ads仿真軟件微帶型等分威爾金森功分器設(shè)計

摘要功率分配器是將功率按一定的比例分成兩路或者多路，反過來使用就是功率合成器，其在微波射頻電路如雷達系統(tǒng)、通信系統(tǒng)和遙感系統(tǒng)等中得到了廣泛的應(yīng)用。本論文中主要介紹了威爾金森功分器的應(yīng)用背景、其理論基礎(chǔ)的研究和分析，并介紹了微帶線的相關(guān)原理知識。本次設(shè)計主要是利用ADS仿真軟件設(shè)計一個微帶型等分威爾金森功分器，完成符合技術(shù)指標的原理圖和布局圖，優(yōu)化仿真得到其各端口的S參數(shù)，從而觀察其工作頻率、回波損耗、插入損耗和隔離度，并從中分析影響功分器性能的因素。關(guān)鍵詞：威爾金森功分器ADS仿真優(yōu)化AbstractPowerdividerisakindofthedeviceswhichcandividethepowerintotwoormultiplexedoutputpoweraccordingtoacertainratio.Itisusedaspowercombinerinturn.PowerdivideriswidelyusedinRFandmicrowavecircuitssuchasradar,communicationsystem,remotesensing,etc.ThepapermainlyintroducestheapplicationandtheoryoftheWilkinsonpowerdivider.What’smore,italsoanalyzesthebasicprincipleofthemicrostripline.ThisdesignismainlyusingADSsimulationsoftwaretodesignaWilkinsonpowerdivider,completingtheschematicandlayout,optimizingandsimulatingtheSparametersofeachport.ThenthroughtheSparameters,Iobserveitsworkingfrequency,returnloss,insertionlossandisolation,analyzingthefactorswhichinfluencetheperformanceofthepowerdivider.Keywords:WilkinsonpowerdividerADSsimulationoptimization1．緒論1.1論文研究的背景及意義隨著現(xiàn)代電子通信技術(shù)的迅速發(fā)展，信息的交流越來越頻繁，各種各樣的電子電氣設(shè)備已經(jīng)涉及到各個領(lǐng)域。從現(xiàn)有的射頻、微波應(yīng)用，可以看出這個飛速發(fā)展的領(lǐng)域具有很大的潛力，也將會成為未來許多應(yīng)用的富有成效的資源。而微波技術(shù)是近代電子技術(shù)的重要方向，它在國防、科研、國民經(jīng)濟等許多部門獲得了重要的應(yīng)用。微波的應(yīng)用主要在于作為信息載體的應(yīng)用和微波能的應(yīng)用兩個方面。微波技術(shù)的發(fā)展是和它的實際應(yīng)用緊密聯(lián)系的。上世紀40年代初，微波技術(shù)主要用于國防軍事部門；50年代以后，微波技術(shù)在廣播電視、雷達、通信、全球衛(wèi)星導(dǎo)航定位系統(tǒng)、電子對抗、空間技術(shù)、原子能研究、可控熱核反應(yīng)、遙控、遙測、遙感、射電天文、無損檢測、化學(xué)、生物學(xué)、醫(yī)學(xué)、工業(yè)、農(nóng)業(yè)以至食物烹調(diào)等行業(yè)獲得了廣泛的應(yīng)用。微波技術(shù)在不斷的滿足上述應(yīng)用中，得到了發(fā)展和完善。目前，就其微波的發(fā)展方向來看，工作頻段不斷向高頻段擴展；且微波元器件及整機設(shè)備不斷向小型化、寬頻帶發(fā)展；另外，微博系統(tǒng)也不斷向自動化、智能化和多功能化方向發(fā)展。無論電子工作設(shè)備處于哪個頻段，都需要各種功能的元器件，如電感、電容、功分器等無源器件，和各種有源器件共同作用，以實現(xiàn)信號匹配、分配、濾波等。在微波系統(tǒng)中，各種無源、有源器件的功能是將微波信號進行處理或者變換。功率分配器廣泛在雷達、微波通信和電子偵測等系統(tǒng)中應(yīng)用。現(xiàn)代無源器件中，微帶型的功分器越趨重要。在大功率發(fā)射系統(tǒng)中，如果將功分器多路信號反轉(zhuǎn)過來合成一路信號，就是合成器，合成器深深的影響著整個系統(tǒng)的性能。在微波射頻電路中，威爾金森功分器應(yīng)用極為廣泛，它的性能好壞直接影響所構(gòu)成微波器件的功能和特性。本文介紹了功分器在電子通信領(lǐng)域的重要地位及其廣泛應(yīng)用。另外，還介紹了威爾金森功分器和微帶線，且利用ADS2008仿真軟件進行仿真優(yōu)化，并對影響功分器的因素進行了分析。本次微帶型等分威爾金森功分器設(shè)計的主要工作包括以下幾個部分：瀏覽網(wǎng)絡(luò)和查閱相關(guān)書籍，了解功分器的相關(guān)基本原理；根據(jù)微帶型等分威爾金森功分器的設(shè)計指標，利用ADS進行功分器原理圖的設(shè)計、仿真與優(yōu)化；進一步進行版圖矩量法電磁仿真。本論文首先介紹微帶型等分威爾金森功分器的研究背景及意義；再介紹微帶型等分威爾金森功分器的工作原理和基本性能指標，如隔離度、插入損耗和回波損耗等。然后介紹微帶線的結(jié)構(gòu)和主要參數(shù)。最后在ADS2008仿真軟件的基礎(chǔ)上設(shè)計優(yōu)化微帶型等分威爾金森功分器，并分析影響威爾金森功分器性能的因素。最后總結(jié)本次設(shè)計的實驗仿真優(yōu)化過程和設(shè)計成果，并在此基礎(chǔ)上提出本論文的不足之處并對今后的進一步的研究方向做出展望。2.威爾金森功率分配器2.1功分器的介紹功分器全稱功率分配器，英文名為Powerdivider，其在一定的頻率范圍內(nèi)輸出功率按一定的比例進行分配。它也可反過來成為功率合成器，即將多路信號能量合成一路輸出。功分器應(yīng)保證各個輸入輸出端口之間的匹配，并且保證各個輸出端口之間相互隔離，以及傳輸損耗小。功率分配器的參數(shù)指標包括插入損耗、隔離度、回波損耗等。而威爾金森功分器是寬頻帶、有輸出隔離、同相輸出、輸出損耗小、結(jié)構(gòu)簡單及有集總參數(shù)元件的功分器。2.2功分器的結(jié)構(gòu)2.2.1三端口功率分配器三端口功率分配器的結(jié)構(gòu)如下圖所示，它是在微帶線T型接頭的基礎(chǔ)上發(fā)展起來的，結(jié)構(gòu)比較緊湊，并可以提供任意的功率比。信號由端口1輸入，輸入端口的傳輸線特性阻抗為，經(jīng)過特性阻抗為、的兩段傳輸線由2、3兩個端口輸出。2、3兩個端口所接負載為、。特性阻抗為、的兩段傳輸線的長度是微分之一波長。R為隔離電阻，其作用是保證兩個輸出端口具有良好的隔離度。2.2.2工作原理功分器屬于無源微波器件，應(yīng)用于功率的分配與合成。（2）功分器通常采用三端口網(wǎng)絡(luò)，常用3dB等分形式。（3）將輸入信號按比例分配到各個輸出端口，并在輸出端口保持相同的輸出相位。（4）端口2、端口3輸出功率比值為規(guī)定的比值。在中心頻率上，四分之一傳輸線的輸入阻抗為[1]：為了滿足條件（1），要求[1]為了滿足條件（2）應(yīng)當使[1]上式中的k是兩個輸出端口功率分配比。最后，為了滿足條件（3），要求[1]：以上條件中有四個未知參數(shù)、，、，在設(shè)計過程中，可以任意選定一個參量，以增加設(shè)計的靈活性。選取[1]其它參量則由以上公式可分別求得于是有在實際中，輸出負載經(jīng)常也是。為了使負載與、相匹配，需要各加一段四分之一波長的阻抗變換器。阻抗變換器的特性阻抗由下式確定[1]：如果三端口功率分配器是一個等功率分配器，k=1，則有：電路中隔離電阻的作用是，當三端口網(wǎng)絡(luò)作為功率分配器工作的時候，在滿足以上三個條件的基礎(chǔ)上，隔離電阻沒有電流通過，此時兩個端口之間處于開路狀態(tài)。但是，當兩個端口稍有失配的時候，隔離電阻可以吸收反射回來的功率，以保證輸出端口具有良好的隔離性。2.3威爾金森功率分配器2.3.1威爾金森功分器結(jié)構(gòu)下圖[2]為傳輸線結(jié)構(gòu)及采用微帶線制作的威爾金森功分器。其中，輸入端口特性阻抗為；兩段分支微帶線電長度為，特性阻抗分別為和，終端分別接負載和。另外，端口1無反射；端口2和端口3輸出電壓相等且相同。端口2和端口3輸出功率比為任意指定值，通常為功率等分。為增加端口2與端口3的隔離度，在它們之間加入隔離電阻R。其中：端口1沒有反射輸出；兩個輸出端口的輸出電壓相等；兩個輸出端口的輸出功率等于規(guī)定的比值，通常為功率等分；在端口2和端口3之間加入的隔離電阻增加了隔離度。此類三端口網(wǎng)絡(luò)用矩陣表示的S參量矩陣為[2]其特性參數(shù)包括端口1和端口2的反射損耗[2]：端口1和端口2之間的耦合系數(shù)為[2]端口2和端口3之間的隔離度為[2]下圖[2]給出了，和的典型頻率反應(yīng)，中心頻率為2.3.2威爾金森功分器基本指標1、頻率范圍：平率方位是指各種射頻和微波電路工作的前提，功率分配器的設(shè)計結(jié)構(gòu)和尺寸大小與工作平率密切相關(guān)，必須首先明確功率分配器的工作頻率，才能進行具體的設(shè)計工作。2、輸出端口間的隔離度：端口2和端口3為相互隔離端口，在理想情況下，隔離端口間沒有相互輸出的功率，但由于設(shè)計及制作精度的限制，使隔離端口間仍存在一些功率輸出，端口2到端口3的隔離度定義為：當功率分配器兩個支路的結(jié)構(gòu)完全對稱時，散射參量，式（2-14）中的隔離度也可以用定義。3、兩個支路的功分比：兩個支路的功分比即為功率分配器兩個支路的功率分配比，可用散射參量和表示功分比，其表達式為：當功率分配器是兩等分輸出時，,功率分配器的功分比是1。4、相位平衡度在功率合成應(yīng)用中，輸出端口相位平衡度直接影響功率合成效率，即要求各個輸出端口信號相位一致。5、輸入端口回波損耗：輸入端口1的反射功率與輸入功率之比[3]6、插入損耗：輸出端口的插入損耗根據(jù)輸出端口的輸出功率與輸入端口1的輸入功率來計算[3]7、每個端口的電壓駐波比或反射系數(shù)：端口的電壓駐波比或反射系數(shù)是射頻和微波電路的一個重要指標，它反映了端口的匹配狀況。端口1、端口2和端口3的電壓駐波比或反射系數(shù)，分別由散射參量、和決定。其中端口1的電壓駐波比為[3]：用分貝表示的端口1的反射系數(shù)為：用同樣的方法可以求出端口2和端口3的電壓駐波比和反射系數(shù)。功率分配器3個端口的理想工作狀態(tài)是匹配，因此希望每個端口的電壓駐波比越小越好（最小值是1），每個端口的反射系數(shù)模值越小越好（最小值為0，若用分貝表示，最小值為）。8、輸入輸出間的傳輸損耗。輸入輸出間的傳輸損耗是由于傳輸線的介質(zhì)或?qū)w不理想等因素導(dǎo)致的，介質(zhì)的損耗角正切和導(dǎo)體的電導(dǎo)率是形成損耗的原因。9、承受功率。承受功率是指在大功率時，功率分配器和功率合成器中電路元件所能承受的最大功率。3.微帶傳輸線3.1微帶線的介紹所有平面?zhèn)鬏斁€中，在微波平面電路技術(shù)中應(yīng)用最廣泛、最重要的當數(shù)微帶線。它是一種帶狀導(dǎo)線，由介質(zhì)基片、導(dǎo)體板和導(dǎo)體帶構(gòu)成。微帶線的幾何結(jié)構(gòu)并不復(fù)雜，其中，用電介質(zhì)將與地平面之間的一面隔離開，而將另一面直接暴露在空氣里。它屬于微波傳輸線，普遍應(yīng)用于微波平面電路設(shè)計和微波集成電路（MIC）技術(shù)中。由于微帶線采用印制電路技術(shù)且制作簡單，又便于集總元器件的放置和連接，使其應(yīng)用遠遠廣于其他類型的平面?zhèn)鬏斁€。由于對場的傳播而言，微帶線為開放結(jié)構(gòu)，所以并非所有電場或磁場均被限制在微帶線結(jié)構(gòu)內(nèi)部。由于存在微小的軸向E場，因此微帶線中傳播的不是單純的TEM模波，而是準TEM模波[5]。微帶線的結(jié)構(gòu)如下圖所示[2]。它是由厚度為t、寬度為w的導(dǎo)帶與接地板構(gòu)成，其間填充有厚度為h的介質(zhì)基片。3.2微帶線的主要參數(shù)作為一級近似，假定構(gòu)成微帶線的導(dǎo)體的厚度t與基片厚度h相比可忽略。在這種情況下，能夠利用經(jīng)驗公式，它們只與微帶線結(jié)構(gòu)（w和h）及介電常數(shù)有關(guān)。對于窄的微帶線，其特性阻抗為[2]其中，是在自由空間的波阻抗，是由下式給出的等效介電常數(shù)[2]：對于寬的微帶線，必須才用不同的特性阻抗表示式[2]：其中，必須注意，由上述給出的特性阻抗只是近似值，而且在的取值范圍內(nèi)不是連續(xù)的函數(shù)。特別是，當時，計算出的特性阻抗有點不連續(xù)，由于不連續(xù)引起的誤差小于0.5%，仍然可利用上述表達式計算出為微帶線的特性阻抗及等效介電常數(shù)，如下圖所示[2]。在前面公式中，等效介電常數(shù)被視為充滿微帶線周圍空間的均勻介質(zhì)的介電常數(shù)，還均勻介質(zhì)替代了介質(zhì)基片和周圍的空氣。用等效介電常數(shù)的概念能計算微帶線的相速度，由此可導(dǎo)出波長的表達式：與以前一樣，此處c是光速，f是工作頻率，是電磁波在自由空間的波長。為了實現(xiàn)目標，我們希望有一個關(guān)系式，用于根據(jù)給定的特性阻抗和基片的介電常數(shù)計算值。假定微帶線的導(dǎo)體無限薄，對于，可得[2]其中系數(shù)A為[2]對于，可得[2]其中系數(shù)B為[2]3.31/4波長阻抗變換器波長阻抗變換器是一種常用的阻抗變換與匹配結(jié)構(gòu)。對于純阻性負載,其輸入阻抗為純阻抗,取,完成了從到的變換,如下圖所示[3]。若終端負載具有任意阻抗,可采用兩種用1/4波長阻抗變換器完成到變換的方案。圖8[3]所示的方案是在終端負載處并聯(lián)一段特性導(dǎo)納為、長度合適的終端短路（或開路）支線，用于抵消負載中的電抗部分，從而使等效的負載變成純阻性負載。設(shè)與對應(yīng)的負載導(dǎo)納為,則支線長度應(yīng)使,這時。圖9[3]所示的方案是在負載和1/4波長阻抗變換器之間串聯(lián)一段特性阻抗為、長度合適的傳輸線，使1/4波長阻抗變換器的等效負載，即自支線始端向負載方向看去的輸入阻抗為純電阻性，設(shè)，則支線長度，應(yīng)使，即可實現(xiàn)要求的阻抗變換，這一線段也稱為相移線段。4.等分威爾金森功分器設(shè)計4.1ADS簡介本次設(shè)計主要運用ADS2008軟件來進行優(yōu)化仿真。ADS，全稱“先進設(shè)計系統(tǒng)”（AdvancedDesignSystem)，是一款由Agilent公司為適應(yīng)競爭形勢，而高效進行研發(fā)生產(chǎn)的EDA軟件。這款軟件因其擁有強大的功能，支持所有類型的射頻電路設(shè)計，包括時域電路設(shè)計、頻域電路設(shè)計、電路布局圖設(shè)計和通信系統(tǒng)設(shè)計，同時提供各種電路的時域仿真分析、頻域仿真分析和電磁仿真分析，并可以與其他EDA軟件進行連接。在原理圖設(shè)計中，ADS不僅提供了從無源到有源、從器件到系統(tǒng)的設(shè)計面板，而且提供設(shè)計工具、設(shè)計向?qū)Ш驮O(shè)計指南等，原理圖設(shè)計可以在數(shù)據(jù)顯示視窗看到仿真結(jié)果。ADS仿真速度極快，且擁有和主流3D電磁仿真軟件的精度，從而迅速在工業(yè)設(shè)計領(lǐng)域EDA軟件中占盡風頭。無論從簡單到最復(fù)雜，還是從微波模塊到MMIC，ADS都有著不可替代的作用。其中，ADSMomentum是簡化3D的2.5D電磁場仿真器，對于第三維度上的均勻變化的結(jié)構(gòu)仿真非常適用，如無源板級器件設(shè)計、PCB板級設(shè)計、LTCC和RFIC/MMIC等。ADS是一種強大的電子設(shè)計自動化軟件系統(tǒng)。它因為能夠提供完全的設(shè)計集成，因而非常適合蜂窩和便攜、尋呼機、無線網(wǎng)絡(luò)，以及雷達和衛(wèi)星通信系統(tǒng)這類產(chǎn)品的設(shè)計師。ADS電子設(shè)計自動化功能包含時域電路仿真(SPICE-likeSimulation)、頻域電路仿真(HarmonicBalance、LinearAnalysis)、三維電磁仿真(EMSimulation)、通信系統(tǒng)仿真(CommunicationSystemSimulation)、數(shù)字信號處理仿真設(shè)計（DSP），其非常強大。ADS是當今國內(nèi)各領(lǐng)域使用最廣泛的微波射頻電路和通信系統(tǒng)仿真軟件。它從簡單到復(fù)雜，從離散的射頻微波模塊到用于通信和航天國防的集成MMIC，都支持射頻和系統(tǒng)設(shè)計工程師開發(fā)所有類型的RF設(shè)計。此外Agilent公司和多家半導(dǎo)體廠商合作，建立并提供設(shè)計人員使用最新的ADSDesignKit及ModelFile。使用者可以利用DesignKit及軟件仿真功能進行通信系統(tǒng)的設(shè)計、規(guī)劃與評估，及MMIC/RFIC、模擬與數(shù)字電路設(shè)計，并能在第一時間獲得最新的設(shè)計資源。Agilent公司還利用其他軟件無法比擬的優(yōu)勢，除上述仿真設(shè)計功能外，ADS軟件也提供了一些其他的輔助設(shè)計功能，如DesignGuide，它是以范例及指令方式示范電路或系統(tǒng)的設(shè)計流程；而SimulationWizard卻是以步驟式的界面進行電路設(shè)計與分析。Agilent公司在2008軟件的版本中添加了3D電磁場仿真器（EMDS），其是以有限元算法（FiniteElementMethod）做基礎(chǔ)的，使得軟件的3D仿真能力得到了大大的提高[4]。4.2ADS軟件的仿真設(shè)計分析法ADS軟件可以進行電路的模擬，并完成射頻微波電路和通信系統(tǒng)的設(shè)計，可以提供S參數(shù)仿真、諧波平衡仿真、電路包絡(luò)仿真、瞬態(tài)仿真、和電磁仿真等分析方法。以下是ADS的一些分析和仿真方法[4]：（1）高頻SPICE分析和卷積分析（Convolution）高頻SPICE分析方法可以用瞬態(tài)分析來分析線性與非線性電路的瞬態(tài)效應(yīng)。微帶線、帶狀線等在高頻SPICE仿真器中可以直接被使用頻域分析模型，因為在仿真時，高頻SPICE仿真器會直接將頻域分析模型進行拉普拉斯變換，再進行瞬態(tài)分析，而無需將其變換成等效RLC電路。因此無論是低頻電路還是高頻電路的瞬態(tài)分析，都可以使用高頻SPICE分析方法。高頻SPICE還擁有瞬態(tài)噪聲分析的功能，使得振蕩器或鎖相環(huán)抖動等這些電路的瞬態(tài)噪聲可以直接被仿真出來。卷積分析方法是高級時域分析方法，其是基于SPICE高頻仿真器。其核心卷積分析，使得在分析頻率相關(guān)的元件如傳輸線、微帶線等時變得更加精確。（2）線性分析線性分析，是一種對線性或非線性的射頻微波電路進行線性分析的頻域、小信號電路仿真分析方法。當進行線性分析時，軟件會首先計算出電路中各元件所需的線性參數(shù)，如S、Z、Y和H參數(shù)、噪聲、電路阻抗、穩(wěn)定系數(shù)、反射系數(shù)、增益或噪聲等，再分析和仿真整個電路，從而得到與線性電路的幅頻、相頻等。（3）諧波平衡分析諧波平衡分析提供穩(wěn)態(tài)、頻域、非線性、大信號的電路分析仿真方法，可以用來分析具有多頻輸入信號的非線性電路，從而得到如功率壓縮點、噪聲、諧波失真等參數(shù)。諧波平衡分析與時域的SPICE仿真分析相比，它可以快速有效地分析非線性電路。線性S參數(shù)分析與SPICE的瞬態(tài)響應(yīng)分析方法在具有多頻輸入信號的非線性電路仿真上存有一些不足，而諧波平衡分析方法恰恰能彌補它們的不足之處。尤其諧波平衡分析方法在現(xiàn)今包含了混頻電路結(jié)構(gòu)的高頻通信系統(tǒng)中，使用越趨頻繁、越趨重要。（4）電路包絡(luò)分析（CircuitEnvelope）電路包絡(luò)分析可以分解成時域和頻域兩個部分來處理高頻調(diào)制信號，并且能夠快速全面的分析數(shù)字調(diào)制射頻信號。借鑒了諧波平衡與SPICE這兩種仿真方法的優(yōu)點，電路包絡(luò)分析用時域SPICE仿真方法來分析較低頻的調(diào)頻信號，而用頻域的諧波平衡仿真方法來分析較高頻的載波信號，這樣的處理就能大大的提高了仿真器的速度和效率。（5）射頻系統(tǒng)分析射頻系統(tǒng)分析方法為用戶提供模擬評估系統(tǒng)特性，其中可以使用行為級模型和元件電路模型來響應(yīng)驗證系統(tǒng)的電路模型。射頻系統(tǒng)仿真分析是及其強大的，它包含了用來驗證線性化系統(tǒng)模型特性與射頻系統(tǒng)的無源元件的線性分析、用來驗證非線性系統(tǒng)模型特性的諧波平衡分析，以及用來驗證具有數(shù)字調(diào)頻信號的系統(tǒng)特性的電路包絡(luò)分析。（6）拖勒密分析（Ptolemy）拖勒密分析比較適用于在數(shù)字信號、模擬信號與高頻信號的混合模式系統(tǒng)中的仿真。ADS在設(shè)計中分別提供了可供使用的數(shù)字元件模型（如IIR濾波器、FIR濾波器，OR邏輯門、AND邏輯門等）、通信系統(tǒng)元件模型（如RaisedCosine濾波器、QAM調(diào)頻解調(diào)器等）和模擬高頻元件模型（如IQ編碼器、混頻器、切比雪夫濾波器等）。（7）電磁仿真分析(Momentum)ADS軟件提供了Momentum對電路進行3D平面電磁仿真。它是基于矩量法的仿真分析方法。矩量法是一種數(shù)值計算方法，在電磁場的數(shù)值計算中得到了廣泛的應(yīng)用。在Momentum電磁仿真分析中提供了Momentum微波模式和Momentum射頻模式兩種分析模式，根據(jù)電路的工作頻率和尺寸大小，用戶可以對其進行判斷選擇。ADS軟件采用矩量法對布局圖進行電磁仿真分析，從而對得到耦合和寄生效應(yīng)加以驗證。4.3ADS的輔助設(shè)計功能和主要仿真器4.3.1ADS提供的輔助設(shè)計功能如下：設(shè)計指南——提供了示范電路設(shè)計的設(shè)計流程；智能仿真向?qū)А峁┝瞬襟E式的設(shè)定界面；仿真與結(jié)果顯示模塊——用戶可以將經(jīng)常重復(fù)使用的仿真設(shè)定制成一個模板；電子筆記本——用戶可以把文字敘述添加到所要設(shè)計的電路和仿真結(jié)果中，并由此制成網(wǎng)頁式的報告。4.3.2ADS在射頻、模擬電路設(shè)計中常用的仿真器如下：直流仿真；交流仿真；S參數(shù)仿真；諧波平衡仿真；大信號S參數(shù)仿真；電路包絡(luò)仿真；瞬態(tài)仿真。4.4建立工程與設(shè)計原理圖4.4.1此次設(shè)計的具體指標：(1)頻率范圍在0.9和1.1GHz之間；(2)頻帶內(nèi)輸入端口的回波損耗在20dB以上；(3)頻帶內(nèi)輸入端口與兩個輸出端口之間的插入損耗均在3.1dB以下；(4)兩個輸出端口之間的隔離度在25dB以上；(5)輸入輸出阻抗為50ohm。4.4.2建立工程運行ADS,彈出ADS的主窗口；單擊【File】——【NewProject】命令，建立一個新的工程，選擇默認工作路徑“c:\users\default”,在路徑的末尾輸入工程名為“equal_divider3”，并在【ProjectTechnologyFiles】框中選擇“ADSStandard:Lengthunit-millimeter”,默認長度單位為毫米；單擊【ok】按鈕，并且在彈出的“SchematicWizard”窗口中單擊【Cancel】,完成新建工程，同時原理圖設(shè)計窗口將自動打開。4.4.3設(shè)計原理圖(1)在原理圖設(shè)計窗口中選擇微帶線器件面板列表TLines-Microstrip；(2)本設(shè)計需要用到的元件有：功率分配器的輸入端口構(gòu)成如下圖所示。在原理圖中插入MLIN和MTEE元件，并用導(dǎo)線連接起來，并分別將MLIN的參數(shù)設(shè)置為W=w1mm、L=5mm和MTEE的參數(shù)設(shè)置為W1=w2mm、W2=w2mm、W3=w1mm。功率分配器的一路分支線由3個MLIN、兩個Mcurve和一個MTEE元件構(gòu)成。其各元件參數(shù)的設(shè)置如下如所示。功率分配器的另外一路分支線是由相同的元件構(gòu)成。由于功率分片器結(jié)構(gòu)的對稱性，兩路分支線中各段微帶線的尺寸參數(shù)相同。在兩路分支線間插入隔離電阻TFR，并用導(dǎo)線連接輸入端口和兩路分支線，其中TFR的參數(shù)為W=w2mm、L=(2*w2)mm、Rs=50Ω。輸出端口由三個TLIN和兩個Mcurve構(gòu)成，其各微帶線的尺寸如下圖所示。兩個輸出端口是完全對稱的，所以兩輸出端口的各位帶線尺寸參數(shù)相同。將各部分用導(dǎo)線連接起來就構(gòu)成了一個完整的功率分配器。4.4.4微帶線的設(shè)置微帶線是由金屬覆蓋在介質(zhì)材料的表面而構(gòu)成的，即使是相同尺寸大小的微帶線，也會因其不同種類的金屬材料和介質(zhì)材料的電氣特性導(dǎo)致不同的特性阻抗。在此設(shè)計中，我選擇了FR-4材料。其微帶線具體參數(shù)的設(shè)置過程如下：在原理圖中插入微帶線參數(shù)設(shè)置控件“MSUB”。雙擊微帶線參數(shù)的設(shè)置控件，彈出參數(shù)設(shè)置窗口，按照下面內(nèi)容對它的參數(shù)進行設(shè)置：H=0.8mm，表示微帶線所在的基板的厚度為0.8mm。Er=4.3，表示微帶線的相對介電常數(shù)為4.3。Mur=1，表示微帶線的相對磁導(dǎo)率為1。Cond=5.88E+7，表示微帶線的電導(dǎo)率為5.88E+7。Hu=1.0e+33mm，表示微帶電路的封裝高度為1.0e+33mm。T=0.03mm，表示微帶線的金屬層厚度近似為0.03mm。TanD=1e-4，表示微帶線的損耗角正切為1e-4。Rough=0mm，表示微帶線的表明粗糙度為0。除了要設(shè)置出介質(zhì)材料和金屬材料的特性參數(shù)，還需要設(shè)置原理圖功分器中每段微帶線的尺寸參數(shù)，所以在設(shè)置前需要計算出它們的尺寸。由功分器的理論分析可得，輸入端口傳輸線的特性阻抗Z0為50ΩΩ。特性阻抗為50ΩΩ、電長度為傳輸線的線寬和線長都可以通過傳輸線計算工具“LineCalc”計算。（3）單擊菜單欄中【Tools】——【LineCalc】——【StartLineCale】命令，在“SubstrateParameters”的窗口中輸入與圖11相同的傳輸線參數(shù)；（4）在“ComponentParameters”中的“Freq”中輸入1.000GHz，即功分器工作的中心頻率為1GHz；（5）在“Electrical”中的“Z0”中輸入50Ohm,單擊，則：其中（6）在“Electrical”中的“Z0”中輸入70.7Ohm,并選擇,單擊，則：其中通過“VAR”控件，將計算出的微帶線理論尺寸應(yīng)用到功分器的各段傳輸線上，在原理圖中插入“VAR”控件；雙擊“VAR”控件，對微帶線各尺寸參數(shù)進行設(shè)置；分別將w1,w2和lh作為變量值，并設(shè)置、、。4.5原理圖的仿真（1）選擇“Term”元件，將其分別放置在功分器3個端口上，并用來定義端口1、2和3。并且單擊工具欄中的圖標，如下如放置三個“地”，并用導(dǎo)線連接好電路：（2）在原理圖中插入S參數(shù)掃描控件，并且雙擊“SP”控件對其參數(shù)進行設(shè)置：設(shè)置“Sweeptype”為線性“l(fā)iner”，并設(shè)置掃描的頻率范圍為0.9GHz-1.1GHz，步長為0.01GHz，如下圖完成S參數(shù)仿真控件。（3）S參數(shù)仿真設(shè)置完成后，就可以對功分器的各個參數(shù)進行仿真了，保存好原理圖，并單擊按鈕運行仿真。仿真結(jié)束后，在彈出的數(shù)據(jù)顯示窗口中添加S(1,1)、S(2,1)、S(2,2)、S(2,3)的矩形圖，得到的結(jié)果如圖所示。從上圖中可以看出，當參數(shù)設(shè)置為理論值時，各項指標還并不是很理想，沒有完全達到設(shè)計指標，因此需要對相關(guān)參數(shù)進行優(yōu)化設(shè)置。4.6電路參數(shù)優(yōu)化由于在設(shè)計中，功分器的輸入輸出阻抗為50ohm，為了實現(xiàn)輸入匹配，因此必須使W1=1.52mm，以達到輸入阻抗匹配。在此次設(shè)計中為了優(yōu)化系統(tǒng)各項指標，就主要得改變變量w2和lh這兩個值。首先通過在VAR控件中設(shè)定這兩個變量的范圍，過程如下：雙擊“VAR”控件，系統(tǒng)彈出“variablesandequations”的窗口；在窗口中選擇變量w2；單擊【tune/opt/DOEsetup】——【optimization】選項卡，在“optimizationsetup”中選擇“enable”、“type”中選擇“continuous”、“format”中選擇“min/max”、“maximumvalue”分別設(shè)置為0.7和0.9，就完成了對w2的設(shè)置。單擊【OK】按鈕確定設(shè)置并關(guān)閉窗口。同樣，將lh的“min/max”、“maximumvalue”分別設(shè)置為5和20。（5）需要在原理圖里添加優(yōu)化方式和優(yōu)化目標，在原理圖設(shè)計窗口中選擇優(yōu)化工具欄；（6）將優(yōu)化控件插入到原理圖中，并且添加四個由于需要4個目標控件，分別用來優(yōu)化目標、、、。由于電路的對稱性，所以不用再優(yōu)化設(shè)置和。其中：和分別是輸入、輸出端口的反射系數(shù)；是傳輸參數(shù)，反映傳輸損耗；反映了兩個輸出端口之間的隔離度。（3）常用的優(yōu)化方法有Random（隨機）和gradient（梯度）等。Random通常用于大范圍的搜索，gradient通常用于局部收斂。此次設(shè)計中選擇random優(yōu)化方法，并且設(shè)置優(yōu)化方法為100。（7）按照下述設(shè)置目標控件：在expr項中輸入表達式“”——優(yōu)化的目標是端口1反射系數(shù)的dB值。在“siminstancename”項中，輸入“”——針對S參數(shù)仿真進行的優(yōu)化。Min值采用默認值——的值越小越好。MAX=-20——優(yōu)化的目標是不超過-20dB。Weight采用默認值——幾個優(yōu)化目標間沒有主次之分。RangeVar[1]=“freq”——優(yōu)化是在一定的頻率范圍內(nèi)進行?！l率優(yōu)化范圍的最小值為0.9GHz?！l率優(yōu)化范圍的最大值為1.1GHz。其余三個Goal控件的具體的參數(shù)如下圖所示。（8）設(shè)置完后需對原理圖進行仿真，保存好原理圖，并單擊按鈕運行仿真。若仿真狀態(tài)窗口最后的currentE=0,則表示仿真無誤差。當優(yōu)化仿真結(jié)束后，數(shù)據(jù)顯示窗口會自動打開，最終的優(yōu)化結(jié)果如下圖所示，可見都達到各項設(shè)計指標要求，并且指標在通帶內(nèi)相對平坦。在每一次優(yōu)化仿真完成后，需要執(zhí)行【simulate】——【updateoptimizationvalues】，以保存優(yōu)化后的變量值（在“VAR”控件上可以看到變量的當前值）；否則，優(yōu)化后的值將不保存到原理圖中。若每一次優(yōu)化的S參數(shù)仿真結(jié)果不能滿足設(shè)計指標的要求，則必須不斷改變變量的取值范圍，重新進行優(yōu)化，一直到滿足設(shè)計要求為止。4.7功分器版圖仿真一般情況下，使用電路板上的微帶電路實現(xiàn)功率分配器，可能會使得與原理圖的仿真結(jié)果有很大的差別。因此，需要在ADS中進一步采用Momentum電磁仿真分析法對版圖進行仿真，其結(jié)果比原理圖仿真要準確很多，采用的是矩量法計算。4.7.1功分器版圖的生成(1)在原理圖中輸入輸出端口里添加三個端口元件。（2）單擊工具欄中的圖標，再單擊使原理圖用于S參數(shù)仿真的“SP”控件、3個term元件和3個“地”，用于優(yōu)化的“optim”控件和4個“goal”元件失效，使其在不再出現(xiàn)在生成的版圖中。（3）所需元件失效后，執(zhí)行菜單命令【Layout】——【Generate/UpdateLayout】，應(yīng)用默認設(shè)置，直接單擊【OK】按鈕。（4）在彈出的“statuesoflayoutgeneration”對話框里，顯示了所生成版圖中有效地元件數(shù)目等信息，如下圖所示。然后將對話框中的內(nèi)容和原理圖比較，確認無誤后單擊【OK】按鈕完成版圖的生成。版圖生成后，如下圖所示，從圖中可發(fā)現(xiàn)，原理圖的各種傳輸線模型已經(jīng)轉(zhuǎn)化為版圖的實際微帶線。由于微帶線的介質(zhì)基片和金屬片的基本參數(shù)對微帶型威爾金森功分器的性能產(chǎn)生很大的影響，所以必須再次設(shè)置版圖中的微帶線的基本參數(shù)。為了利用原理圖的仿真結(jié)果，必須將版圖中的微帶線參數(shù)設(shè)置為原理圖中的“Msub”控件的參數(shù)。在版圖的設(shè)計窗口中，執(zhí)行