微波功分器实验报告.docx

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微波功分器实验报告

HarbinInstituteofTechnology

微波技术基础

实验报告

实验名称：

功分器的设计与调试

院系：

电气学院测控技术与仪器

班级：

报告人：

HITJIYAO

学号：

指导教师：

时间：

2013年12月13日

哈尔滨工业大学

一、实验目的

1．了解功率分配器电路的原理；

2．学习使用ADS软件进行微波电路的设计，优化，仿真；

3．掌握功率分配器的设计及仿真、调试方法。

二、实验内容

1.了解功分器的工作原理；

2.使用ADS软件设计一个功分器，并对其参数进行优化、仿真。

三、功分器的技术指标

频率范围

通带内功分比

通带内各端口反射系数

通带内两输出端口间的隔离度

通带内传输损耗

四、功分器的原理

功分器，全称功率分配器，是一种将一路输入信号能量分成两路或多路输出相等或不相等能量的器件，也可反过来将多路信号能量合成一路输出，此时可也称为合路器。

一个功分器的输出端口之间应保证一定的隔离度。

功率分配器通常有二、三、四端口等的功分器。

五、功分器的设计

图1是一个等功率分配器，它由两段不同特性阻抗的微带线组成，两臂是对称的。

图1

因为功分器的两臂是对称的，所以S21=S31、S22=S32，即不必考虑S31和S32两个参量。

图中的连接电阻的作用为：

当不匹配时，使反射功率消耗在此电阻上，从而不影响微带线。

六、利用ADS软件设计微带线形式功分器

本次实验共需要设计两种不同参数指标的等功率分配器：

1.设计指标

工作频率1.6GHz~2.0GHz

工作频率内S11小于-20dB

工作频率内S21大于-3.1dB

工作频率内S22和S23小于-10dB

微带线基板的厚度为0.5mm

微带线基板的相对介电常数为4.2

各个端口传输线的特性阻抗采用50Ω

1.1原理图设计

如图2

图2等功率分配器的微带电路图

设置参数：

Type选择为MLIN，计算微带线

Er=4.2，基板相对介电常数为4.2

Mur=1，相对磁导率为1

H=0.5mm，基板厚度为0.5mm

Hu=1.0e+033mm，微带线封装高度为1.0e+033mm

T=0.5mm，微带线导体层厚度为0.05mm

Cond=4.1E+7，导体电导率为4.1E+7

TanD=0.0003，微带线损耗角正切

Rough=0mm，微带线表面粗糙度

Freq=1.86GHz，计算时采用中心频率

Z0=70.71Ohm，计算时特性阻抗采用502Ω

EEff=90deg，计算时微带线长度采用，也即采用90deg相移

单击Synthesize按钮，在LineCalc计算窗口中显示计算结果如下

微带线宽度:

W=0.48mm

微带线长度：

L=24.33mm

LineCalc计算窗口

图3

同理，计算特性阻抗为50Ω的微带线宽度，参数设置为Z0=50Ohm，其余与前面一样，计算结果：

W=0.94mm。

将中间的各微带线的W值设为wmm（变量，接下来要优化的参数、L值依次设为4.5mm、lmm（变量，接下来要优化的参数）、3.28mm以及拐角处R=3mm,经计算l=24.33−4.5−3*3.14/2−3*3.14/2−3.28=7.13mm所以变量w的变化范围设为0.3mm~0.6mm，变量l的变化范围设为6mm~8mm。

1.2原理图仿真与优化

在原理图设计窗口中选择优化工具栏Optim/Stat/Yield/DOE，选择优化设置控件Optim，放置在原理图中，双击该控件设置优化方法及优化次数。

常用的优化方法有Random（随机）、Gradient（梯度）等。

随机法通常用于大范围搜索，梯度法则用了局部收敛。

本次设计采用的是随机搜索优化，默认方法就是Random。

设置好Optim后，选择优化工具栏上的Goal控件，设置优化所要达到的目标，本次设计总共得设置4个优化目标Goal，如图2所示，分别为:

S11、S22、S21和S23。

S11和S22分别为输入输出端口的反射系数，S21为通带内功分器的传输损耗情况，S23则是两个输出端口之间的隔离度。

具体优化参数

表1

1.3仿真数据分析

优化后的W、L值为W=486.781e-03mm，L=6.5148mm。

如图4

图4

由图5可以看出，在频率为1.780GHz左右时，S11曲线达到了最低点，这也表明，此时端口1的反射系数最小，绝对值最大，性能最好。

当f=1.780GHz，此时的S11=-54.85dB满足设计指标的要求，若频率再高，则S11的值越大，绝对值越小，相应的功分器性能越差。

图5

由图6看出，当f=1.800GHz时，输出端口2的反射系数S22=-42.193dB，满足S22<-10dB的指标要求。

图6

传输损耗是功率分配器的重要指标之一。

要求有高性能的功分器，就必须要有较小的传输损耗。

由图5可看出，在取样频率点f=1.760GHz时，S21的值为-3.075dB，并随着频率的不断升高，传输损耗将会增大，功分器性能也就越差。

设计指标要求S21大于-3.1dB，基本满足设计指标。

图7

隔离度也是功率分配器的重要指标之一。

要求有高性能的功分器，就必须要有较大的隔离度。

由图6可看出，在取样频率点f=1.810GHz时，S23的值为-43.005dB，并随着频率的不断升高，隔离度将会减小，功分器性能也就越差。

设计指标要求S23小于-10dB，基本满足设计指标。

图8

2.设计指标

工作频率0.9GHz~1.1GHz

工作频率内S11小于-20dB

工作频率内S21大于-3.1dB

工作频率内S22和S23小于-20dB

微带线基板的相对介电常数为4.2

各个端口传输线的特性阻抗采用50Ω

2.1计算

由于计算微带线的宽度和长度时中心频率为1.0GHz,其他参数设定与实验1相同。

在LineCalc计算窗口中显示计算结果如下

图9

微带线宽度:

W=0.94mm

微带线长度:

L=42.45mm

同理，计算特性阻抗为50Ω的微带线宽度，参数设置为Z0=50Ohm，其余与前面一样，计算结果如下W=0.94mm。

将中间的各微带线的W值设为wmm，L值依次设为4.5mm、lmm，3.28mm以及拐角处R=3mm,经计算

l=42.45−4.5−3*3.14/2−3*3.14/2−3.28=25.45mm

所以变量w的变化范围设为0.5~1.5mm，变量l的变化范围设为

25mm~26mm。

2.2原理图仿真与优化

具体优化参数

表2

2.3仿真数据分析

优化后的W、L值为W=528.149e-03mm，L=24.7677mm。

如图10

图10

由图11可以看出，在频率为1.010GHz左右时，S11曲线达到了最低点，这也表明，此时端口1的反射系数最小，绝对值最大，性能最好。

当f=1.010GHz，此时的S11=-26.625dB满足设计指标的要求，若频率再高，则S11的值越大，绝对值越小，相应的功分器性能越差。

图11

由图12看出，当f=1.000GHz时，输出端口2的反射系数S22=-32.613dB，满足S22<-20dB的指标要求。

图12

传输损耗是功率分配器的重要指标之一。

要求有高性能的功分器，就必须要有较小的传输损耗。

由图10可看出，在取样频率点f=1.000GHz时，S21的值为-3.087dB，并随着频率的不断升高，传输损耗将会增大，功分器性能也就越差。

设计指标要求S21大于-3.1dB，基本满足设计指标。

图13

隔离度也是功率分配器的重要指标之一。

要求有高性能的功分器，就必须要有较大的隔离度。

由图11可看出，在取样频率点f=1.030GHz时，S23的值为-35.035dB，并随着频率的不断升高，隔离度将会减小，功分器性能也就越差。

设计指标要求S23小于-20dB，基本满足设计指标。

图14

七、心得体会

通过这次计算机辅助设计实验，我对微带线这部分的知识有了更深的理解，同时对ADS这款软件有了大致的了解。

ADS是微波设计的一款非常专业的计算机辅助软件，通过其强大的计算可以极大的提高我们设计的精确和设计的方便，同时通过具体的实验设计，可以很好的联系理论知识，对所学知识的理解有较大的加深，但同时我们也必须要有扎实的理论和基础知识才能更好的应用于工程实践。