.实验目的:1.掌握功分器的原理及基本设计方法2.学会使用仿真软件ADS对功分器进行仿真3.掌握功分器的实际制作和测试方法,提高动手能力力二.实验内容:1设计一中心频率为1Ghz,工作频带0.9Ghz--1.1GHZ的3dB单节Wilkinson 功分器;2 指标要求:带内匹配S11≤-15dB, 功分-3.5dB≤S21≤-2.5Db, 隔离S23≤-15dB;3 微带线基板的相对节点常数ε=2.65,微带线基板的厚度h=3mm,损耗角正切0.003三.实验仪器微波无源试验箱一台,矢量网络分析仪一台,TXLine2001,ADS软件;四.实验过程Ⅰ.原理图设计a、根据实验的指标要求计算微带的尺寸,计算得50Ω的微带线宽度为8.195mm,四分之一波长为50.748mm。
b、打开ADS软件,创建项目,在元件库选择元器件MSUB、V AR、MLIN、MTEE、MSOBND和电阻R=100Ω。
搭建如下图所示的原理图并输入参数:Ⅱ.功分器仿真:a、选择S参数仿真元件面板,设置参数,起始频率0.6GHZ,频率扫描终止值1.4GHZ,步长为0.005GHZ。
b、插入优化控件Optim和4个目标控件Goal,修改其参数如图1;c、进行仿真,单击Simulate图标,进行仿真,在数据显示窗用矩形表示S 参数曲线图表示,如下图d、生成版图,先将原理图中的TERM、电阻和接地以及优化控件去掉,生成版图后按其实际的大小打印,如下图:Ⅳ.实物制作将打印的功分器版图贴在铜箔上,用刀切割铜箔,切割完成后,将铜箔粘到实验板上,如下图1.粘贴铜箔时要整齐,可先用粘性不太大的胶带粘在刚切好的铜箔上,让后再贴在实验板上;2.粘贴铜箔时要平整,在用万用表的欧姆档进行验证。
有响声表示短路则说明连接好了;Ⅴ. 实物测试及结果。
威尔金森功分器设计与仿真
威尔金森功分器设计与仿真威尔金森功分器（Wilkinson Power Divider）是一种常用的微波功分器，广泛应用于无线通信和雷达系统中。
它能将输入信号均匀地分配到两个输出端口，并且具有较宽的工作频率范围和较低的插入损耗。
本文将介绍威尔金森功分器的设计原理和仿真方法。
1.威尔金森功分器的设计原理```┌─Z1─┐RF in ─┤ ├─ Z2 ─ RF out1├─Z0─┤└─Z3─┘RF out2```其中，RF in为输入端口，RF out1和RF out2为输出端口，Z0为特征阻抗，Z1和Z2为等效阻抗，Z3为耦合阻抗。
在设计过程中，首先需要确定特征阻抗Z0的数值，一般为50欧姆。
然后，根据所需的功分比例，计算等效阻抗Z1和Z2的数值。
最后，选择合适的耦合阻抗Z3，使得整个电路达到最佳的工作性能。
2.威尔金森功分器的仿真方法首先，打开ADS软件并创建一个新的工程。
然后，在工程中添加一个新的设计，选择“Schematic”类型。
在Schematic设计界面中，依次添加所需的元件，包括传输线、阻抗匹配器和耦合器。
其中，传输线用于连接输入端口和输出端口，阻抗匹配器用于实现输入和输出的阻抗匹配，耦合器用于实现信号的均匀分配。
接下来，设置传输线的特性阻抗和长度，以及阻抗匹配器和耦合器的阻抗数值。
通过调整这些参数，可以实现所需的功分比例和工作频率范围。
完成电路设计后，可以进行仿真和优化。
选择“Simulation”菜单，设置仿真参数，如频率范围和步长。
然后，运行仿真并得到结果。
根据仿真结果，可以评估电路的性能，并进行优化。
如果需要改变功分比例或工作频率范围，可以调整各个元件的数值，并重新运行仿真。
最后，完成电路设计和优化后，可以进行PCB布局和封装设计。
根据实际需求，选择合适的材料和尺寸，并进行布局和封装设计。
总结：本文介绍了威尔金森功分器的设计原理和仿真方法。
通过合理选择和调整各个元件的数值，可以实现所需的功分比例和工作频率范围。
Wilkinson功率分配器的仿真
实验一Wilkinson 功率分配器的仿真2013级电信2班20131305047 王庭哲一、实验目的1. 掌握功分器的原理及基本设计方法2. 学会使用仿真软件HFSS对功分器进行仿真3. 掌握功分器的实际制作和测试方法，提高动手能力力二、实验原理在微波电路中，为了将功率按一定比例分成两路或多路，通常使用功率分配器。
图1即为一个典型的带有负载是一分二微带型功率分配器电路图。
图1 微带功分器电路图当信号从端口1输入时，功率从端口2和端口3输出，只要设计恰当，输出可按一定比例分配，并保持电压同相，电阻R上无电流，不吸收功率。
若端口2或端口3稍有失配，则有功率反射回来，为电阻所吸收。
从而保证两输出端有良好的隔离，并改善输出端的匹配。
设端口3和端口2的输出功率比为k2，即同时由于端口1到端口2与端口1到端口3的线长度相等，故端口2的电压V2与端口3的电压V3相等，即V2=V3。
又因为端口2和端口3的输出功率与电压的关系为将式(2)代入式(1)中，得式中：Z2和Z3为端口2和端口3的输出阻抗，若选择可满足式(3)，为了保证端口1匹配，应有同时，考虑到则所以为了端口2与端口3隔离，即端口2或端口3的反射波不会进入端口3或端口2，可选在实际情况下，输出端口的阻抗也是Z0，因此，采用四分之一波长阻抗变换器，在端口2和端口3各加一段传输线，特性阻抗分别为如果是等功率分配器，则P2=P3，k=1，于是有三、实验步骤（一）HFSS建模过程1.新建工程power divider并设立参数2.绘出底板参数如图3.绘出地板4.在底板上添加微带线5.添加隔离电阻隔离电阻参数6.添加端口7.添加空气盒子盒子参数隔离电阻微带线地板空气盒子端口（从上至下分别为1,2,3）仿真设置四、实验结果及分析1.由一图可以看出曲线S(2,1)接近3dB，即S（2,1）基本满足要求2.由图二可知三个端口的匹配状况S(1,1) S(2,2) S(3,3)在理想状况下反射系数应为0即负无穷dB。
大连海事大学射频电路设计威尔金森功分器设计实验报告
实验二：wilkinson 功分器设计报告一、实验目标1. 掌握功分器的原理及基本设计方法。
2. 学会使用电磁仿真软件ADS 对功分器进行仿真。
3. 掌握功分器的实际制作和测试方法，提高动手设计能力。
二、实验要求1. 充分做好实验前的准备工作，认真学习电磁仿真软件ADS 。
2. 掌握微波器件和微波测试仪器的使用方法，以免损坏器件和仪器。
3. 分析仿真结果与测试结果，记录必要数据。
三、设计思路四、理论设计：Wilkinson 功率分配器有三端口网络构成，如下图，信号由端口1输入，端口2和端口3输出。
理想3dB 微带wilkinson 功率分配器的散射参量为 S=-1/因为S11=S22=S33=0，所以理想状态下在中心频率，三个端口是完全匹配的。
因为S21=S31=-j/ ，所以在端口1有输入而其他端口匹配时，端口2和端口3有等幅同相的输出，并且都比输入信号之后90度，这说明这是一个功分比为1的3dB 功率分配器。
因为S23=S32=0,所以这个功率分配器两个支路是完全隔离的。
因为有 段，所以这个功率分配器不是带宽器件。
功分器的技术指标主要包括频率范围、端口电压驻波比或回波损耗、输入输出间的传输损耗、输出端口间的隔离度。
1.频率范围频率范围是各种射频和微波电路工作的前提，功率分配器的设计结构和尺寸大小与工作频率有密切关系，必须首先明确功分器的工作频率，才能进行具体的设计工作。
本实验取，中心频率f0=1GHz 带宽BW ：0.9GHz —1.1GHz 。
2.端口的电压驻波比（回波损耗）理论设计ADS 软件仿真加工制作实验测试调试修正端口的电压驻波比或反射系数是射频和微波电路的一个重要指标，它反映了端口的匹配状况。
端口1，端口2和端口3的电压驻波比或反射系数，分别有散射参量S11，S22，S33决定。
其中端口1的电压驻波比为用同样方法可以测得端口2和端口3的电压驻波比和回波损耗。
3.输入输出时间的传输损耗定义为输出端口2（端口3）的输出功率P2(P3)和输入端口1的输入功率P1之比，记为输入输出时间的传输损耗是由于传输线的介质或者导体不理想等原因导致的，介质的损耗角正切和导体的电导率是形成损耗的原因。
威尔金森功分器总结
Z 03 Z 0 (1 K 2 ) K 3 ;
R
(1 K 2 ) Z0 ” K
2. 威尔金森功分器技术指标 频率范围，中心频率 f0 和带宽 BW 频带内输入端口的回波损耗，C11 频带内的插入损耗，C21，C31 两个输出端口之间的隔离度，C23 二、正文 功分器的技术指标主要包括频率范围、端口电压驻波比或回波损耗、输入输出间的传输损耗、输出端 口间的隔离度。 1. ADS 仿真威尔金森功分器 1.1 技术指标如下图所示：
图2
ADS 仿真时的技术指标
1.2 仿真流程： 1.2.1 创建项目和原理图
1.2.2 原理图建模 1）将 MUSB 插入原理图画图区，在画图去双击 MUSB，弹出设置对话框，对微带线设置参数设 置如下：
2 ）在菜单中选择变量 VAR 空间，插入到原理图的画图区，双击空间 VAR ，分别设置四个变量 W50,W70，L1，L2，L3，L4，Lx，分别赋值为 8.2，4.6，11，12，4，13，5。这里取这些值的依据在于下 图所示：
3）
4）
5）画出原理图如下：
6) 原理图的仿真：通过添加 S 参数求解器 SP。对 SP 的设置如下所示：
计算结果如下图：
7) 生成版图： 注：在生成版图前需要关闭与生成版图无关的项目，否则生成会出现各种各样的 bug。 同时，生成版图可以帮助我们很快地检查出那些语法上的错误，如单位错误
这里：L = L1+L2+(W50)/2
图 1 理想 3dB 微带 Wilkinson 功分器示意图 端口 1 输入，端口 2 和 3 作为输出。中间粉色的为隔离电阻。 由于结构对称，各路信号经过的电长度相同，因此在输出端口处于相同的电位，此时隔离电阻不消耗 任何功率。假如信号由于某种原因在输出端口 2 处发生反射，则反射信号功率一部分经过隔离电阻 R 传至 输出端口 3，另一部分功率反射回输入端口，并在支线处再度分配，重新由两支路传输至两个输出端口。由 于阻抗变换线的长度为λ/4，则两路反射信号到达端口 3 时的电长度相差 180 度，所以在端口 3 处，两路信 号幅度相等、相位 相反，彼此相消，从而实现两输出端口之间的相互隔离。对于任意分配比的混合型功率 分配器，隔离电阻的作用相同。 隔离电阻的作用： “从隔离电阻那里开始走起,左右对称,每边都是 1/4 波长,信号走完这两个 1/4 波长 后到达隔离电阻的另一端,但这个时候,在隔离电阻两端信号的电压正好相反,一起走了 1/2 个波长,可以在隔 离电阻上消耗,这样到达另一个端口的信号就没什么了,起到了隔离的作用.”
威尔金森功分器设计与仿真
- 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)。
传统wilkinson功分器设计与仿真
汪学明
(华东交通大学南昌330013)
【摘要】随着通信技术的加速发展，传统的Wilkinson功分器已经无法满足多频及宽带的技术需求。
基于ADS仿真设计软件，根据传统的功分器原理和结构，设计了一款
谐振频率在4.9GHz附近的标准Wilkinson功分器。
【关键词】Wilkinson功分器微带ADS
1 引言
功分器主要用于功率分配，将一路输入信号分成两路或多路较小的输出功率信号，功分器在微波射频通信电路中有着广泛的应用。
Wilkinson功分器是射频通信系统的关键组成部件之一，近年来随着通信技术的加速发展，传统的Wilkinson功分器已经无法再满足其要求，因为其无法满足多频及宽带的技术需求。
本文设计了一款传统的工作频率在 4.9Hz的Wilkinson功分器。
众所周知，4.9GHz是未来5G网络中心频段，设计这款功分器也是为了能更好地迎合未来的技术需求。
2功分器工作原理
微带型功分器的电路结构如图1所示。
图1 功分器电路结构
其中，输入端口特性阻抗为Z0；两段分支微
带线电长度为λ/4，特性阻抗分别为Z02和
Z03，终端分别接负载R2和R3。
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和端口3输出功率比值为任意指定
值1/K²故有：
1 Z in2+1
Z in3
=1
Z0
(1)
K2=P3
P2,P2=1
2
∗U22
R2
, P3=1
2
∗U32
R3
(2)
U2= U3(3)
由四分之一波长传输线阻抗变换理论得：
Z in2∗ R2=Z02,2 Z in3∗ R3=Z032(4)
设R2=KZ0，则Z02、Z03、R3为：
Z02=Z0√K(1+K2)
Z03=Z0√(1+K2)
K3
,R3=Z0
K
(5)
为了增加隔离度，在端口2和端口3之间再
增加一个电阻R，隔离电阻R的阻值为：
R=Z0(K+1
K
)(6)
当k=1时，上面的结果化简为功率等分情况。
另外，输出线是与阻抗R2=kZ0和R3=Z0/k匹
配的，而不与阻抗Z0匹配。
3功分器特性参数
(1)输入端口回波损耗：输入端口1的回波
损耗根据输入端口1的反射功率Pr和输入
功率Pi之比来计算：
C11=−10lg (P r
P i
)=−20lg｜S11｜(7)
(2) 插入损耗：输出端口的插入损耗根据输出端 口的输出功率与输入端口1的输入功率Pi 之比来计算：
C 12=−10lg (P 2
P i
)=−20lg ｜S 12｜ (8)
C 13=−10lg (P
3P i )=−20lg ｜S 13｜ (9)
(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
功率P2与输出端口3的输出功率P3之比来
计算：
C 23=−10lg (P 2P 3)=−20lg ｜S 12｜
｜S 13｜ (10) (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P3和输出端口2的输出功率P2之 比来计算：
K 2
=P 2P 3 (11)
4 传统Wilkinson 功分器
本文首先针对传统的功分器结构，设计
了一款谐振频率在4.9GHz 附近的Wilkinson 功分器，传统的集总参数元件已无法模拟，这里必须采用分布参数模型，即传输线模型。
由于传输线模型是理想的，现实生活中必须用某种材料的微带电路才能实现，这里选用的微带基板的参数如下：
◆H=0.8mm ：微带线介质基片厚度为0.8mm ◆Er=4.3：微带线介质基片的相对介电常数为4.3
◆Mur=1：微带线介质基片的相对磁导率为1 ◆Cond=5.88E+7：微带线介质基片的电导率为 5.88E+7 ◆Hu=1.0e+033mm ：微带电路的封装高度为 (1.0e+033)mm
◆T=0.03mm ：微带线金属片的厚度为0.03mm
◆TanD=1e-4： 微带线的损耗角正切为 1e-4 ◆Rough=0mm ： 微带线的表面粗糙度 为0mm
然后利用ADS 自带的linecalc 小工具可以将传输线模型和实际微带电路彼此相互转换，在该软件中，只要输入传输线的特性阻抗、电长度、谐振频率以及微带介质基板的特性参
数就可以很方便地得到实际微带线的宽度和长度，而且可以双向转换。
最终的传统 4.9GHz Wilkinson 功分器的微带电路原理图如图2所示。
图2 4.9GHz Wilkinson
功分器原理图
通过仿真最终得到的S参数结果如图3所示：
图3 4.9Hz Wilkinson功分器仿真结果从图3可以看出，该
功分器的谐振点在
4.8GHz附近，S11（1端
口回波损耗）为-32dB，-
20dB以下带宽大约为
1.5G；S21（插入损耗）为
-3dB，此时功分器正好等
分原先输入信号的能量；
S22（2端口回波损耗）
为-31dB；S23（隔离度）
为-41dB。
综上分析，该
功分器是在以4.8GHz为
中心频率，在1.5G的带
宽内将输入端口的信号
等分到2个输出端口上。
通过layout生成版图如图4:
参考文献
［1］陈铖颖。
《ADS射频电路设计与仿真》。
北京，电子工业出版社，2011。
［2］刘学观，郭辉萍。
《微波技术与天线》。
西安，西安电子科技大学出版社，2015。
作者简介
汪学明：射频工程师，学士，现就读于华东交通大学信息工程学院通信工程系，主要从事无线网络接入、设计、规划相关设计，研究方向为射频通信电路和移动终端天线设计。
图4 实际版图。