威尔金森功分器
一、实验目的：
1、了解功率分配器电路的原理及设计方法。

2、学习使用ADS软件进行微波电路的设计，优化，仿真。

3、掌握功率分配器的制作及调试方法。

二、实验任务：
1、了解功分器的工作原理。

2、使用ADS软件设计一个功分器，并对其参数进行优化、仿真。

3、根据软件设计的结果绘制电路版图，并加工成电路板。

4、对加工好的电路进行调试，使其满足设计要求。

三、实验内容、实验过程描述：
1、设计指标：通带0.9－1.1GHz，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。

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。

2、用ADS软件设计
（1）、打开ADS软件
（2）、创建新的工程文件
（3）、打开原理图设计窗口
在原理图所设计窗口中选择微带电路的工具栏
选用微带线以及
连接好的原理图如下
（5）设置微带电路的基本参数
双击图上的控件MSUB设置微带线参数
H:基板厚度(1 mm)
Er:基板相对介电常数(4.8)
Mur:磁导率(1)
Cond:金属电导率(5.88E+7)
Hu:封装高度(1.0e+33 mm)
T:金属层厚度(0.03 mm)
TanD:损耗角正切(1e-4)
Roungh:表面粗糙度(0 mm)
（6）设置微带器件的参数
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。

单击工具栏上的V AR 图标，把变量控件V AR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。

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)。

（7）S参数仿真电路设计
在原理图设计窗口中选择S参数仿真的工具栏
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。

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。

可以利用Template工具，添加S参数仿真控件。

设置隔离电阻
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
优化目标的设置
在原理图设计窗口中选择优化工具栏
随机法通常用于大范围搜索，梯度法则用于局部收敛
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。

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。

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。

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V AR控件上可以看到变量的当前值)，否则优化后的值将不保存。

（9）观察仿真曲线
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。

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。

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。

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。

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。

用同样的方法依次加入S22，S21，S23的曲线。

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。

（10）基于版图的仿真
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。

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。

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。

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。

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)。

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。

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。

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。

实验小结
通过这次实验，我们小组学会了利用ADS软件设计传输线和传输器件，同时学会了如何仿真及优化，加深了对ADS软件的了解，熟练了如何操作ADS软件。