微波功分器.ppt

成都信息工程学院电子工程系成都信息工程学院电子工程系微波电路微波电路EDAEDA实验二功分器设计微波电路微波电路EDAEDA成都信息工程学院电子工程系成都信息工程学院电子工程系2第四章 单端口网络和多端口网络（一）实验目的n了解功率分配器电路的原理及设计方法。n学习使用ADS软件进行微波电路的设计，优化，仿真。n掌握功率分配器的制作及调试方法。微波电路微波电路EDAEDA成都信息工程学院电子工程系成都信息工程学院电子工程系3第四章 单端口网络和多端口网络功率分配器n将功率按一定的比例分成两路或多路，就是功率分配器，反过来使用，就是功率合成器。微波电路微波电路EDAEDA成都信息工程学院电子工程系成都信息工程学院电子工程系4第四章 单端口网络和多端口网络n功分器系列1、400MHz-500MHz频率段二、三功分器，应用于常规无线电通讯、铁路通信以及450MHz无线本地环路系统。2、800MHz-2500MHz频率段二、三、四微带微带系列功分器，应用于GSM/CDMA/PHS/WLAN室内覆盖工程。3、800MHz-2500MHz频率段二、三、四腔体腔体系列功分器，应用于GSM/CDMA/PHS/WLAN室内覆盖工程。4、1700MHz-2500MHz频率段二、三、四腔体系列功分器，应用于PHS/WLAN室内覆盖工程。5、800MHz-1200MHz/1600MHz-2000MHz频率段小体积设备内使用的微带二、三功分器。微波电路微波电路EDAEDA成都信息工程学院电子工程系成都信息工程学院电子工程系5第四章 单端口网络和多端口网络n分配器，分支器和功分器的区别 分配器分配器是有线电视传输系统中分配网络里最常用的器件。工作的频率范围5MHz870MHz；有线电视网络中射频的各种接口阻抗均为75，为实现阻抗匹配，因此分配器输入端和输出端阻抗均为75欧。分支器分支器的功能是从所传输的有线电视信号中取出一部分馈送给支线或用户终端，其余大部分信号则仍按原方向继续传输。功分器功分器的功能是将一路输入的卫星中频信号均等的分成几路输出。功分器的工作频率是950MHz2150MHz。微波电路微波电路EDAEDA成都信息工程学院电子工程系成都信息工程学院电子工程系6第四章 单端口网络和多端口网络（二）实验内容n了解功分器的工作原理。n使用ADS软件设计一个功分器，并对其参数进行优化、仿真。n根据软件设计的结果绘制电路版图，并加工成电路板。n对加工好的电路进行调试，使其满足设计要求。微波电路微波电路EDAEDA成都信息工程学院电子工程系成都信息工程学院电子工程系7第四章 单端口网络和多端口网络（三）功分器的技术指标n工作频率范围f：9001100MHzn通带内各端口反射系数：-20dBn通带内两输出端口间的隔离度D:-3.1dBn通带内功分比K=1n通带内相位平衡度微波电路微波电路EDAEDA成都信息工程学院电子工程系成都信息工程学院电子工程系8第四章 单端口网络和多端口网络（四）用ADS软件设计软件设计Wilkinson功分器功分器本节内容是介绍使用ADS软件设计功分器的方法：包括原理图绘制，电路参数的优化、仿真，版图的仿真等。下面开始按顺序详细介绍ADS软件的使用方法。微波电路微波电路EDAEDA成都信息工程学院电子工程系成都信息工程学院电子工程系9第四章 单端口网络和多端口网络ADS软件的使用n启动ADS进入如下界面微波电路微波电路EDAEDA成都信息工程学院电子工程系成都信息工程学院电子工程系10第四章 单端口网络和多端口网络创建新的工程文件n点击File-New Project设置工程文件名称（本例中为divider）及存储路径n点击Length Unit设置长度单位为毫米微波电路微波电路EDAEDA成都信息工程学院电子工程系成都信息工程学院电子工程系11第四章 单端口网络和多端口网络创建新的工程文件（续）n工程文件创建完毕后主窗口变为下图微波电路微波电路EDAEDA成都信息工程学院电子工程系成都信息工程学院电子工程系12第四章 单端口网络和多端口网络创建新的工程文件（续）n同时原理图设计窗口打开微波电路微波电路EDAEDA成都信息工程学院电子工程系成都信息工程学院电子工程系13第四章 单端口网络和多端口网络Wilkinson功分器的设计下图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。我们以这种结构的功分器为例，介绍一下设计的过程。123微波电路微波电路EDAEDA成都信息工程学院电子工程系成都信息工程学院电子工程系14第四章 单端口网络和多端口网络Wilkinson功分器的设计（续）n设计指标：通带0.91.1GHz，功分比为1：1，带内各端口反射系数小于-20dB，两输出端隔离度小于-25dB，传输损耗小于3.1dB。n在进行设计时，主要是以功分器的S参数作为优化目标进行优化仿真。S21、S31是传输参数，反映传输损耗；S11、S22、S33分别是输入输出端口的反射系数。S23反映了两个输出端口之间的隔离度。微波电路微波电路EDAEDA成都信息工程学院电子工程系成都信息工程学院电子工程系15第四章 单端口网络和多端口网络生成功分器的原理图n在原理图设计窗口中选择微带电路的工具栏n窗口左侧的工具栏变为右图所示n选择微带线 以及控件MSUB 分别放置在绘图区中n选择画线工具 将电路连接好，连接方式见下页图。微波电路微波电路EDAEDA成都信息工程学院电子工程系成都信息工程学院电子工程系16第四章 单端口网络和多端口网络功分器的原理图示例 微波电路微波电路EDAEDA成都信息工程学院电子工程系成都信息工程学院电子工程系17第四章 单端口网络和多端口网络设置微带电路的基本参数n双击图上的控件MSUB设置微带线参数nH:基板厚度(1 mm)nEr:基板相对介电常数(4.8)nMur:磁导率(1)nCond:金属电导率(5.88E+7)nHu:封装高度(1.0e+33 mm)nT:金属层厚度(0.03 mm)nTanD:损耗角正切(1e-4)nRoungh:表面粗糙度(0 mm)微波电路微波电路EDAEDA成都信息工程学院电子工程系成都信息工程学院电子工程系18第四章 单端口网络和多端口网络微带线计算工具n功分器两边的引出线是特性阻抗为50欧姆的微带线，它的宽度W可由微带线计算工具得到。n填入50 Ohm可以算出微带线的线宽1.75 mm。n填入70.7 Ohm和90 deg可以算出微带线的线宽0.89 mm和长度40.9 mm(四分之一波长，1GHz时)。微波电路微波电路EDAEDA成都信息工程学院电子工程系成都信息工程学院电子工程系19第四章 单端口网络和多端口网络设置微带器件的参数n双击每个微带线设置参数，W、L分别设为相应的变量或常量，单位mm，注意上下两臂的对称性。微波电路微波电路EDAEDA成都信息工程学院电子工程系成都信息工程学院电子工程系20第四章 单端口网络和多端口网络添加变量n单击工具栏上的VAR 图标，把变量控件VAR放置在原理图上，双击该图标弹出变量设置窗口，依次添加W，L参数。n中间微带线的长度大约为四分之一波长(根据中心频率用微带线计算工具算出)，各个线宽的初始值可以用微带线计算工具算出，微带线的宽度最窄只能取0.2 mm(最好取0.5 mm以上)。微波电路微波电路EDAEDA成都信息工程学院电子工程系成都信息工程学院电子工程系21第四章 单端口网络和多端口网络S参数仿真电路设置n在原理图设计窗口中选择S参数仿真的工具栏n选择Term 放置在功分器三个端口上，用来定义端口1、2和3，点击 图标，放置三个地，并按照下页图连接好电路。n选择S参数扫描控件 放置在原理图中，并设置扫描的频率范围和步长，频率范围根据功分器的指标确定。n可以利用TemplateTemplate工具，添加S参数仿真控件。微波电路微波电路EDAEDA成都信息工程学院电子工程系成都信息工程学院电子工程系22第四章 单端口网络和多端口网络S参数仿真电路设置（续）微波电路微波电路EDAEDA成都信息工程学院电子工程系成都信息工程学院电子工程系23第四章 单端口网络和多端口网络S参数仿真电路设置（续）n隔离电阻的设置微波电路微波电路EDAEDA成都信息工程学院电子工程系成都信息工程学院电子工程系24第四章 单端口网络和多端口网络S参数仿真电路设置（续）n隔离电阻的设置 隔离电阻要选用贴片薄膜电阻，其宽度和微带线一致。要反复修正电路，让缝隙的宽度既能避免两支路间发生耦合，又能符合电阻尺寸的要求，同时要避免缝隙过小导致在电阻焊接时产生困难。微波电路微波电路EDAEDA成都信息工程学院电子工程系成都信息工程学院电子工程系25第四章 单端口网络和多端口网络优化目标的设置n在原理图设计窗口中选择优化工具栏n选择优化设置控件 放置在原理图中，双击该控件设置优化方法及优化次数。n常用的优化方法有Random(随机)、Gradient(梯度)等。n随机法通常用于大范围搜索，梯度法则用于局部收敛微波电路微波电路EDAEDA成都信息工程学院电子工程系成都信息工程学院电子工程系26第四章 单端口网络和多端口网络优化目标的设置（续）n这里总共设置了四个优化目标，由于电路的对称性，S31和S33不用设置优化。S11和S22分别用来设定输入输出端口的反射系数，S21用来设定功分器通带内的衰减情况，S23用来设定两个输出端口的隔离度。微波电路微波电路EDAEDA成都信息工程学院电子工程系成都信息工程学院电子工程系27第四章 单端口网络和多端口网络优化目标的设置（续）微波电路微波电路EDAEDA成都信息工程学院电子工程系成都信息工程学院电子工程系28第四章 单端口网络和多端口网络进行参数优化n设置完优化目标后最好先把原理图存储一下，然后就可以进行参数优化了。n点击工具栏中的Simulate 按钮就开始进行优化仿真了。在优化过程中会打开一个状态窗口显示优化的结果(见下页图)，其中的CurrentEF表示与优化目标的偏差，数值越小表示越接近优化目标，0表示达到了优化目标，下面还列出了各优化变量的值，当优化结束时还会打开图形显示窗口。n在一次优化完成后，要点击原理图窗口菜单中的Simulate-Update Optimization Values保存优化后的变量值(在VAR控件上可以看到变量的当前值)，否则优化后的值将不保存。微波电路微波电路EDAEDA成都信息工程学院电子工程系成都信息工程学院电子工程系29第四章 单端口网络和多端口网络观察仿真曲线n优化完成后必须关掉优化控件，才能观察仿真的曲线。方法是点击原理图工具栏中的 按钮，然后点击优化控件OPTIM，则控件上打了红叉表示已经被关掉。n要想使控件重新开启，只需点击工具栏中的 按钮，然后点击要开启的控件，则控件上的红叉消失，功能也重新恢复了。n对于原理图上其他的部件，如果想使其关闭或开启，也可以采取同样的方法。n点击工具栏中的Simulate 按钮进行仿真，仿真结束后会出现图形显示窗口。微波电路微波电路EDAEDA成都信息工程学院电子工程系成都信息工程学院电子工程系30第四章 单端口网络和多端口网络观察仿真曲线（续）n点击图形显示窗口左侧工具栏中的 按钮，放置一个方框到图形窗口中，这时会弹出一个设置窗口(见下页图)，在窗口左侧的列表里选择S(1,1)即S11参数，点击Add按钮会弹出一个窗口设置单位(这里选择dB)，点击两次OK后，图形窗口中显示出S11随频率变化的曲线。n用同样的方法依次加入S22，S21，S23的曲线。n为了准确读出曲线上的值，可以添加Marker，方法是点击菜单中的Marker-New，出现Instert Marker的窗口，接着点击要添加Marker的曲线，曲线上出现一个倒三角标志，点击拖动此标志，可以看到曲线上各点的数值。微波电路微波电路EDAEDA成都信息工程学院电子工程系成都信息工程学院电子工程系31第四章 单端口网络和多端口网络观察仿真曲线（续）微波电路微波电路EDAEDA成都信息工程学院电子工程系成都信息工程学院电子工程系32第四章 单端口网络和多端口网络观察仿真曲线（续）n观察S参数曲线是否满足指标要求，如果已经达到指标要求，就可以进行版图的仿真了。n版图的仿真是采用矩量法直接对电磁场进行计算，其结果比在原理图中仿真要准确，但是它的计算比较复杂，需要较长的时间，在此作为对原理图设计的验证。微波电路微波电路EDAEDA成都信息工程学院电子工程系成都信息工程学院电子工程系33第四章 单端口网络和多端口网络版图的仿真n点击菜单中的Layout-Generate/Update Layout，弹出一个设置窗口，直接点OK，又出现一个窗口，再点OK，完成版图的生成，这时会打开一个显示版图的窗口，里面有刚生成的版图。微波电路微波电路EDAEDA成都信息工程学院电子工程系成都信息工程学院电子工程系34第四章 单端口网络和多端口网络版图仿真的窗口 微波电路微波电路EDAEDA成都信息工程学院电子工程系成都信息工程学院电子工程系35第四章 单端口网络和多端口网络版图的仿真n版图生成后先要设置微带电路的基本参数(即原理图中MSUB里的参数)，方法是点击版图窗口菜单中的Momentum-Substrate-Update From Schematic从原理图中获得这些参数，点击Momentum-Substrate-Create/Modify可以修改这些参数。微波电路微波电路EDAEDA成都信息工程学院电子工程系成都信息工程学院电子工程系36第四章 单端口网络和多端口网络版图的仿真（续）n点击Momentum-Simulation-S-parameter弹出仿真设置窗口，该窗口右侧的Sweep Type选择Adaptive，起止频率设为与原理图中相同，采样点数限制取10(因为仿真很慢，所以点数不要取得太多)。然后点击Update按钮，将设置填入左侧列表中，点击Simulate按钮开始进行仿真。仿真过程中会出现一个状态窗口显示仿真进程(见下页图)。n仿真运算要进行数分钟，仿真结束后将出现曲线显示窗口，观察S参数曲线，性能有不同程度的恶化。微波电路微波电路EDAEDA成都信息工程学院电子工程系成都信息工程学院电子工程系37第四章 单端口网络和多端口网络观察仿真曲线微波电路微波电路EDAEDA成都信息工程学院电子工程系成都信息工程学院电子工程系38第四章 单端口网络和多端口网络版图的仿真n如果版图仿真得到的曲线不满足指标要求，那么要重新回到原理图窗口进行优化仿真，可以改变优化变量的初值，也可根据曲线与指标的差别情况适当调整优化目标的参数，重新进行优化。n在返回原理图重新优化时，要先使刚才打红上叉的部件恢复有效，然后才能进行优化，之后重复前面所述的过程，直到版图仿真的结果达到要求为止。微波电路微波电路EDAEDA成都信息工程学院电子工程系成都信息工程学院电子工程系39第四章 单端口网络和多端口网络（五）电路版图的绘制n仿真完成后要根据结果用Protel软件绘制电路版图，绘制版图时要注意以下几点n所用电路板是普通的双层板，上层用来绘制电路，下层整个作为接地。n在绘制版图时受加工工艺的限制，尺寸精度到0.01mm即可，线宽和线间缝隙要大于0.2mm。n考虑到加工电路板时的侧向腐蚀问题，微带线的宽度和长度要适当增加。n版图的大小要符合规定尺寸，功分器的两个输出端口的间距要符合规定值，以便于安装在测试架上。微波电路微波电路EDAEDA成都信息工程学院电子工程系成都信息工程学院电子工程系40第四章 单端口网络和多端口网络分支线耦合器微波电路微波电路EDAEDA成都信息工程学院电子工程系成都信息工程学院电子工程系41第四章 单端口网络和多端口网络分支线耦合器n一种具有多种功率分配比的微波功分器。不使用隔离电阻的情况下获得了很高的隔离度，并且驻波比良好，结构紧凑，尺寸小，重量轻，易加工，便于集成到其他其他系统中，可广泛应用于各种不同的微波电路中。n可达到30.7的相对带宽，功率损耗0.4dB，可实现两端口等分、非等分、三端口任意比例的功率分配。微波电路微波电路EDAEDA成都信息工程学院电子工程系成都信息工程学院电子工程系42第四章 单端口网络和多端口网络分支线耦合器微波电路微波电路EDAEDA成都信息工程学院电子工程系成都信息工程学院电子工程系43第四章 单端口网络和多端口网络分支线耦合器原理图微波电路微波电路EDAEDA成都信息工程学院电子工程系成都信息工程学院电子工程系44第四章 单端口网络和多端口网络分支线耦合器原理图（续）微波电路微波电路EDAEDA成都信息工程学院电子工程系成都信息工程学院电子工程系45第四章 单端口网络和多端口网络分支线耦合器原理图（续）微波电路微波电路EDAEDA成都信息工程学院电子工程系成都信息工程学院电子工程系46第四章 单端口网络和多端口网络版图