不等分微帶功分器設(shè)計(jì)說(shuō)明

1、. . . . 本科畢業(yè)設(shè)計(jì)（2011屆）題目不等分微帶功分器設(shè)計(jì)學(xué)院電子信息學(xué)院專(zhuān)業(yè)電子科學(xué)與技術(shù)班級(jí)學(xué)號(hào)學(xué)生指導(dǎo)教師完成日期2011年3月誠(chéng) 信 承 諾我謹(jǐn)在此承諾：本人所寫(xiě)的畢業(yè)論文不等分微帶功分器設(shè)計(jì)均系本人獨(dú)立完成，沒(méi)有抄襲行為，凡涉與其他作者的觀點(diǎn)和材料，均作了注釋?zhuān)粲胁粚?shí)，后果由本人承擔(dān)。 承諾人（簽名）： 年 月 日32 / 38摘要在無(wú)線(xiàn)通訊射頻電路中經(jīng)常會(huì)遇到要求射頻功率不平衡分配的情況，因此不等分功分器在實(shí)際射頻電路中有著重要的應(yīng)用價(jià)值。微帶線(xiàn)具有體積小、易加工、易集成等優(yōu)點(diǎn)，而被廣泛應(yīng)用于射頻微波集成電路中。因此本畢業(yè)設(shè)計(jì)主要是針對(duì)微帶線(xiàn)型不等分功分器的研究而展開(kāi)的。

2、不等分微帶功分器相對(duì)于等分微帶功分器而言，設(shè)計(jì)難度要更為復(fù)雜一點(diǎn)，需要考慮的影響因素要更多一些。本次設(shè)計(jì)中，通過(guò)對(duì)Wilkinson微帶功分器的研究，提出了不等分微帶功分器的設(shè)計(jì)理論。在此理論基礎(chǔ)上，利用Advance Design System射頻微波電路仿真軟件，設(shè)計(jì)了兩款一分二不等分的微帶型功率分配器（功分比例分別為1:2，3:4）。實(shí)驗(yàn)和仿真結(jié)果一致，并滿(mǎn)足設(shè)計(jì)指標(biāo)要求，從而論證了不等分微帶型功率分配器設(shè)計(jì)理論的正確性。關(guān)鍵詞：不等分；微帶；功分器；ADS軟件；射頻ABSTRACTRF circuits in wireless communications requirements o

3、ften encountered in the power imbalance in the distribution of radio frequency, ranging from sub-splitters so the actual RF circuit has important application value.Microstrip line is small, easy processing, easy integration, etc., which are widely used in microwave integrated circuits in RF.Therefor

4、e, this graduation design mainly for microstrip line power splitter sub-ranging research undertaken. Ranging from sub-microstrip power divider relative to the attainment of microstrip power divider, the design is difficult to be more complex, factors to be considered to be more of them.The design, b

5、y microstrip Wilkinson power divider on the research,proposed ranging from sub-microstrip power splitter design theory. Based on this theory, the use of Advance Design System RF and microwave circuit simulation software, designed two points of a sub-second range Microstrip power splitter (power divi

6、der ratio was1:2,3:4).Experimental and simulation results are consistent and meet the design requirements, which demonstrates the range Microstrip power splitter sub-design theory is correct.Key words: unequal; microstrip; power divider; advance design system software; RF目錄1 引言-12 概述-4 2.1 不等分功分器中的微

7、帶線(xiàn) -42.1.1 微帶線(xiàn)的定義-42.1.2 微帶線(xiàn)的結(jié)構(gòu)-42.1.3 微帶線(xiàn)計(jì)算-52.1.5 微帶線(xiàn)常用材料-62.2 功分器 -72.2.1 功率分配器定義-72.2.2 功率分配器的工作原理-82.2.3 微帶線(xiàn)功率分配器-93 總體設(shè)計(jì)-124 軟件設(shè)計(jì)-134.1 ADS軟件-134.1.1 ADS軟件介紹-134.1.2 ADS仿真分析-134.2 總體方案-154.3 程序流程 -165 制作與調(diào)試-27 5.1 硬件電路 -275.2 調(diào)試 -27結(jié)論-31致-32參考文獻(xiàn)-331 引言功分器是將輸入信號(hào)功分器分成相等或者不相等的幾路功率輸出的一種多端口網(wǎng)絡(luò)，廣泛應(yīng)用于

8、雷達(dá)系統(tǒng)與天線(xiàn)的饋電系統(tǒng)中。不等分功分器按照其功率分配比有相應(yīng)的設(shè)計(jì)公式可較為容易地實(shí)現(xiàn)1。然而近幾年來(lái)隨著我國(guó)國(guó)民經(jīng)濟(jì)和科學(xué)技術(shù)的快速發(fā)展，我國(guó)的無(wú)線(xiàn)通信技術(shù)也得到了飛速的發(fā)展。雖然我國(guó)已經(jīng)提出了具有自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的3G標(biāo)準(zhǔn)TD-SCDMA，移動(dòng)運(yùn)營(yíng)商業(yè)正在快速的籌建TD-SCDMA網(wǎng)絡(luò)，但是由于某些技術(shù)問(wèn)題，致使我國(guó)在邁向真正的3G時(shí)代，要走的路還很長(zhǎng)；在邁向我們的通信行業(yè)成為引領(lǐng)世界通信行業(yè)的巨頭的時(shí)代，還會(huì)更長(zhǎng)。通信行業(yè)是一個(gè)快速發(fā)展的行業(yè)，一個(gè)國(guó)家這個(gè)行業(yè)發(fā)展的好壞，就看這個(gè)國(guó)家擁有多少通信人才和人才的能力水平2。于是人們認(rèn)識(shí)到了，在移動(dòng)通信或電視發(fā)射系統(tǒng)中，不等分功率分配器有著重要的

9、應(yīng)用價(jià)值。在許多場(chǎng)合，要求在水平面的輻射場(chǎng)是非軸對(duì)稱(chēng)的。例如，對(duì)山區(qū)和海上方向的輻射場(chǎng)強(qiáng)較弱，而其他方向的輻射場(chǎng)強(qiáng)較強(qiáng)，這種情況，可以通過(guò)天線(xiàn)陣實(shí)現(xiàn)，也可以用功率分配器實(shí)現(xiàn);然而利用同軸結(jié)構(gòu)不等分功率分配器比天線(xiàn)陣列更能降低成本。以往等分功率分配器均是在輸人端作阻抗變換，難以實(shí)現(xiàn)一分四不等分功率分配器.本文采用通過(guò)阻抗變換先將輸人端口的阻抗變換至所需值，然后在各個(gè)分支也進(jìn)行阻抗變換的方法，實(shí)現(xiàn)了一分四不等分功率分配器，進(jìn)而進(jìn)行數(shù)值計(jì)算和電磁仿真3。隨著無(wú)線(xiàn)電通信技術(shù)的快速發(fā)展，各種通訊系統(tǒng)的載波頻率不斷提高，小型化低功耗的高頻電子器件與電路設(shè)計(jì)使微帶技術(shù)發(fā)揮了優(yōu)勢(shì)。在射頻電路和測(cè)量系統(tǒng)中，如混

10、頻器、功率放大器電路中的功率分配與耦合元件的性能將影響整個(gè)系統(tǒng)的通訊質(zhì)量4。在現(xiàn)代微波通訊系統(tǒng)與測(cè)試儀器中，無(wú)源微波器件是十分重要的組成部分。無(wú)源微波器件可以分為功率匹配器件和頻率匹配器件。功率匹配器件包括功分器，耦合器，衰減器等，這類(lèi)器件工作在一定的頻段上，將主信號(hào)通道上的微波傳輸功率分配到不同的支路上，或者把功率衰減到一定的圍?？偠灾?，是對(duì)功率起直接作用的無(wú)源器件。頻率匹配器件如濾波器，雙工器，合路器等都是將有用頻段的信號(hào)，把從天線(xiàn)接收到的信號(hào)中選出來(lái)，在微波通訊系統(tǒng)中十分重要，常位于放大器的前端。我國(guó)民用的通訊頻段主要集中在0.8GHz-2.5GHz。其中涵蓋了：CDMA800MHz；

11、GSM900MHz、1800MHZ；小靈通PHS1900MHZ；DCS 1700MHz；3G192OMHZ、2110MHz；WLAN2400MHz。不同的電信運(yùn)營(yíng)商，雖獲得的頻段略有差異，但為了系統(tǒng)有較大的兼容性與擴(kuò)展功能，越來(lái)越要求它們有更寬的工作頻帶、更小的相鄰信道間的干擾等。就功率匹配器件這一塊來(lái)說(shuō)，希望它們的工作頻帶都為0.8GHz-2.5GHz；而且要求器件小型化，輸入、輸出端口低駐波，傳輸通道低插損，相鄰信道高隔離等。在這種設(shè)計(jì)要求下，我們?cè)O(shè)計(jì)了微帶二功分器，微帶定向耦合器5。在實(shí)際應(yīng)用中，有時(shí)候需要將信號(hào)源的功率分別饋贈(zèng)給若干個(gè)分支電路。例如將發(fā)射機(jī)的功率分別饋送給天線(xiàn)的很多個(gè)輻

12、射單元，就是說(shuō)，進(jìn)行功率分配，這就要用到各種類(lèi)型傳輸線(xiàn)的分支元件6。一種新的微帶功率分配器（PD）是提出了一個(gè)平行耦合線(xiàn)（PCL）對(duì)包括地面上的缺陷，它的兩個(gè)輸出是由一個(gè)電阻和一個(gè)電容相連。PD是一個(gè)0.9 GHz的開(kāi)發(fā)和實(shí)驗(yàn)結(jié)果證明它具有低插入損耗，良好的阻抗匹配和隔離。此外，第三次諧波抑制這種局部放電優(yōu)于35分貝和分頻器總面積只有34的常規(guī)情況7。在微波電路中，功率分配器是最基本的的元件之一。通常情況下，我們采用微波等功率分配，如經(jīng)典的Wilkinson結(jié)構(gòu)，易實(shí)現(xiàn)，性能好。然而，在有些情況下需要兩路功率不是等分而是要按照一定的比例分配。在功率分配比大于6時(shí)，可以直接選用定向耦合器作為功率

13、分配元件。但是，在小于6時(shí)，由于耦合器間距要求過(guò)近，無(wú)法保證實(shí)現(xiàn)的精度，這就要求我們進(jìn)行不等分功率分配器的設(shè)計(jì)。以同等功率的分配器。這項(xiàng)建議并不需要額外的設(shè)計(jì)制造過(guò)程中的修改和補(bǔ)充的結(jié)構(gòu)相比，其他典型的多枝波導(dǎo)。統(tǒng)一的輸出功率的分布情況可以很容易地獲得通過(guò)調(diào)整之間的部和外部樹(shù)枝分枝角度不引入多余的散射損耗.類(lèi)似的設(shè)計(jì)程序時(shí)，也可用于其它電源工作波長(zhǎng)分割比率或指定8。自從20世紀(jì)40年代MIT輻射實(shí)驗(yàn)室發(fā)明和塑造了種類(lèi)繁多的波導(dǎo)型功分器和耦合器后，在20世紀(jì)50年代中期和60年代又發(fā)明了多種采用帶狀線(xiàn)技術(shù)的耦合器。其分析設(shè)計(jì)方法到六十年代中期的微波網(wǎng)絡(luò)模型，逐步從數(shù)學(xué)上來(lái)闡明其性質(zhì)，單是由于沒(méi)有

14、微波網(wǎng)絡(luò)的分析模型，設(shè)計(jì)人員一般采用繁瑣的試湊法?？梢韵胂?，每一次的參數(shù)優(yōu)化都需要在實(shí)驗(yàn)室由世紀(jì)的模型來(lái)完成，整個(gè)過(guò)程漫長(zhǎng)復(fù)雜。20世紀(jì)70年代開(kāi)始計(jì)算機(jī)的普與和仿真軟件的出現(xiàn)，使得模型的設(shè)計(jì)可由專(zhuān)門(mén)的廠家來(lái)和設(shè)計(jì)公司完成。這樣，在預(yù)估計(jì)電路性能方面，即使只是基本熟悉計(jì)算機(jī)使用的工廠技術(shù)人員也可以準(zhǔn)確而迅速地獲得微波電路的優(yōu)化設(shè)計(jì)參數(shù)，這卻是那些只熟悉電路理論而不懂得借助于計(jì)算機(jī)進(jìn)行試驗(yàn)設(shè)計(jì)的人員辦不到的9。在微波設(shè)計(jì)軟件中最為出名的就是ADS（Advanced Design System）美捷倫公司所擁有的電子設(shè)計(jì)自動(dòng)化軟件；ADS功能十分強(qiáng)大，支持射頻和系統(tǒng)設(shè)計(jì)工程師所開(kāi)發(fā)的所有類(lèi)型的RF

15、設(shè)計(jì)，從簡(jiǎn)單到復(fù)雜，從離散的射頻/微波模塊到用于通信和航天/國(guó)防的集成MMIC，幾乎成為微波電路設(shè)計(jì)工作中必備的工具?，F(xiàn)代社會(huì)對(duì)于不等分微帶功分器的研究，越來(lái)越深入，通過(guò)對(duì)威爾金森功分器原理的不斷研究，人們對(duì)功分器的研究也有了一定的突破，選擇這個(gè)課題可以對(duì)此方面做一定的研究，有助于對(duì)其的了解，便于日后應(yīng)用10。2 概述2.1 不等分功分器中的微帶線(xiàn)2.1.1 微帶線(xiàn)的定義微帶線(xiàn)是式一種準(zhǔn)TEM波傳輸線(xiàn)，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，計(jì)算復(fù)雜，位于接地層上由電介質(zhì)隔開(kāi)的印制導(dǎo)線(xiàn)，它是一根帶狀導(dǎo)(信號(hào)線(xiàn))與地平面之間用一種電介質(zhì)隔離開(kāi)。印制導(dǎo)線(xiàn)的厚度、寬度、印制導(dǎo)線(xiàn)與地層的距離以與電介質(zhì)的介電常數(shù)決定了微帶線(xiàn)的特性阻

16、抗。如果線(xiàn)的厚度、寬度以與與地平面之間的距離是可控制的，則它的特性阻抗也是可以控制的。單位長(zhǎng)度微帶線(xiàn)的傳輸延遲時(shí)間，僅僅取決于介電常數(shù)而與線(xiàn)的寬度或間隔無(wú)關(guān)11。目前，微帶傳輸線(xiàn)可分為兩大類(lèi)：一類(lèi)是射頻/微波型號(hào)傳輸累的電子產(chǎn)品，這一類(lèi)產(chǎn)品與無(wú)線(xiàn)電的電磁波有關(guān)，它是以正弦波來(lái)傳輸信號(hào)的，如雷達(dá)、廣播電視和通信；另一類(lèi)是高速邏輯信號(hào)傳輸類(lèi)的電子產(chǎn)品，這一類(lèi)產(chǎn)品是以數(shù)字信號(hào)傳輸?shù)?，同樣也與電磁波的方法傳輸有關(guān)，這一類(lèi)產(chǎn)品開(kāi)始主要應(yīng)用在計(jì)算機(jī)等中，現(xiàn)在已迅速推廣應(yīng)用到家電和通信類(lèi)電子產(chǎn)品上了12。為了達(dá)到高速傳送，對(duì)微波印制板基板材料在電氣特性上有明確的要求。在提高高速傳送方面，要實(shí)現(xiàn)傳輸信號(hào)的低損

17、耗、低延遲，必須選用介電常數(shù)合適和介質(zhì)損耗角正切小的基板材料進(jìn)行嚴(yán)格的尺寸計(jì)算和加工。2.1.2 微帶線(xiàn)的結(jié)構(gòu)圖2-1常規(guī)微帶線(xiàn)截面圖如圖2-1是微帶線(xiàn)橫截面的結(jié)構(gòu)圖，相關(guān)設(shè)計(jì)參數(shù)如下：（1） 基板參數(shù)：基板介電常數(shù)r、基板介質(zhì)損耗角正切tan、基板高度H和導(dǎo)線(xiàn)厚度t。導(dǎo)帶和底板（接地板）金屬通常為銅、金、銀、錫或鋁。（2） 電特性參數(shù)：特性阻抗Z0、工作頻率f0、工作波長(zhǎng)0、波導(dǎo)波長(zhǎng)g和電長(zhǎng)度（角度）。（3） 微帶線(xiàn)參數(shù)：寬度W、長(zhǎng)度L和單位長(zhǎng)度衰減量AdB。構(gòu)成微帶的基板材料、微帶線(xiàn)尺寸與微帶線(xiàn)的電性能參數(shù)之間存在嚴(yán)格的對(duì)應(yīng)關(guān)系。微帶線(xiàn)的設(shè)計(jì)就是確定滿(mǎn)足一定電性能參數(shù)的微帶物理結(jié)構(gòu)13。2

18、.1.3 微帶線(xiàn)計(jì)算已知傳輸線(xiàn)的電特性參數(shù)（Z0、），求微帶線(xiàn)的物理結(jié)構(gòu)參數(shù)（W、L、AdB）。解：（2-1）（2-2） （2-3）其中： （2-4） （2-5） （2-6） （2-7） （2-8） （2-9）已知微帶線(xiàn)的物理結(jié)構(gòu)參數(shù)（W、L、AdB），求電特性參數(shù)（Z0、）。解：（2-10） （2-11） （2-12）2.1.4 微帶線(xiàn)常用材料構(gòu)成微帶線(xiàn)的材料就是金屬和介質(zhì)，對(duì)于金屬的要導(dǎo)電性能，對(duì)于介質(zhì)的要提供合適的介電常數(shù)，而不帶來(lái)?yè)p耗。當(dāng)然，這是理想情況下，對(duì)材料的要求還與制造成本和系統(tǒng)性能有關(guān)。1）介質(zhì)材料高速傳送信號(hào)的基板材料一般有瓷材料、玻纖布、聚四氟乙烯、其他熱固性樹(shù)脂等。表2

19、-1給出了微波集成電路中常用介質(zhì)材料的特性。就微帶加工工藝而言，這些材料有兩種實(shí)現(xiàn)方式：（1）在基片上沉淀金屬導(dǎo)帶，這類(lèi)材料主要是瓷類(lèi)剛性材料。這種方法工藝復(fù)雜，加工周期長(zhǎng)，性能指標(biāo)好，在毫米波或要求高的場(chǎng)合使用。（2）在現(xiàn)成介質(zhì)覆銅板上光刻腐蝕成印制板電路，這類(lèi)材料主要是復(fù)合介質(zhì)類(lèi)材料。這種方法加工方便，成本低，是目前使用最廣泛的方法，又稱(chēng)為微波印制板電路。在所有的樹(shù)脂中，聚四氟乙烯的介電常數(shù)r穩(wěn)定，介質(zhì)損耗角正切最小，而且耐高低溫性和耐老化性能好，最適合于作高頻基板材料，是目前采用量最大的微波印制板制造基板材料。2）銅箔種類(lèi)與厚度選擇目前最常用的銅箔厚度有35m和18m兩種。銅箔越薄，越易

20、獲得高的圖形精密度，所以高精密度的微波圖形應(yīng)選用不大于18m的銅箔。如果選用35m的銅箔，則過(guò)高的圖形精度使工藝性變差，不合格品率必然增加。研究表明，銅箔類(lèi)型對(duì)圖形精度亦有影響。目前的銅箔類(lèi)型有壓延銅箔和電解銅箔兩類(lèi)。壓延銅箔較電解銅箔更適合于制造高精密圖形，所以在材料訂貨時(shí)，可以考慮選擇壓延銅箔的基材板。表2-1 微波集成電路中常用介質(zhì)材料的特性材料損耗角正切（10GHz時(shí)）相對(duì)介電常數(shù)電導(dǎo)率應(yīng)用氧化鋁瓷99.5%96%85%261510980.300.280.20微帶線(xiàn)藍(lán)寶石1100.40微帶線(xiàn)，集總參數(shù)元件玻璃2050.01微帶線(xiàn)，集總參數(shù)元件熔石英140.01微帶線(xiàn)，集總參數(shù)元件氧化玻

21、172.50微帶線(xiàn)復(fù)合介質(zhì)基片金紅石41000.02微帶線(xiàn)鐵氧體2140.03微帶線(xiàn)，不可逆元件聚四氟乙烯152.5微帶線(xiàn)3）環(huán)境適應(yīng)性選擇現(xiàn)有的微波基材，對(duì)于標(biāo)準(zhǔn)要求的-55+125環(huán)境溫度圍都沒(méi)有問(wèn)題。但還應(yīng)考慮兩點(diǎn)，一是孔化與否對(duì)基材選擇的影響，對(duì)于要求通孔金屬化的微波板，基材z軸熱膨脹系數(shù)越大，意味著在高低溫沖擊下，金屬化孔斷裂的可能性越大，因而在滿(mǎn)足介電性能的前提下，應(yīng)盡可能的選擇z軸熱膨脹系數(shù)小的基材；二是適度對(duì)基材板選擇的影響，基材樹(shù)脂本身吸水性很小，但加入增強(qiáng)材料后，其整體的吸水性增大，在高溫環(huán)境下使用時(shí)會(huì)對(duì)介電性能產(chǎn)生影響，因而選材時(shí)應(yīng)選擇吸水性小的基材或采取結(jié)構(gòu)工藝上的措施

22、進(jìn)行保護(hù)。2.2 功分器2.2.1 功率分配器定義在射頻/微波電路中，為了將功率按一定的比例分成兩路或多路，需要使用功率分配器（簡(jiǎn)稱(chēng)功分器）。在近代射頻/微波大功率固態(tài)發(fā)射源的功率放大器中廣泛地使用著功率分配器。功率分配器的技術(shù)指標(biāo)包括頻率圍、承受功率、主路到支路的分配損耗、輸入輸出間的插入損耗。支路端口間的隔離度、每個(gè)端口的電壓駐波比等。（1） 頻率圍。這是各種射頻/微波電路的工作前提，功率分配器的設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)與工作頻率密切相關(guān)。必須首先明確分配器的工作頻率，才能進(jìn)行下面的設(shè)計(jì)。（2） 承受功率。在大功率分配器/合成器中，電路元件所能承受的最大功率是核心指標(biāo)，它決定了采用什么形式的傳輸線(xiàn)才能實(shí)現(xiàn)

23、設(shè)計(jì)任務(wù)。一般地，傳輸線(xiàn)承受功率由小到大的次序是微帶線(xiàn)、帶狀線(xiàn)、同軸線(xiàn)、空氣帶狀線(xiàn)、空氣同軸線(xiàn)，要根據(jù)設(shè)計(jì)任務(wù)來(lái)選擇用何種傳輸線(xiàn)。（3） 分配損耗。主路到支路的分配損耗實(shí)質(zhì)上與功率分配器的功率分配比有關(guān)。如兩等分功率分配器的分配損耗是3dB，四等分功率分配器的分配損耗是6dB。定義： （2-13）式中 （2-14）（4） 插入損耗。輸入輸出間的插入損耗是由于傳輸線(xiàn)（如微帶線(xiàn)）的介質(zhì)或?qū)w不理想等因素，考慮輸入端的駐波比所帶來(lái)的損耗。定義 （2-15）其中，A是實(shí)際測(cè)量值。在其他支路端口接入匹配負(fù)載，測(cè)量主路到某一支路間的傳輸損耗?？梢韵胂螅珹是理想值就是Ad。在功率分配器的實(shí)際工作中，幾乎都是

24、用A作為研究對(duì)象。（5） 隔離度。支路端口間的隔離度是功率分配器的另一個(gè)重要指標(biāo)。如果從每個(gè)支路端口輸入功率只能從主路端口輸出，而不應(yīng)該從其他支路輸出，這就要求支路之間有足夠的隔離度。在主路和其他支路都接匹配負(fù)載的情況下，i口和j口的隔離度定義為 （2-16）隔離度的測(cè)量也可按照這個(gè)定義進(jìn)行。（6）駐波比。每個(gè)端口的電壓駐波比越小越好。2.2.2 功率分配器的工作原理一分為二功率分配器是三端口網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，如圖2-2所示。圖2-2 功率分配器示意圖信號(hào)輸入端的功率為P1，而其他兩個(gè)輸出端口的功率分別為P2和P3。由能量守恒定律可知P1= P2+ P3。如果P2（dBm）= P3（dBm），三端功率

25、間的關(guān)系可寫(xiě)成P2（dBm）= P3（dBm） =Pin（dBm）-3dB（2-17）當(dāng)然，P2并不一定要等于P3，只是相等的情況在實(shí)際電路中最常用。因此，功率分配器可分為等分型（P2= P3）和比例型（P2= kP3）兩種類(lèi)型。2.2.3 微帶線(xiàn)功率分配器功率分配器/合成器有兩路和多路或三路情況下。（1） 兩路功率分配器如圖2-3是兩路微帶線(xiàn)威爾金森功率分配器示意圖。圖2-3 威爾金森功率分配器示意圖這是一個(gè)功率分配器，Z0是特性阻抗，g是信號(hào)的波導(dǎo)波長(zhǎng)，R是隔離電阻。當(dāng)信號(hào)從左端一號(hào)端口輸入時(shí)，功率從二號(hào)端口和三號(hào)端口等功率輸出。如果有必要，輸出功率可按一定比例分配，并保持電壓同相，電阻R

26、上無(wú)電流，不吸收功率。若二號(hào)端口或三號(hào)端口有失配，則反射功率通過(guò)分支叉口和電阻兩路到達(dá)另一支路的電壓等幅反相而抵消，在此點(diǎn)沒(méi)有輸出，從而可保證兩輸出端有良好的隔離?？紤]一般情況（比例分配輸入功率）下，設(shè)三號(hào)端口P3和二號(hào)端口P2的輸出功率比為k2，即 (2-18)由于一號(hào)端口到二號(hào)端口與一號(hào)端口到三號(hào)端口的線(xiàn)長(zhǎng)度相等，故二號(hào)端口的電壓U2與三號(hào)端口的電壓U3相等，即U2= U3。二號(hào)端口與三號(hào)端口的輸出功率與電壓的關(guān)系為 (2-19)將上式代入（2-18），得 （2-20）即 （2-21）式中，Z2、Z3為二號(hào)端口和三號(hào)端口的輸入阻抗，若選 （2-22）則可以滿(mǎn)足式（2-21）。為了保證一號(hào)端

27、口匹配，應(yīng)有 （2-23）同時(shí)考慮到 (2-24）則 (2-25）所以 （2-26）為了實(shí)現(xiàn)二號(hào)端口和三號(hào)端口的隔離，即二號(hào)端口或三號(hào)端口的反射波不會(huì)進(jìn)入三號(hào)端口或者二號(hào)端口，可選 （2-27）在等功率分配的情況下，即在P2=P3，k=1，于是 (2-28）3 總體設(shè)計(jì)對(duì)于不等分功率分配器的每一路功率是不相等的，但是依然可以根據(jù)上面的分配原理進(jìn)行計(jì)算，只是由于功率的不等分引起了阻抗的不相等，我們可以根據(jù)每一路的功率比計(jì)算出阻抗比，從而通過(guò)阻抗變換節(jié)對(duì)每一路進(jìn)行阻抗匹配。解決了不等分的分配后，其他的隔離原理等計(jì)算方法同等功率分配器的完全一樣。對(duì)于微帶功率分配器我們常用的是功率等分的功率分配器，有

28、很多軟件對(duì)于功率分配器的仿真都是可以的，常用的有ESSOF，ADS，Microwave Office等，由于軟件仿真的結(jié)果是理想化的，所以插入損耗與實(shí)際的差別由于電阻接頭等引的誤差是不可避免的，一般情況是由實(shí)際材料等決定的。而對(duì)于各個(gè)端口的回波損耗與隔離度，ESSOF，Microwave Office的仿真結(jié)果很接近。本次設(shè)計(jì)使用ADS軟件進(jìn)行設(shè)計(jì)仿真，通過(guò)2009ADS軟件仿真兩個(gè)一分二不等分微帶功分器，功分器的比例分別為1:2和3:4。使用ADS選擇Wilkinson功分器進(jìn)行設(shè)計(jì)，按照需要的比例對(duì)Wilkinson功分器進(jìn)行調(diào)試，選擇好中心頻率和板材，通過(guò)調(diào)試Wilkinson功分器，使

29、其達(dá)到我所需要的頻率。最后經(jīng)過(guò)計(jì)算機(jī)分析，記錄數(shù)據(jù)，得出結(jié)論。4 軟件設(shè)計(jì)4.1 ADS軟件 4.1.1 ADS軟件介紹先進(jìn)設(shè)計(jì)系統(tǒng)(Advanced Design System)，簡(jiǎn)稱(chēng)ADS，是安捷倫科技(Agilent)為適應(yīng)競(jìng)爭(zhēng)形勢(shì)，為了高效的進(jìn)行產(chǎn)品研發(fā)生產(chǎn)，而設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)的一款EDA軟件。軟件迅速成為工業(yè)設(shè)計(jì)領(lǐng)域EDA軟件的佼佼者，因其強(qiáng)大的功能、豐富的模板支持和高效準(zhǔn)確的仿真能力（尤其在射頻微波領(lǐng)域），而得到了廣大IC設(shè)計(jì)工作者的支持。 ADS是高頻設(shè)計(jì)的工業(yè)領(lǐng)袖。它支持系統(tǒng)和射頻設(shè)計(jì)師開(kāi)發(fā)所有類(lèi)型的射頻設(shè)計(jì)，從簡(jiǎn)單到最復(fù)雜，從射頻微波模塊到用于通信和航空航天國(guó)防的MMIC。 通過(guò)從頻

30、域和時(shí)域電路仿真到電磁場(chǎng)仿真的全套仿真技術(shù)，ADS讓設(shè)計(jì)師全面表征和優(yōu)化設(shè)計(jì)。單一的集成設(shè)計(jì)環(huán)境提供系統(tǒng)和電路仿真器，以與電路圖捕獲、布局和驗(yàn)證能力 因此不需要在設(shè)計(jì)中停下來(lái)更換設(shè)計(jì)工具。 先進(jìn)設(shè)計(jì)系統(tǒng)是強(qiáng)大的電子設(shè)計(jì)自動(dòng)化軟件系統(tǒng)。它為蜂窩和便攜、尋呼機(jī)、無(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò)，以與雷達(dá)和衛(wèi)星通信系統(tǒng)這類(lèi)產(chǎn)品的設(shè)計(jì)師提供完全的設(shè)計(jì)集成。 ADS電子設(shè)計(jì)自動(dòng)化功能十分強(qiáng)大，包含時(shí)域電路仿真 (SPICE-like Simulation)、頻域電路仿真 (Harmonic Balance、Linear Analysis)、三維電磁仿真 (EM Simulation)、通信系統(tǒng)仿真(Communication

31、System Simulation)、數(shù)字信號(hào)處理仿真設(shè)計(jì)（DSP）；ADS支持射頻和系統(tǒng)設(shè)計(jì)工程師開(kāi)發(fā)所有類(lèi)型的RF設(shè)計(jì)，從簡(jiǎn)單到復(fù)雜，從離散的射頻/微波模塊到用于通信和航天/國(guó)防的集成MMIC，是當(dāng)今國(guó)各大學(xué)和研究所使用最多的微波/射頻電路和通信系統(tǒng)仿真軟件軟件。 此外Agilent公司和多家半導(dǎo)體廠商合作建立ADS Design Kit 與 Model File供設(shè)計(jì)人員使用。使用者可以利用Design Kit 與軟件仿真功能進(jìn)行通信系統(tǒng)的設(shè)計(jì)、規(guī)劃與評(píng)估，與MMIC/RFIC、模擬與數(shù)字電路設(shè)計(jì)。除上述仿真設(shè)計(jì)功能外，ADS軟件也提供輔助設(shè)計(jì)功能，如Design Guide是以例與指令

32、方式示電路或系統(tǒng)的設(shè)計(jì)流程，而Simulation Wizard是以步驟式界面進(jìn)行電路設(shè)計(jì)與分析。ADS還能提供與其他EDA軟件，如SPICE、Mentor Graphics的ModelSim、Cadence的NC-Verilog、Mathworks的Matlab等做協(xié)仿真（Co-Simulation），加上豐富的元件應(yīng)用模型Library與測(cè)量/驗(yàn)證儀器間的連接功能，將能增加電路與系統(tǒng)設(shè)計(jì)的方便性、速度與精確性。 4.1.2 ADS仿真分析（1）高頻SPICE分析和卷積分析（Convolution） 高頻SPICE分析方法提供如SPICE仿真器般的瞬態(tài)分析，可分析線(xiàn)性與非線(xiàn)性電路的瞬態(tài)效應(yīng)。

33、在SPICE仿真器中，無(wú)法直接使用的頻域分析模型，如微帶線(xiàn)帶狀線(xiàn)等，可于高頻SPICE仿真器中直接使用，因?yàn)樵诜抡鏁r(shí)可于高頻SPICE仿真器會(huì)將頻域分析模型進(jìn)行拉式變換后進(jìn)行瞬態(tài)分析，而不需要使用者將該模型轉(zhuǎn)化為等效RLC電路。因此高頻SPICE除了可以做低頻電路的瞬態(tài)分析，也可以分析高頻電路的瞬態(tài)響應(yīng)。此外高頻SPICE也提供瞬態(tài)噪聲分析的功能，可以用來(lái)仿真電路的瞬態(tài)噪聲，如振蕩器或鎖相環(huán)。 卷積分析方法為架構(gòu)在SPICE高頻仿真器上的高級(jí)時(shí)域分析方法，藉由卷積分析可以更加準(zhǔn)確的用時(shí)域的方法分析于頻率相關(guān)的元件，如以S參數(shù)定義的元件、傳輸線(xiàn)、微帶線(xiàn)等。 （2）線(xiàn)性分析 線(xiàn)性分析為頻域的電路仿

34、真分析方法，可以將線(xiàn)性或非線(xiàn)性的射頻與微波電路做線(xiàn)性分析。當(dāng)進(jìn)行線(xiàn)性分析時(shí)，軟件會(huì)先針對(duì)電路中每個(gè)元件計(jì)算所需的線(xiàn)性參數(shù)，如S、Z、Y和H參數(shù)、電路阻抗、噪聲、反射系數(shù)、穩(wěn)定系數(shù)、增益或損耗等（若為非線(xiàn)性元件則計(jì)算其工作點(diǎn)之線(xiàn)性參數(shù)），在進(jìn)行整個(gè)電路的分析、仿真。 （3）電路包絡(luò)分析（Circuit Envelope） 電路包絡(luò)分析包含了時(shí)域與頻域的分析方法，可以使用于包含調(diào)頻信號(hào)的電路或通信系統(tǒng)中。電路包絡(luò)分析借鑒了SPICE與諧波平衡兩種仿真方法的優(yōu)點(diǎn)，將較低頻的調(diào)頻信號(hào)用時(shí)域SPICE仿真方法來(lái)分析，而較高頻的載波信號(hào)則以頻域的諧波平衡仿真方法進(jìn)行分析 （4） 射頻系統(tǒng)分析射頻系統(tǒng)分析方

35、法提供使用者模擬評(píng)估系統(tǒng)特性，其中系統(tǒng)的電路模型除可以使用行為級(jí)模型外，也可以使用元件電路模型進(jìn)行習(xí)用響應(yīng)驗(yàn)證。射頻系統(tǒng)仿真分析包含了上述的線(xiàn)性分析、諧波平衡分析和電路包絡(luò)分析，分別用來(lái)驗(yàn)證射頻系統(tǒng)的無(wú)源元件與線(xiàn)性化系統(tǒng)模型特性、非線(xiàn)性系統(tǒng)模型特性、具有數(shù)字調(diào)頻信號(hào)的系統(tǒng)特性。（5） 諧波平衡分析( Harmonic Balance) 諧波平衡分析提供頻域、穩(wěn)態(tài)、大信號(hào)的電路分析仿真方法，可以用來(lái)分析具有多頻輸入信號(hào)的非線(xiàn)性電路，得到非線(xiàn)性的電路響應(yīng)，如噪聲、功率壓縮點(diǎn)、諧波失真等。與時(shí)域的SPICE仿真分析相比較，諧波平衡對(duì)于非線(xiàn)性的電路分析，可以提供一個(gè)比較快速有效的分析方法。 諧波平衡分

36、析方法的出現(xiàn)填補(bǔ)了SPICE的瞬態(tài)響應(yīng)分析與線(xiàn)性S參數(shù)分析對(duì)具有多頻輸入信號(hào)的非線(xiàn)性電路仿真上的不足。尤其在現(xiàn)今的高頻通信系統(tǒng)中，大多包含了混頻電路結(jié)構(gòu)，使得諧波平衡分析方法的使用更加頻繁，也越趨重要。 另外針對(duì)高度非線(xiàn)性電路，ADS也提供了瞬態(tài)輔助諧波平衡(Transient Assistant HB)的仿真方法，在電路分析時(shí)先執(zhí)行瞬態(tài)分析，并將此瞬態(tài)分析的結(jié)果作為諧波平衡分析時(shí)的初始條件進(jìn)行電路仿真，藉由此種方法可以有效地解決在高度非線(xiàn)性的電路分析時(shí)會(huì)發(fā)生的不收斂情況。（6） 拖勒密分析（Ptolemy） 拖勒密分析方法具有可以仿真同時(shí)具有數(shù)字信號(hào)與模擬、高頻信號(hào)的混合模式系統(tǒng)能力。ADS

37、中分別提供了數(shù)字元件模型（如FIR濾波器、IIR濾波器，AND邏輯門(mén)、OR邏輯門(mén)等）、通信系統(tǒng)元件模型（如QAM調(diào)頻解調(diào)器、Raised Cosine濾波器等）與模擬高頻元件模型（如IQ編碼器、切比雪夫?yàn)V波器、混頻器等）可供使用。 （7）電磁仿真分析(Momentum) ADS軟件提供了一個(gè)2.5D的平面電磁仿真分析功能Momentum（ADS2005A版本Momentum已經(jīng)升級(jí)為3D電磁仿真器），可以用來(lái)仿真微帶線(xiàn)、帶狀線(xiàn)、共面波導(dǎo)等的電磁特性，天線(xiàn)的輻射特性，以與電路板上的寄生、耦合效應(yīng)。所分析的S參數(shù)結(jié)果可直接使用于諧波平衡和電路包絡(luò)等電路分析中，進(jìn)行電路設(shè)計(jì)與驗(yàn)證。在Momentum

38、電磁分析中提供兩種分析模式：Momentum微波模式即Momentum和Momentum射頻模式即Momentum RF；使用者可以根據(jù)電路的工作頻段和尺寸判斷、選擇使用。下面是我所通過(guò)ADS軟件制作比例為1:2和3:4兩個(gè)不等分微帶功分器。功率分配器的中心頻率為2.0GHz，板材是Rogers5880雙面板，介電常數(shù)為2.6。4.2 總體方案首先確定設(shè)計(jì)指標(biāo)：中心頻率為2.0GHz，分配比例為3:4和1:2，在進(jìn)行設(shè)計(jì)時(shí)主要以功分器的S參數(shù)作為優(yōu)化目標(biāo)進(jìn)行仿真優(yōu)化。S21、S31是傳輸參數(shù)，反應(yīng)傳輸損耗：S11、S22、S33分別是傳輸入口輸出端口的反射系數(shù)。S23反應(yīng)了兩個(gè)輸出端口之間的隔

39、離度。如圖4-1，經(jīng)過(guò)計(jì)算得出Z0、Z02、Z03、Z04、Z05、R。圖4-1微帶三端口功分器4.3 程序流程打開(kāi)2009ADS軟件，建立一個(gè)工程，然后打開(kāi)原理圖設(shè)計(jì)界面。由于2009ADS是有智能化模板，直接找到工程所需器件如圖4-2。圖4-2元器件對(duì)其進(jìn)行各項(xiàng)指數(shù)設(shè)置，設(shè)置成所需的比例，一個(gè)比例的K=0.75，另外一個(gè)的比例K=0.5。然后選擇控件MSub，分別將兩個(gè)元器件連接成電路如圖4-3、4-4。圖4-3比例為4:3電路功分器的工程總圖圖4-4比例為2:1電路功分器的工程總圖進(jìn)行對(duì)微帶電路參數(shù)MSub設(shè)置如圖4-5。圖4-5控件MSubH基板厚度（0.508mm）、Er基板相對(duì)介電

40、常數(shù)（2.6）、Mur磁導(dǎo)率（1）、Cond金屬電導(dǎo)率（1.0E+50）、Hu封裝高度（1.0e+33mm）、T金屬層厚度（0.03mm）、TanD損耗角正切（0）、Rough表面粗糙度（0mm）。設(shè)置完成以后，工具欄找到DesignGuide，然后點(diǎn)擊Passive Circuit彈出窗口如圖4-6。圖4-6Passive Circuit窗口點(diǎn)擊Passive Circuit Control Window，會(huì)顯示一個(gè)窗口如圖4-7圖4-7 窗口Passive Circuit DesignGuide把所需程序先進(jìn)行選中，然后點(diǎn)擊Design Assistant中的Design，完成之后再點(diǎn)擊S

41、imulation Assistant，設(shè)置好起始頻率為1GHz，終止頻率為3GHz，頻率間距是20MHz，然后點(diǎn)擊Simulate對(duì)工程進(jìn)行分析如圖4-8、4-9、4-10。圖4-8 各端口S參數(shù)隨頻率的變化圖4-9 S曲線(xiàn)隨頻率的變化圖4-10 S曲線(xiàn)隨頻率的變化如圖4-8、4-9、4-10所示，觀察S曲線(xiàn)的所顯示的數(shù)值，如果沒(méi)有達(dá)到預(yù)想的要求，就對(duì)其進(jìn)行優(yōu)化設(shè)置，直到得到滿(mǎn)意的參數(shù)為止。優(yōu)化完參數(shù)設(shè)置以后，生成原理圖4-11、4-12。圖4-11 比例為1:2不等分功分器的原理圖圖4-12 比例為3:4不等分功分器的原理圖仔細(xì)設(shè)置好各個(gè)參數(shù)，然后點(diǎn)擊工具欄中的Simulate按鈕就開(kāi)始進(jìn)

42、行優(yōu)化仿真了。S11用來(lái)設(shè)定輸入端口的反射系數(shù)，S22和S33用來(lái)設(shè)定輸出端口的反射系數(shù)，S21和S31用來(lái)設(shè)定功分器通帶的衰減情況，S23用來(lái)設(shè)定兩個(gè)輸出端口的隔離度。在優(yōu)化過(guò)程中會(huì)打開(kāi)一個(gè)狀態(tài)窗口顯示優(yōu)化結(jié)構(gòu)，其中的CurrentEF表示與優(yōu)化目標(biāo)的偏差，數(shù)值越小表示越接近優(yōu)化目標(biāo)，0表示達(dá)到了優(yōu)化目標(biāo)，然后保存優(yōu)化后的變量值。完成前面步驟以后點(diǎn)擊Simulate按鈕進(jìn)行仿真，反正結(jié)束以后會(huì)出現(xiàn)圖形顯示窗口。點(diǎn)擊左側(cè)工具欄中的按鈕，防止一個(gè)方框到圖形窗口中，這是彈出一個(gè)設(shè)置窗口，在窗口左側(cè)的列表里選擇S（1，2）和S（1，3）即S21的參數(shù)和S31的參數(shù)，點(diǎn)擊Add按鈕會(huì)彈出一個(gè)窗口設(shè)置單

43、位，點(diǎn)擊OK，圖形窗口中顯示出S21和S31隨頻率變化的曲線(xiàn)。為了精確讀取曲線(xiàn)上的值，可以添加Marker。接著點(diǎn)擊要添加Marker的曲線(xiàn)，曲線(xiàn)上出現(xiàn)一個(gè)倒三角的標(biāo)志，點(diǎn)擊拖動(dòng)此標(biāo)志，就可以看到曲線(xiàn)上各點(diǎn)的數(shù)值，如圖4-13、4-14、4-15、4-16、4-17、4-18。圖4-13比例為1:2不等分功分器的Mag分析圖圖4-14比例為3:4不等分功分器的Mag分析圖圖4-15為比例1:2不等分功分器的dB分析圖圖4-16為比例3:4不等分功分器的dB分析圖圖4-13、4-14、4-15、4-16，是幅度隨頻率變化而變化，其中標(biāo)示出來(lái)的正是我所要求的數(shù)值，經(jīng)過(guò)計(jì)算，數(shù)值基本吻合預(yù)期目標(biāo)。圖

44、4-17 比例1:2電路功分器的隔離度圖 4-18 比例3:4電路功分器的隔離度觀察各S參數(shù)曲線(xiàn)是否滿(mǎn)足指標(biāo)要求，如果達(dá)到指標(biāo)要求，可以進(jìn)行版圖的仿真了。如圖4-17、4-18所得出的參數(shù)數(shù)值顯示，隔離度基本滿(mǎn)足預(yù)期設(shè)想，符合制作版圖的要求。完成上述步驟以后就要將原理圖生成版圖，點(diǎn)擊菜單中的LayoutGenerate/Update Layout，彈出一個(gè)設(shè)置窗口，直接點(diǎn)擊OK就直接生成版圖，如圖4-19、4-20。圖4-19比例為1:2電路功分器的版圖圖4-20比例為3:4電路功分器的版圖5 制作與調(diào)試5.1 硬件電路圖5-1 制作實(shí)物圖圖5-2 調(diào)試平臺(tái)實(shí)物的制作和測(cè)試如圖5-1、5-2。

45、在完成的板子上，各焊接上一個(gè)貼片電阻（比例為1:2的焊接一個(gè)110，比例為3:4的焊接一個(gè)100）。然后再在每個(gè)端口焊接上SMA接頭。5.2 調(diào)試將完成以后的實(shí)物連接到矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀，三個(gè)端口都接上一個(gè)50的匹配負(fù)載，激勵(lì)從一號(hào)端口輸入，二號(hào)，三號(hào)端口無(wú)激勵(lì)，通過(guò)調(diào)節(jié)矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀，使其測(cè)量出我所需要的插入損耗圖5-3、5-4，駐波比5-5、5-6，隔離度5-7、5-8。圖5-3 比例為1:2電路功分器的插入損耗圖5-4比例為3:4電路功分器的插入損耗如圖5-3和5-4所示，是矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀，對(duì)實(shí)物進(jìn)行插入損耗的分析，分析結(jié)果顯示，數(shù)值基本滿(mǎn)足實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)所需求。圖5-5 比例為3:4電路功分器的駐波比圖5-6 比例為1:2電路功分器的駐波比如圖5-5、5-6所示，用矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀所測(cè)得的實(shí)物分析駐波比圖，誤差不大，基本滿(mǎn)足指標(biāo)。圖5-7 比例為1:2電路功分器的隔離度圖5-8 比例為3:4電路功分器的隔離度如圖5-7，5-8所示，使用矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀對(duì)實(shí)物的測(cè)試所得到的隔離度圖形與數(shù)值，