微波技术基础实验二 功分器与定向耦合器设计

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1.设计、模拟和优化功分器的原理图
用ADS该软件设计了等分威尔金森功分器，并根据给定优化其性能参数。

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

2.设计工程和原理图
新原理图，设计输入端口电路、阻抗变换电路和输出端口电路，如下图所示。

3.设置基板参数
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所示。

打开“LineCalc窗口如下图所示Substrate Parameters”栏中输入MSUB在Component Parameters”栏中的“Freq项中输入功分器中心的频率为1GHz。特性阻抗为50Ohm，“E_Eff”为10.7912时，相应传输线的宽度为1.521330mm。特性阻抗为70.7Ohm，“E_Eff当对应的传输线宽度为90(即四分之一波长)时.788886mm，长度为42.897100mm(约四分之一波长)。

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

原理图中功分器各段微带线的宽度和长度依次设置，具体变量设置如下图所示。
4.模仿功分器原理
将S参数扫描控件添加到原理图中。具体参数设置如下图所示。

添加三个“Term组件及相应的地面，并连接好。完整的电路图如下图所示。

模拟结果如下图所示。从图中可以看出，当使用理论计算结果作为功分器参数时，功分器在多个要求的全频带中的隔离度不达到指标，平整度较差，因此需要优化功分器的各个参数。

5.功分器电路参数的优化
阻抗匹配直接影响电路的性能。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.为了实现阻抗匹配，需要针对w2和lh优化两个参数。
添加VAR参数设置在下图中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所示。由于电路的对称性，S(3,1)和S(3、3)无需设置优化，S(1,1)和S(2)分别用于设置输入输出端口的反射系数，S(2、1)用于设置功分器通带内的衰减，S(2,3)用于设置两个输出端口的隔离度。

优化仿真的结果如下图所示。所有指标均符合设计要求，在通带内相对平整。

二、生成和模拟功分器的地图
1.生成功分器版图
失效“SP三个控件Term组件，三个地Optim四个控件Goal执行元件。Layout”中的“Generate/Update Layout将原理图中的传输线模型转传输线模型转线，如下图所示。

将原理图的基板和微带参数更新到地图中。

2.模拟功分器版图
插入三个端口，如下图所示。

如下图进行仿真设置，设置好参数后保存。

模拟结果如下图所示。

定向耦合器的原理图设计、模拟和优化
本节将设计一个3dB Lange耦合器，并根据给定的指标优化其性能参数。
1.Lange耦合设计指标

2.建立工程设计原理图
新建原理图，插入微带Lange耦合器（Mlang）与微带基片（MSUB）。
插入S参数模拟模块。Lange耦合器是四端口结构，插入S参数模拟模块后，复制两个Term和地元件，如下图所示。(注意四个Term组件的顺序)。

原理图的基本组件已经放置，其中Term一是输入端口，Term2为直通端口，Term3位耦合端口，Term四是隔离端口，Ratio在数据显示窗口中观察直接耦合端口之间的相位差。
3.设置微带参数
在原理图中设置MSUB如下所示。

4.Lange耦合器的参数设置
设置Lange如下所示。

5.Lange模拟耦合器的原理
设置“SP如下所示。

S(21)、S(31)、S(41)模拟结果如下图所示。

设置参量“swr如下图所示。

输入驻波比的参数图如下图所示。

如下图所示。

Ratio相位参数图如下图所示。

6.Lange耦合器的参数优化
从图中可以看出，经验公式模拟的结果不符合要求3dB Lange耦合器的指标也需要优化耦合器的参数。确定微带的基本参数后，只能优化微带线宽W和微带线间距S。插入理图中插入插入VAR下图设置了控件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元件中的参数，使W=Wmil，S=Smil。

插入一个“Optim具体参数设置如下图所示。

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

优化仿真后的保存和原理图，如下图所示。

四、生成和模拟功分器的地图
Lange耦合器版图的生成（详见报告）
2.Lange耦合模拟(详见报告)

实验总结
经过这次实验，我学会了应用Richards变换与Kuroda微带低通滤波器的规则设计，然后采用阶跃阻抗设计原理设计低阻抗短传输线，而不是终端开路传输线，并采用平衡技术进行优化。了解功分器和定向耦合器的相关知识，掌握了使用ADS设计、优化和模拟功分器和定向耦合器的原理图，并生成地图进行模拟。