微波技术基础实验二 功分器与定向耦合器设计

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一、功分器的原理图设计、仿真与优化
用ADS软件设计一个等分威尔金森功分器，并根据给定指标对其性能参数优化仿真。

1.等分威尔金森功分器的设计指标：
频带范围：0.9~1.1GHz；
频带内输入端口的回波损耗：C_11>20dB；
频带内的插入损耗：C_12<3.1dB，C_13<3.1dB；
两个端口的间隔高度：C_23>25dB；

2.建立工程与原理图设计
新建原理图，设计输入端口电路、阻抗变换电路及输出端口电路，完整的微带型威尔金森功分器原理图如下图所示。

3.基板参数设置
在原理图中插入微带线参数设置控件，具体参数设置如下图。

打开“LineCalc”窗口，如下图在“Substrate Parameters”栏中输入MSUB控件的基本参数，在“Component Parameters”栏中的“Freq”项中输入功分器中心频率为1GHz。可得特性阻抗为50Ohm，“E_Eff”为10.7912时，对应传输线宽度为1.521330mm。特性阻抗为70.7Ohm，“E_Eff”为90（即四分之一波长）时，对应传输线宽度为0.788886mm，长度为42.897100mm（约为四分之一波长）。

插入VAR控件，设置w1、w2、lh为变量。根据“LineCalc”的计算结果，如下图设置w1、w2、lh的值。

依次设置原理图中功分器各段微带线宽度和长度，具体变量设置如下图。
4.功分器原理图仿真
在原理图中添加并设置S参数扫描控件。具体参数设置如下图。

添加三个“Term”元件及对应的地，并连接好。完整电路图如下图所示。

仿真结果如下图所示。且由图可知，采用理论计算的结果作为功分器参数时，功分器在多要求的全频带内隔离度没有达到指标，并且平坦度较差，所以还需要对功分器的各个参数进行优化。

5.功分器电路参数的优化
阻抗匹配对电路的性能具有直接的影响，在实际应用中，功分器输入输出端口传输线的特性阻抗为50Ohm，w1 = 1.52；四分之一波长传输线的特性阻抗为70.7Ohm，w2=0.79，lh=16。为实现阻抗匹配，需要针对w2和lh两个参数进行优化。
添加VAR控件，如下图设置参数w2和lh。

插入控件“Optim”和控件“Goal”。分别优化S(1,1)、S(2,2)、S(2,1)、S(2,3)。具体参数设置如下图。由于电路的对称性，S(3,1)和S(3,3)不用设置优化，S(1,1)和S(2,2)分别用来设定输入输出端口的反射系数，S(2,1)用来设定功分器通带内的衰减情况，S(2,3)用来设定两个输出端口的隔离度。

优化仿真后的结果如下图所示。可知各项指标均满足设计要求，并在通带内相对平坦。

二、功分器的版图生成与仿真
1.功分器版图的生成
失效“SP”控件、3个“Term”元件、3个“地”、“Optim”控件和4个“Goal”元件。执行“Layout”中的“Generate/Update Layout”将原理图中的传输线模型转化为版图中的实际微带线，如下图所示。

将原理图的基板和微带参数更新到版图中。

2.功分器版图的仿真
在功分器版图中插入3个端口，如下图所示。

如下图进行仿真设置，设置好参数后保存。

仿真结果如下图所示。

三、定向耦合器的原理图设计、仿真与优化
本节将设计一个3dB Lange耦合器，并根据给定的指标对其性能参数进行优化仿真。
1.Lange耦合器的设计指标

2.建立工程与设计原理图
新建一个原理图，插入微带Lange耦合器（Mlang）与微带基片（MSUB）。
插入S参数仿真模块。由于Lange耦合器是四端口结构，在插入S参数仿真模块后，再复制两个“Term”和“地”元件，如下图所示放置。（注意四个“Term”元件的顺序）。

原理图基本组件已放置，其中Term1为输入端口，Term2为直通端口，Term3位耦合端口，Term4为隔离端口，Ratio用于在数据显示窗口中观察直通耦合端口间的相位差。
3.微带的参数设置
设置原理图中的MSUB各参数如下所示。

4.Lange耦合器的参数设置
设置Lange耦合器的各参数如下所示。

5.Lange耦合器的原理图仿真
设置“SP”控件的各参数如下所示。

S(21)、S(31)、S(41）的仿真结果如下图所示。

设置参量“swr”如下图所示。

得到输入驻波比的参数图形如下图。

定向度参数图形如下图。

Ratio相位参数图形如下图。

6.Lange耦合器的参数优化
由图可知，采用经验公式仿真出的结果未达到所要求的3dB Lange耦合器的指标，所以还需要对耦合器的参数进行优化。确定微带的基本参量后，只能优化微带线宽W和微带线间距S。在原理图中插入“VAR”控件，如下图设置W=1.605，优化范围为0.8_{2；设置S=1.065，优化范围为0.8}1.5。

修改Mlang元件中参数，使W=Wmil，S=Smil。

插入一个“Optim”控件，具体参数设置如下图。

和3个“Goal”控件，分别优化S(2,1)、S(3,1)和S(4,1)。具体参数设置如下图。

保存与原理图进行优化仿真，优化后仿真结果如下图所示。

四、功分器的版图生成与仿真
Lange耦合器版图的生成（详见报告）
2.Lange耦合器仿真（详见报告）​

实验总结
经过此次实验，我学会了运用Richards变换与Kuroda规则设计微带低通滤波器，再利用阶跃阻抗设计原理设计一段低阻抗短传输线替代一段终端开路传输线，并使用平衡技术进行优化。学习了解了功分器与定向耦合器相关知识，同时掌握了利用ADS设计功分器与定向耦合器原理图设计、优化与仿真，并生成版图进行仿真。