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.doc

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.doc 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 理论设计 ADS软件仿真 加工制作 调试修正 实验测试 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) 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。 4.输出端口间的隔离度 端口2和端口3互为隔离端口，在理想状态下，隔离端口间没有互相输出的功率，但由于设计及制作精度的限制，使隔离端口间尚有一些功率输出，端口2端口3的隔离度定义为 当功率分配器两个支路的结构完全对称时，散射参量S23=S32。 五、技术指标及尺寸计算 技术指标 1. 中心频率f0=1GHz 2. 带宽BW:0.9GHz—1.1GHz 3. 各端口匹配:Vswr<1.5(s11,) 4. 工作频带内输入端口的回波损耗:S11<-18dB 5. 工作频带内的传输损耗:-3.4dB<=S21<=-2.6dB 6. 两个输出端口间的隔离度S23<=-20dB 尺寸计算 使用ADS仿真软件自带工具计算微带线尺寸。 六、实验步骤 (一)ADS软件仿真 创建项目和原理图 , 点击File->New Project设置工程文件名称(本例中为divider)及存储路径 , 点击Length Unit设置长度单位为毫米 , 点击New Project对话中的OK键，命名为divider，并保存。 原理图建模 在divider的原理图上，搭建原理图电路并设置参数。 1. 将MUSB插入原理图的画图区，在画图去双击MUSB，弹出设置对话框，对微带线觉 得参数设置如下: , H=3mm微带线基板厚度 , Er=2.65微带线基板相对介电常数 , Mur=1:微带线的磁导率 , Cond=1.0e+50微带线导体的电导率 , Hu=1.0e+0.33m微带线的封装厚度(1.0e+33 mm) , T=0.005mm微带线的导体层厚度 , TanD=0.0003微带线的损耗角正切 , Roungh=0mm微带线面粗糙度 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。 3. 在Tlines-Microstrip元件库中，选择MLIN和MTEE，插入原理图的画图区，搭建输入 端口。双击MLIN，在弹出的设置窗口中设置W=W50，L=10mm。双击MTEE，在弹出 的设置窗口中设置W1=W70,W2=W70，W3=W50。 4. 再一次选择4个MLIN和2个MSOBND，插入到原理图的画图区，构成功率分配器的 两个输出端口。 5. 按照下图连线并设置参数。 (二)根据微波试验班进行建模和仿真 建模 根据(一)中设计的功分器主体，参照附录三中所示微波实验板上的端口F和端口4分别作为功分器的输入和输出端口，因此我们只要控制功分器的长度L2和L4就可以使功分器的输出端口和微带基板上的端口对齐。 原理图的优化和仿真 1.选择S参数仿真元件面板【Simulation-Param】，在元件面板上选择负载终端Term，3次插入原理图中，定义负载终端Term1为输入端口，负载终端Term2,Term3为输出端口，分别于 功分器的输入输出端口相连接。接着选择仿真控件SP，插入到原理图的画图区，对S参数仿真控件SP设置如下: , 频率扫面类型Sweep Type选为Linear , 频率扫描起始值Start设置为0.6Ghz , 频率扫描种植值Stop设置为1.4Ghz , 扫描频率步长设置为0.005Ghz 2.双击画图区控件变量VAR，在弹出的对话框中选择变量L1，L2作为优化变量进行设置。选中变量L1，单击【Tune/Opt/Sat/Doe Step】按钮，打开【Step】设置窗口，选择优化按钮【Optimization】，在【Minimum Value】中填入5，在【Maximum Value】栏填入20。其他保持默认，单击【OK】完成优化。用同样的方法对变量L2进行优化。 3.选择原理图元件面板【Optim/Stat/Yield/Doe】项。在优化面板上没选择优化控件Optim插入原理图的画图区，并选择目标控件GOAL插入原理图的画图区，共插入4个，并进行设置。 4.对原理图仿真。在原理图工具栏中单击【Simulate】，运行仿真，在数据显示窗用矩形图表示S参数曲线图，观察在0.8~1.2Ghz范围内的响应曲线。 版图生成 1.在生成版图之前，先将Term，“接地”，电阻R以及优化空间去掉。 2.选择原理图上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键，默认设置，版图生成状态窗口显示了生成的版图中包含原理图有效元件的数目，将这个窗口的内容与原理图比较。确认后单击【OK】，完成版图的生成过程。版图视窗会自动打开，画图区会显示刚刚生成的版图。对比原理图发现，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，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.为了是版图的仿真结果有效，必须使仿真结果有效，必须是版图中的微带线的基本参数与原理图中的基本参数一致。在版图视窗中的【Momentun】菜单>【Substrate】>【Update From Schematic】命令，从原理图视窗得到微带线的基本参数。 (三)、实物制作与测试 制作: 1. 尺寸调试: 在生成版图之后，在版图界面单击鼠标右键，选择【measure】即可对版图对应的实 际尺寸进行测量。对照实验指导附录三可知微波实验板的实际尺寸。根据三个端口的 位置以及位置间的距离，应适当调整版图尺寸，使之与微波实验板匹配。 根据微波技术的基本理论可知，功分器的框形部分与四分之一波长有关，而设计指 标不能更改，则此部分的尺寸不能变更。所以只能适当调整看个端口相连的支路尺寸。 调整完成后，即使对称的框型部分能完整的放在实验板上，三个端口支路能与端口接触 片很好吻合。而调整尺寸是应会原理图调整微带电路尺寸并重新生成版图。 2. 打印版图 调整完尺寸之后，将版图打印出来，比例设置为1:1，即打印的版图为实际尺寸。 3. 刻板 将打印好的版图放在铜箔上，利用钢尺和刻刀将其安尺寸刻出。 4. 黏贴 将刻好的铜箔平展的黏贴在实验板上，端口与端口触片对齐，良好接触。 5. 焊电阻 将1K欧电阻焊在实验板对应位置(隔离位置处)，并用万用表测量是否虚焊。 注:用刻刀时可先一定要直，尽量减少切割处的毛刺，铜条的黏贴一定要平，不要留有空气 间隙。此外，由于铜箔上的导电黏胶不很均匀，所以要检查于街头连接处的铜箔是否真 正接通。此时可以用万用表的电阻档进行验证，若万用表发出“滴”声，说明该测试出 导电。如果没有进行导电测试的话，微波能量也可以在没有接通的条件下通过耦合传输， 只是测量结果不正确。因此在黏贴铜箔的过程中要用万用表检查各连接处是否导通。 测试 本实验用PNA36系列网络分析仪进行测试。 先进行回损校准，校准完之后便可以进行回波损耗测试，注意测试时应该在试验板上分别标记功分器的三个端口，以免测试混乱，造成数据记录错误。 测量功分器端口的回波损耗，需要将电桥新测试端口上连接的测量线用转换接头连接到功分器的端口，功分器的其他未使用端口都要接上匹配负载，然后将微博版平稳的放在实验台上，最后在电脑上读取曲线，并命名保存。测S21。矢网仪的输出端口接连到公分器的端口1，矢网仪的A端口或B端口连接到功分器的端口2，功分器的端口3要连接匹配负载。测试完成后要在电脑上保存相应的测试曲线。 七、实验结果及分析 以下四图为S11，S21，S31，S32的幅频响应图，以及横纵坐标值(部分)。 由图可知，制作的功分器并没有满足给定的技术指标，并且与ADS软件仿真有较大的出入。在中心频率f=1Ghz时，S31，S32均低于要求的-3.6dB，S23,的隔离度大于-20dB,三个参数均没有达到技术要求。 S11 S11 F(Mhz) RL(db) SWR R Jx 600 -4.87 3.656 0.287 0.214 700 -7.60 2.427 0.526 0.467 800 -11.3 1.747 0.779 0.448 900 -11.0 1.774 0.754 0.441 950 -9.32 2.038 0.729 0.559 1000 -7.78 2.378 0.777 0.756 1050 -6.98 2.618 0.955 0.976 1100 -6.52 2.784 1.308 1.183 1200 -5.76 3.125 2.660 1.043 1300 -5.51 3.253 2.641 -1.19 1400 -5.53 3.246 1.224 -1.36 S23 S23 F(Mhz) IL(db) P(度) 600 -9.88 48.86 700 -13.31 -12.8 800 -17.24 -85.7 900 -20.33 -170. 950 -20.90 147.9 1000 -19.10 109.0 1050 -18.72 73.85 1100 -17.47 46.14 1200 -15.12 -3.55 1300 -13.25 -48.5 1400 -12.11 -97.7 S31 S31 F(Mhz) IL(db) P(度) 600 -4.05 -178. 700 -3.70 135.1 800 -3.76 87.89 900 -4.22 45.59 950 -5.59 26.32 1000 -4.81 6.350 1050 -5.97 -15.0 1100 -5.72 -32.9 1200 -5.72 -68.4 1300 -5.96 -112. 1400 -6.56 -151. S32 S32 F(Mhz) IL(db) P(度) 600 -4.17 -178. 700 -3.84 135.0 800 -3.84 87.71 900 -4.22 45.59 950 -5.59 26.32 1000 -4.81 6.350 1050 -5.97 -15.0 1100 -5.72 -32.9 1200 -5.72 -68.4 1300 -6.05 -112. 1400 -6.59 -151. 实物图如下: 由制作的实物图可知有以下几点造成了功分器不满足技术指标: 1.铜箔并没有展平，铺在微波实验板上，铜箔与实验板间有空隙，造成一定损耗。 2.微带线在往微波实验板上黏贴时，没有保证对称结构，造成较大的损耗。 3.刻板时线条不均匀，使功分器在物理上就没有完全对称，造成一定损耗。 4.在于接头接触片黏贴是，没有完全对齐，造成损耗。 5.微波实验板本身的材质的损耗角正切，带来一定损耗。 以上五点原因造成功分器的实物与技术指标有较大的偏差。 八、实验 通过本次实验，了解射频电路设计工程的一般，通过“设计”—“仿真”—“制作” —“测试”—“修正”，来设计制作一个射频电路。 通过本次实验，也进一步熟练运用了ADS仿真软件。此外对于刻板的加工工艺也了解到 一些技巧，通过或用胶带固定，钢尺定住刻刀，可以在一定程度上减少制作时的误差。 通过本次实验，也一定程度上熟悉了矢网仪的基本使用，在今后的实验中，应更进一步 学习调试校准矢网仪。 在今后的实验中，也应注意更加注意刻板的制作工艺。