微波工程实验讲义

1、目录实验一 分支线定向耦合器的设计2实验二 Wilkinson功率分配器的设计23实验三 微带天线设计实验43实验四 平行耦合线微带带通滤波器58实验五 耦合线定向耦合器的制作76附录一 网络分析仪使用96附录二 匹配网络设计软件使用99附录三 微波实验板示意图101实验一 分支线定向耦合器的设计一、实验目的掌握分支线定向耦合器的原理及基本设计方法。学会使用ADS电磁仿真软件对分支线定向耦合器进行仿真。掌握分支线定向耦合器的实际制作和测试方法。二、实验要求做好实验设计前的预习和准备工作。掌握分支线定向耦合器的原理及设计方法。三、实验条件普纳PNA36系列网络分析仪、微波无源实验箱、PC机四、实

2、验原理1.1分支线定向耦合器理论基础在射频微波电路中，经常用到多端口网络，分支线定向耦合器是最常用的多端口网络，它在电路中起着重要作用，因为它能在固定参考相位的条件下，分开和组合射频微波信号。1.1.1微带分支定向耦合器的散射参数分支线定向耦合器是一个4端口网络，它有输入端口、直通端口、耦合端口和隔离端口，如图1.1所示。图中给出了耦合器中微带线段的结构尺寸和特性阻抗。图1.1 微带分支定向耦合器理想的微带分支定向耦合器的散射参量为： （1.1）由式（1.1）可以得出如下结论。l 因为S11 = S22 = S33 = S44 = 0，所以理想情况下在中心频率，它的4个端口是完全匹配的。l 因

3、为S21 = -j/, S31 = -1/，所以在端口1有输入而其他端口匹配时，端口2和端口3有等幅不同相输出，端口2输出比端口1输入信号滞后90，端口3输出比端口1输入信号滞后180。端口2输出和端口3输出相位相差90，这是一个90正交3dB耦合器。l 因为S41 = 0，所以在端口1有输入而其他端口匹配时，端口4无输出。l 分支线耦合器具有很好的对称性，4端口中任何一端口均可作为输入端口。因为有p/4段，所以分支线耦合器不是宽带器件。1.1.2分支线定向耦合器的参数指标1. 耦合度C耦合端口的输出功率和输入端口的输入功率之比为耦合度，记为： （1.2）耦合度的分贝数越大耦合越弱，通常把耦合

4、度0dB10dB的定向耦合器称为强耦合定向耦合器，把耦合度为10dB20dB,的定向耦合器称为中等耦合定向耦合器，把耦合度大于20dB的定向耦合器称为弱耦合器。2. 隔离度I隔离端口的输出功率P4和输入端口的输入功率P1之比为隔离度，记为： （1.3）3. 定向度D隔离端口的输出功率P4和耦合端口的输出功率P3之比为定向度，记为： （1.4）4. 回波损耗RL输入端口的回波损耗定义为： （dB） （1.5）同理，其他端口的回波损耗也类似。5. 输入驻波比端口、都接匹配负载时的输入端口的驻波比，记为： （1.6）1.2分支线定向耦合器尺寸计算微带线的几何结构如图1.2(a),电场线示意图绘于图1

5、.2(b)。宽度为W的导体印制在厚度为h、相对介电常数为接地电介质基片上。由于微带线包含空气和介质基片两种介质，因此为了分析方便，通常引入“有效介电常数”， 所谓“有效介电常数”是指在微带尺寸及其特性阻抗不变的情况下，用一均匀介质完全填充微带周围空间，以取代微带的混合介质，此均匀介质的相对介电常数就称为有效介电常数。因此，部分场线在电介质区域，部分场线在空气区域，所以有效介电常数满足关系1，并依赖与基片厚度h和导体带宽W。图1.2 微带传输线的计算公式如下： (1.7)引入以后，微带线的特性参量就可以用均匀介质来处理了，此时微带线的各参量由以下公式确定 (1.8)式中，为空气微带的特性阻抗，分

6、别为空气中的相移常数、工作波长和光速。微带线特性阻抗的计算比较复杂，对于导体带条厚度T=0的微带线，在实际应用中通常采用以下解析式近似计算。给定微带线的尺寸，特性阻抗可以计算为 (1.9)对于给定的特性阻抗和介电常数，比值可以求得为其中， (1.10)我们用上面的公式计算可以得到微带线的特性阻抗和相对介电常数与W/h的关系。当然也可以通过查表以及利用一些软件(例：ADS中的LineCalc工具等)来得到不同介电常数、不同W/h下的微带线特性阻抗，相反也可以由特性阻抗来综合出微带线的W/h等参数。1.2.1设计举例l 中心频率1GHz（注：由于本设计实验的微波实验板的尺寸有限，因此不能将微波器件

7、的工作频率设计的太低；同时工作频率也不能太高，因为这涉及到后续的测试问题，本实验采用的测试仪器，最高测试频率不能超过1.5GHz。因此中心频率可以在1GHz附近自由选择。）l 频带范围：0.951.05GHzl 频带内输入端口的回波损耗：，这里的是指RL1l 频带内的耦合度：，即l 频带内的隔离度：，即l 频带内的输入驻波比：l 频带内直通端和耦合端的输出相位差约为/2。l 微带线基板的厚度h为3mm，基板的相对介电常数为2.65通过前面的介绍，再根据图1.1所示的分支线耦合器各分支线的特性阻抗可以计算出个分支线的宽度和长度。这里我们利用MathCAD软件（也可以用Matlab编程实现）来计算

8、，如下所示，将微波板的各项已知参数和特性阻抗代入公式（1.7）至（1.10）中。通过以上计算可得的微带线宽度为8.195mm，四分之一波长为50.748mm。同理，可算出微带线宽度为13.483mm，四分之一波长为49.831mm。另一种更简便的计算方法是利用ADS仿真软件自带的工具【LineCalc】来计算微带线的尺寸，方法如下，选择计算机程序中的Advanced Design System2009ADS ToolsLineCalc，打开【LineCalc】，如图1.3所示。这里介绍一下各参数的含义。图1.3微带线尺寸计算工具【LineCalc】计算窗口l Type选择为MLIN，意为微带线

9、。l Er=2.65，表示微带线基板的相对介电常数为2.65。l Mur=1，表示微带线的相对磁导率为1，一般情况下都不用改变该值。l H=3mm，表示微带基板的厚度为3mm。l T=0.15mil，表示微带导体层厚度为0.15mil。一般情况下都不用改变该值。l Cond=4.1e7，表示微带线导体的电导率为4.1e7。l TanD=0.0003，表示微带线损耗角正切为0.0003。一般情况下都不用改变该值。l Freq=1GHz，表示计算时采用的频率1GHz。l Z0=50Ohm，表示计算时特性阻抗采用50。l E_Eff=90deg，表示计算时微带线的长度，采用90相移，四分之一波长。上

10、述设置完成后，单击【LineCalc】计算窗口中的【Synthesize】按钮，在【LineCalc】窗口中显示计算结果如下。l W= 8.189180mm，表示微带线的宽度为8.189180mm。l L= 50.503700mm，表示微带线的长度为50.503700mm。同理也可以算出的微带线尺寸，如下：l W= 13.483600mm，表示微带线的宽度为13.483600mm。l L= 49.583000mm，表示微带线的长度为49.583000mm。通过比较，不难发现，通过两种方法计算出来的结果十分接近，这里，大家任意选取一种方法计算即可。这里，我们选择第二种计算方法来进行下面的实验。五

11、、实验建模与仿真1.3微带分支线定向耦合器的原理图建模与仿真由前面的定向耦合器的理论基础，我们得到了微带分支定向耦合器的电路基本结构，接下来介绍如何用ADS仿真微带分支定向耦合器，这里我们仍以前面的设计举例为例进行说明。1.3.1耦合器原理图的建模1. 创建项目和原理图下面将创建微带分支定向耦合器项目hybrid_prj，本章所有的设计都将保存在这个项目之中。l 启动ADS软件，弹出主视窗。l 选择主视窗中的【file】菜单【New Project】，弹出【New Project】对话框，在【New Project】对话框的路径D:User中，输入微带分支定向耦合器的项目名称hybrid，设置

12、完成后【name】栏成为D: User hybrid_prj。l 在【New Project】对话框中，选择这个项目默认的长度单位，这里默认的长度单位选为millimeter。l 【New Project】对话框如图1.4所示，单击【New Project】对话框中的【OK】按钮，弹出原理图设计窗口，将原理图命名为coupler，并保存，完成创建微带分支定向耦合器项目。 图1.4 创建微带分支线定向耦合器项目 图1.5 “TLines-Microstrip”元件库2原理图建模（1）在coupler原理图设计窗口元件面板下拉列表中选择“TLines-Microstrip”元件库，打开微带元件面板

13、，如图1.5所示。（a）根据图1.1搭建微带分支定向耦合器原理图电路，在元件面板上选择MLIN ，四次插入到原理图的画图区，其中元件的旋转可以通过使用快捷键Ctrl+R实现。然后接着选择面板元件，T形结MTEE，四次插入原理图的画图区，并且用导线和四个MLIN相连接（工具栏上的按钮）如图1.6所示。 图1.6 分支线基本结构 图1.7变量控件设置窗口（b）在菜单中选择变量插件VAR，插入到原理图的画图区，双击控件VAR，分别设置四个变量W50、L50、W35、L35，赋值分别为8.19、50.50、13.48、49.58（这些数值都是在1.2节中计算所得，取近似值），如图1.7所示。选择使用变

14、量的目的是为了以后仿真和优化方便。（c）将图1.6所示的上下两个MLIN的数值设置为W=W35 mm，L=L35 mm；左右两MLIN的数值设置为W=W50 mm，L=L50 mm。接下来还要修改T形结MTEE的数值，参照图1.8所示。 图1.8 微带分支线定向耦合器原理图 图1.9 加上Term负载终端（2）选择S参数仿真元件面板【Simulation-S_Param】，在元件面板上选择负载终端Term，4次插入原理图中，分别连接到耦合器各个端口。在原理图工具栏中单击按钮，让4个负载终端Term接地。单击工具栏中的按钮，将原理图中的负载终端Term和微带分支定向耦合器连接起来，连接方式如图1

15、.9所示。图1.10 微带线参数设置控件（3）在微带元件面板【TLines-Microstrip】上，选择MUSB插入原理图的画图区，如图1.10所示对微带线的参数设置如下。l H=3mm，表示微带线基板的厚度为3mm。l Er=2.65，表示微带线基板的相对节点常数为2.65。l Mur=1，表示微带线的相对磁导率为1。l Cond=1.0e+50，表示微带线导体的电导率为1.0e+50。l Hu=1.0e+033mm，表示微带线的封装厚度为1.0e+0.33mm。l T=0.005mm，表示微带线的导体层厚度为0.005mm。l TanD=0.0003，表示微带线的损耗角正切为0.0003

16、。l Rough=0mm，表示微带线的表面粗糙为0mm。3原理图仿真在仿真之前，首先设置S参数仿真控件SP，SP对原理图中的仿真参量给出取值范围，当S参数仿真控件SP确定后，就可以仿真了。图1.11 S参数仿真控件（1）选择S参数仿真元件面板【Simulation-S_Param】上的仿真控件SP，插入到原理图的画图区，如图1.11所示对S参数仿真控件SP设置如下。l 频率扫描起始值Start设为0.8GHz。l 频率扫描终止值Stop设为1.2GHz。l 频率扫描步长Step设为0.005GHz。（2）在原理图工具栏中单击按钮，运行仿真，仿真结束后，数据显示视窗自动弹出。（3）数据显示视窗的

17、初始状态没有任何数据显示，选择需要显示的数据和数据显示的方式，这里选择的是矩形图显示S11、S21、S31、S41参数，如图1.12所示。由图可以看出，在中心频率处曲线基本满足技术指标，但是由于四个端口都没有接微带线仿真，所以中心频率有点偏移。图1.12 S参数曲线在中心频率处的数据4版图的生成由微带分支定向耦合器的原理图，可以生成与之相对应的微带分支定向耦合器版图，对比原理图和版图可以发现，原理图中构成电路的各种微带线元件模型，在版图中已经转化成实际微带线。选择原理图上的【Layout】菜单【Generate/Update Layout】，弹出【Generate/Update Layout】

18、设置窗口，单击窗口上的【OK】按钮，默认它的设置。这时又会弹出【Status of Layout Generation】版图生成状态窗口，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】按钮，完成版图的生成过程，如图1.13所示。图1.13 微带分支线定向耦合器版图111.3.2根据微波实验板进行布局和仿真由于微波实验板的尺寸和输出接头位置已经固定了，见附录3。在前面设计仿真的定向耦合器的基础上，设计出输出端口和基板相吻合的分支线定向耦合器，以便于后续的实物制作。由于附录3所示基板的上下两侧的端口是对称的，左右端口不对称，而且耦合器是

19、对称器件，所以选用上下两侧的端口作为耦合器的输入输出端口。至于选择上侧5个端口中的哪两个端口由耦合器主体大小决定。由1.3.1节设计出的分支线定向耦合器大小为6664mm，从附录3图中看出，可以使用和、和、和、和作为输出端口。如果考虑到一块微带线基板上放置多个微波无源器件，在不影响器件性能的基础上充分利用基板空间，这里可以选用和作为耦合器的端口，基板右侧空出来的部分可以再设计一个功分器（功分器设计将在下一个实验介绍）。下面将介绍利用和作为耦合器的端口，如何重新设计微带分支线定向耦合器。1. 创建原理图l 启动ADS软件，弹出主视窗。l 选择主视窗中的【file】菜单【Open Project】

20、，弹出【Open Project】对话框，选择之前创建的项目hybrid_prj打开。l 在项目hybrid_prj被打开的同时，上次创建的原理图coupler会自动弹出，我们点击原理图coupler视窗中的【file】菜单Save Design As，将原理图coupler另存为文件名coupler_2。2. 原理图建模从附录3图中给出的尺寸，可以算出和端口间的距离约为66.4mm，考虑到原理图仿真还需要优化，因此在耦合器主体和端口和相连接时，可以使用微带拐角，具体如下：（1）将4个负载终端Term同耦合器相连的导线删除。在coupler_2原理图设计窗口元件面板下拉列表中选择“TLines

21、-Microstrip”元件库，在元件面板上选择MSOBND，四次插入到原理图的画图区，设置4个MSOBND的宽度W=W50 mm，按图1.14所示连接。按图1.14所示的MSOBND的连接方式，使得耦合器正好能连接到和端口。 图1.14加上MSOBND的原理图 图1.15加上Term负载终端的原理图（2）鉴于两个端口的距离为116mm，而图1.14所示耦合器长度还不够，所以每个端口应该再接上一段50的微带线以便耦合器能和基板的端口相连。在“TLines-Microstrip”元件库中选择MLIN ，四次插入到原理图的画图区，并且将4个MLIN宽度和长度设置为W=W50 mm，L=25mm，然

22、后同4个负载终端Term相连接，如图1.15所示。3. 原理图仿真加上仿真控件SP后，在原理图工具栏中单击按钮，运行仿真，仿真结束后，数据显示视窗自动弹出。依照前面观看S参数曲线的方法，查看本次仿真的曲线图，如图1.16所示。由图1.16看出，在中心频率1GHz处，各项指标虽然能满足要求，但是在工作频带内其他频率处不满足技术指标，频率偏移严重，因此有必要调整原理图设计，对该设计进行优化，直到满足技术指标为止。图1.16 coupler_2原理图S参数曲线在中心频率处的数据4. 原理图优化因为前面的仿真都用到了变量，因此只要再添加优化控件和目标控件并设置后，就可以仿真了。由于只存在频率偏移，所以

23、优化的参数一般选则微带线的长度。（1）双击画图区的变量控件【VAR】，弹出【Variables and Equations】对话框，在对话框对变量L50、L35进行设置。选中L50变量，单击【Tune/Opt/Sat/DOE Setup】按钮，打开【Setup】设置窗口，在【Setup】窗口中，选择优化Optimization按钮，然后在【Optimization Status】栏选择Enable，在【Minimum Value】栏填入40，在【Maximum Value】栏填入60。其它保持默认，单击【OK】按钮结束对L50的设置。用同样的方法对变量L35进行设置，【Minimum Valu

24、e】栏填入40，在【Maximum Value】栏填入60。其它一样。完成设置的【Setup】窗口和【Variables and Equations】窗口如图1.17和图1.18所示。（2）选择原理图元件面板上【Optim/Stat/Yield/DOE】项。在优化的元件面板上，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个目标控件Goal。（3）优化控件Optim的设置保持默认。4个目标控件Goal的设置如下表1.1所示，其它未列出的选项保持默认状态。（4）现在可以对原理图仿真了，在原理图工具栏中单击仿真【Simulate】图标，运行仿真，仿真过

25、程中弹出了仿真状态窗口，记录了频率扫描范围、变量取值和仿真花费时间等。仿真结束后，选择【Simulate】菜单【Update Optimization Values】命令，将优化后的值更新在原理图中，反复优化和更新数值，直到仿真状态窗口中CurrentEF的值接近0。由于微带线基板的和端口间的距离约为40.5mm，所以结合L35的优化值，取L50=52.65，L35=40.5。 图1.17【Setup】窗口 图1.18【Variables and Equations】窗口表1.1 设置4个目标控件按钮名称优化目标1优化目标2优化目标3优化目标4ExprdB(S(1,1)dB(S(2,1)dB(

26、S(3,1)dB(S(4,1)SimInstanceNameSP1SP1SP1SP1Weight保留保留保留保留Min保留-3.2-3.2保留Max-20保留保留-20RangeVarfreqfreqfreqfreqRangeMin0.95GHz0.95GHz0.95GHz0.95GHzRangeMax1.05GHz1.05GHz1.05GHz1.05GHz图1.19微带分支线定向耦合器原理图优化数据（5）仿真结束后，数据显示窗口自动弹出，在数据显示视窗用矩形图表示各S参数曲线，如图1.19所示。从图1.19看出，在0.951.05GHz频带范围内，各曲线都满足技术指标。5. 版图的生成和仿真

27、前面相关部分已经介绍过了版图的生成，这里需要注意的是，在生成版图前需要使用工具【Deactivate or Activate Components】屏蔽优化控件OPTIM，不让它出现在生成的版图中。（1）原理图coupler_2生成的版图如图1.20所示，选择版图工具栏上的端口Port，4次插入到版图的各端口，与原理图中的端口序号相对应。图1.20原理图coupler_2生成的版图（2）为了使版图的仿真结果有效，必须使版图中微带线的基本参数与原理图中的微带线的基本参数一致，具体设置方法如下。l 选择版图视窗中的【Momentum】菜单【Substrate】【Create/Modify】命令，打

28、开【Create/Modify Substrate】窗口，如图1.21所示，在打开的设置窗口可以修改微带线的基本参数。l 还可以选择下面的方法设置微带线的基板参数。选择版图视窗中的【Momentum】菜单【Substrate】【Update From Schematic】命令，从原理图视窗得到微带线的基本参数。完成微带线的基本参数设置后，微带分支定向耦合器的版图设计就完成，接下来就可仿真了。（3）选择版图视窗中的【Momentum】菜单【Simulation】【S-Parameters】命令，打开仿真控制【Simulation Control】窗口。如下设置其内容。l 扫描类型Sweep Ty

29、pe设置为Adaptive。l 频率扫描的起始值为0.8GHz。l 频率扫描的终止值为1.2GHz。l 所取的采样点为10个。如果所取的样点越多，仿真的结果就越精确，但花费的仿真时间也越长。l 单击【Update】按钮，将上面的设置填到左侧频率计划表中，如图1.22所示。单击仿真控制【Simulation Control】窗口中的【Simulate】按钮，开始仿真。同样仿真过程依然会弹出仿真状态窗口，版图仿真的时间较原理图仿真花费时间长很多。（4）仿真结束后，数据显示视窗自动弹出，在数据显示视窗中用矩形图表示各S参数曲线。用marker做标记，如图1.23所示。从图1.23中可以看到，版图的仿

30、真数据与原理图的仿真数据差异很小，版图仿真一次就达到了指标要求，这是由于分支定向耦合器是对称结构。 图1.21版图中修改微带线参数的窗口 图1.22【Simulation Control】窗口图1.23 微带分支定向耦合器版图的仿真数据六、实物制作与测试制作：根据之前设计的分支线定向耦合器的尺寸，通过打印机将所设计的版图按照原始尺寸打印出来，然后将打印好的图纸放在铜箔的上面，两者对齐之后用胶带固定在实验箱的制作板上，接着用手术刀和钢尺对微带线进行制作。最后将刻好的微带分支线耦合器粘贴在微波板相应的位置。制作完成的实物如图1.24所示。这样，一个微带分支线定向耦合器就设计并制作好了。在制作的过程

31、中应注意的问题是： 用手术刀刻线时一定要直，尽量减少切割处的毛刺； 铜条的粘贴一定要平整； 由于铜箔上的导电粘胶不很均匀，所以要检查与接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“嘀”的响声，说明该测试处导电。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。因此在粘贴铜箔的过程中需要用万用表检查各连接处是否导通。测试：本实验使用南京普纳科技的PNA36系列网络分析仪进行测试，校准步骤见附录一。测试过程如图1.25所示。先进行回损校准，校准完之后便可以进行回波损耗测试，注意测试时应该在实验板上分别标记分支线耦合器的四个端

32、口，以免测试混乱，造成数据记录错误。回损校准的时候应该注意：将矢网仪的输出端口用测量线连接到电桥的入口端，电桥的出口用测量线连接到矢网仪的A端口或B端口（这取决于你校准的时候使用的是哪个端口），电桥的新测试端口接上保护接头后连接测试线，然后再进行下一步的“开路”和“短路”校准。回损校准完之后就可以开始测试了，例如：测试耦合器端口1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耦合器的端口1，耦合器的其它端口则都要接上匹配负载，然后将微波板平稳的放在实验台上，最后在仪器或者电脑上读取测试曲线。测试完成后注意在电脑上保存相应的测试曲线，并命名好。这样依次测量各个端口的回损。耦合器各

33、端口的回损测量完之后，接着参照附录一进行插损校准，注意插损的校准只有一个“直通”，校准完之后衰减器不用取下来，直接接到耦合器的待测端口进行测量。举例说明如下，测量S21，矢网仪的输出端口连接到耦合器的端口1，矢网仪的A端口或B端口（这取决于你校准的时候使用的是哪个端口）连接到耦合器的端口2，耦合器的其它未测端口仍然要连接匹配负载。测试完成后依然要在电脑上保存相应的测试曲线。 图1.24 制作完成的实物图 图1.25 测试过程示意图七、测试结果分析测试结果图如图1.26(a)至图1.26(d)所示。从图1.26(a)可以看出，回波损耗和图1.23所示版图仿真结果比较一致；图1.26(b)和图1.

34、26(c)所示的S21、S31曲线和图1.23所示S21、S31曲线比较一致；图1.26(d)所示的S41曲线和图1.24所示的S41曲线有较大的差别，尤其是最小值差别太大，但是在所测频段0.8GHz1.2GHz范围内，S41值都在-10dB一下，这和版图仿真结果较为一致。将测试数据填入表1.2中。综上所述，该分支线定向耦合器的测试结果和仿真结果比较一致，证明了这个设计的正确性和可行性。同时由于手工制作的原因，难免存在各种误差，这也是该设计的缺点所在。表1.2 测试结果指标起始频率（MHz）终止频率（MHz）带宽（MHz）中心频率的测量值86011703101.1079501050100-3.

35、429501050100-3.989501050100-13.6分析实验中遇到的问题：(a)调节哪些参数优化仿真结果，为什么调节这些参数可以使结果最优？(b)分析仿真结果与实测结果。(c)简述自己在试验中遇到的问题和解决的办法。表1.3 学时安排预计软件学习尺寸计算与建模仿真制作测试总计4课时3课时1课时2课时10课时 图1.26(a) S11测试曲线图1.26(b) S21测试曲线图1.26(c) S31测试曲线 图1.26(d) S41测试曲线实验二 Wilkinson功率分配器的设计一、实验目的掌握功分器的原理及基本设计方法。学会使用ADS电磁仿真软件对功分器进行仿真。掌握功分器的实际制

36、作和测试方法。二、实验要求做好实验设计前的预习和准备工作。掌握功分器的原理及设计方法。三、实验条件普纳PNA36系列网络分析仪、微波无源实验箱、PC机四、实验原理1.1分支线定向耦合器理论基础在射频和微波电路中，为了将功率按一定的比例分成两路，需要使用功率分配器。功率分配器有多种形式，其中最常用的是四分之一波长（p/4）功率分配器，这种功率分配器称为威尔金森（Wilkinson）功率分配器。威尔金森功率分配器由三端口网络构成，其功率分配可以是相等的，也可以是不相等的，本章主要介绍等功率分配的微带线Wilkinson功率分配器。1.1.1 功率分配器的散射参数图2.1 Wilkinson功率分配

37、器Wilkinson功率分配器由三端口网络构成，如图2.1所示，信号由端口1输入、由端口2和端口3输出。图中给出了Wilkinson功率分配器中微带线段的结构尺寸和特性阻抗。理想的3dB微带Wilkinson功率分配器的散射参量为： （2.1）由式（1.1）可以得出如下结论。l 因为S11 = S22 = S33 = 0，所以理想情况下在中心频率，它的3个端口是完全匹配的。l 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，并且都比输入信号滞后90，这说明这是一个功分比为1的3dB功率分配器。l 因为S23 = S32 =0，所以这个功率

38、分配器两个支路是完全隔离的。l 因为有p/4段，所以这个功率分配器不是宽带器件。1.1.2功率分配器的参数指标功率分配器的技术指标主要包括频率范围、端口的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等。（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密切相关，必须首先明确功率分配器的工作频率，才能进行具体的设计工作。（2）端口的电压驻波比或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，分别由散射参量S11、S22和S33决定。其中端口1的电压

39、驻波比为： （2.2）用dB表示的端口1的回波损耗为： （dB） （2.3）用同样的方法可以求出端口2和端口3的电压驻波比和回波损耗。功率分配器3个端口的理想工作状态是匹配的，因此希望每个端口的电压驻波比越小越好（理想值是1），每个端口的回波损耗的模值越大越好。（3）输入输出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IL： （dB） （2.4）输入输出间的传输损耗是由于传输线的介质或导体不理想等因数导致的，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，在理想情况下，隔离端口间应没有相互输

40、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到端口3的隔离度定义为： （dB） （2.5）当功率分配器两个支路的结构完全对称时，散射参量S23=S32，式（2.5）中的隔离度也可以由S23定义。1.2微带功分器的尺寸计算微带线的几何结构如图2.2(a),电场线示意图绘于图2.2(b)。宽度为W的导体印制在厚度为h、相对介电常数为接地电介质基片上。由于微带线包含空气和介质基片两种介质，因此为了分析方便，通常引入“有效介电常数”， 所谓“有效介电常数”是指在微带尺寸及其特性阻抗不变的情况下，用一均匀介质完全填充微带周围空间，以取代微带的混合介质，此均匀介质的相对介电常

41、数就称为有效介电常数。因此，部分场线在电介质区域，部分场线在空气区域，所以有效介电常数满足关系1，并依赖与基片厚度h和导体带宽W。图2.2 微带传输线的计算公式如下： (2.6)引入以后，微带线的特性参量就可以用均匀介质来处理了，此时微带线的各参量由以下公式确定 (2.7)式中，为空气微带的特性阻抗，分别为空气中的相移常数、工作波长和光速。微带线特性阻抗的计算比较复杂，对于导体带条厚度T=0的微带线，在实际应用中通常采用以下解析式近似计算。给定微带线的尺寸，特性阻抗可以计算为 (2.8)对于给定的特性阻抗和介电常数，比值可以求得为其中， (2.9)我们用上面的公式计算可以得到微带线的特性阻抗和

42、相对介电常数与W/h的关系。当然也可以通过查表以及利用一些软件(例：ADS中的LineCalc工具等)来得到不同介电常数、不同W/h下的微带线特性阻抗，相反也可以由特性阻抗来综合出微带线的W/h等参数。1.2.1设计举例l 3dB单节Wilkinson功率分配器。l 中心频率1GHz。（注：中心频率的选择参照实验一分支线定向耦合器部分的说明）l 工作频带范围：0.9GHz1.1GHz。l 工作频带内输入端口的回波损耗：，这里的是指RL1。l 工作频带内的传输损耗：。l 两个输出端口间的隔离度S23(dB) -20dB。l 微带线基板的厚度为3mm，基板的相对介电常数为2.65。l 各端口特性阻

43、抗采用50。通过前面的介绍，再根据图2.1所示的分支线耦合器各分支线的特性阻抗可以计算出个分支线的宽度和长度。这里我们利用MathCAD工具（也可以用Matlab编程实现）来计算，如下所示，将微波板的各项已知参数和特性阻抗代入公式（2.6）至（2.9）中。通过以上计算可得的微带线宽度为8.195mm，四分之一波长为50.748mm。同理，可算出微带线宽度为4.599mm，四分之一波长为51.68mm。另外，根据第一章相关内容的介绍，还可以利用ADS仿真软件自带的工具【LineCalc】来计算微带线的尺寸，这里不再赘述，相关内容请参考实验一。五、实验建模与仿真1.3微带Wilkinson功率分配

44、器的原理图建模与仿真 由前面的Wilkinson功率分配器的理论基础，我们得到了微带Wilkinson功率分配器的电路基本结构，接下来介绍如何用ADS仿真微带Wilkinson功率分配器，这里我们仍以前面的设计举例为例进行说明。1.3.1设计微带分支定向耦合器的原理图1. 创建项目和原理图下面将创建微带分支定向耦合器项目hybrid_prj，本章所有的设计都将保存在这个项目之中。l 启动ADS软件，弹出主视窗。l 选择主视窗中的【file】菜单【New Project】，弹出【New Project】对话框，在【New Project】对话框的路径D:User中，输入微带分支定向耦合器的项目名

45、称divider，设置完成后【name】栏成为D: User divider_prj。l 在【New Project】对话框中，选择这个项目默认的长度单位，这里默认的长度单位选为millimeter。l 【New Project】对话框如图2.3所示，单击【New Project】对话框中的【OK】按钮，弹出原理图设计窗口，将原理图命名为divider，并保存，完成创建微带Wilkinson功率分配器项目。 图2.3创建Wilkinson功率分配器项目 图2.4 “TLines-Microstrip”元件库2原理图建模下面在divider的原理图上，搭建原理图电路并设置参数。图2.5 微带线参

46、数设置控件（1）在divider原理图设计窗口元件面板下拉列表中选择“TLines-Microstrip”元件库，打开微带元件面板，如图2.4所示。选择MUSB插入原理图的画图区，在画图区中双击MSub，弹出【Microstrip Substrate】设置对话框，对微带线的参数设置如下。l H=3mm，表示微带线基板的厚度为3mm。l Er=2.65，表示微带线基板的相对节点常数为2.65。l Mur=1，表示微带线的相对磁导率为1。l Cond=1.0e+50，表示微带线导体的电导率为1.0e+50。l Hu=1.0e+033mm，表示微带线的封装厚度为1.0e+0.33mm。l T=0.0

47、05mm，表示微带线的导体层厚度为0.005mm。l TanD=0.0003，表示微带线的损耗角正切为0.0003。l Rough=0mm，表示微带线的表面粗糙为0mm。完成设置的微带线MSUB控件如图2.5所示。（2）在菜单中选择变量插件VAR，插入到原理图的画图区，双击控件VAR，分别设置四个变量W50、W70、L1、L2、L3、L4、Lx，赋值分别为8.2、4.6（这两个值都是前面计算后的近似值）、11、12、4、13、5，如图2.6所示。其中W50、W70是特性阻抗为50和的微带线宽度，考虑到后面的设计将要用到前面章节设计分支线定向耦合器的微带线基板所剩下的空间，其它变量的含义将在接下

48、来的设计中给予描述。（3）在TLines-Microstrip”元件库中，选择MLIN和MTEE，插入到原理图的画图区，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。设置完成输入端口如图2.7所示。（4）接着选择MLIN，4次插入到原理图的画图区；选择MSOBND，2次插入到原理图的画图区；然后选择MTEE，插入到原理图的画图区并将它们连接起来，构成功率分配器的一个支路，如图2.8所示，并设置它们的数值。用同样的方法搭建功率分配器的另一个支路的原理图，并在两个支路中间插入电阻R，设置电

49、阻R=100，将所有的电路连接起来，如图2.9所示，最后按照图2.9所示修改各元器件的数值。（5）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，如图2.10和图2.11所示，并按照图2.10和图2.11所示设置它们的数值。（6）至此功率分配器的原理图已经搭建完成，将它们连接起来，构成功率分配器的原理图电路，如图2.12所示。注意，之所以增加了TL8和TL9是考虑到将来实际制作功分器的时候，贴片电阻有可以焊接的空间。（7）前面6个步骤设计出了功分器的主体结构，并且考虑到了利用附录3所示微波实验板上的端口F和端口分别作为功分器的输入和输出端口，因此我

50、们只要控制功分器中的长度L2和L4就可以使功分器的输出端口和微带基板上的端口相对齐。图2.6 变量控件设置窗口 图2.7功率分配器的输入端口 图2.8 功率分配器的一个支路图2.9 不带输出端口的功率分配器原理图 图2.10 功率分配器的一个输出端口 图2.11 功率分配器的另一个输出端口图2.12 带有两个输出端口的功率分配器（8）由图2.12可以看出，微带线TL2、TL4、TL6构成了四分之一的波长的传输线，考虑到实际制作的功分器需要焊接贴片电阻，并且贴片电阻有一定的长度，所以要保证由TL2、Tee1和TL3构成的传输线的长度大于由TL6、Tee2、TL8、TL9、Tee3和TL7构成的传

51、输线的长度。如果不满足以上条件，会导致由原理图生成的版图畸形。为此，必须满足以下方程组的要求，这里先令TL2和TL3的长度为La。在满足条件（1）的前提下，再考虑条件（2）选择L1和L2的长度，并且还要保证输入输出端口能够和微波实验板的端口F、端口对齐。注意选择L2的大小时应该考虑到使微带线耦合尽量小。3. 原理图的优化和仿真由前面的设计步骤可知，需要综合考虑各长度变量的取值，才能设计出合适的功率分配器。接下来就是要进行原理图的优化和仿真。（1）选择S参数仿真元件面板【Simulation-S_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，

52、负载终端Term2、Term3为输出端口，分别与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。l 频率扫描类型Sweep Type选为Linear。l 频率扫描起始值Start设为0.6GHz。l 频率扫描终止值Stop设为1.4GHz。l 频率扫描步长Step-size设为0.005GHz。 （a）变量优化值的取值范围 （b）变量设置对话框的完成状态图2.13 变量参数设置（2）双击画图区的变量控件VAR，弹出【Variables and Equations】对话框，在对话框中选择变量L1和L2作为优化变量进行设置，选中变量L1，单击【

53、Tune/Opt/Sat/DOE Setup】按钮，打开【Setup】设置窗口，在【Setup】窗口中，选择优化Optimization按钮，然后在【Optimization Status】栏选择Enable，在【Minimum Value】栏填入5，在【Maximum Value】栏填入20。其它保持默认，单击【OK】按钮结束对L1的设置。用同样的方法对变量L2进行设置，【Minimum Value】栏填入9，在【Maximum Value】栏填入15，完成设置的【Setup】窗口和【Variables and Equations】窗口如图2.13所示。（3）选择原理图元件面板上【Optim/Stat/Yield/DOE】项。在优化的元件面板上，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个目标控件Goal。优化控件Optim的设置保持默认。4个目标控件Goal的设置如下表1.1所示，其它未列出的选项保持默认状态。表2.1 设置4个目标控件按钮名称优化目标1优化目标2优化目标3优化目标4ExprdB(S(1,1)dB(S(2,2)dB(S(2