微带wilkinson功分器的仿真设计
实验报告
学院电子科学与工程学院
姓名
学号
指导教师
2016年10月21日
一、实验目的
● 了解功率分配器电路的原理及设计方法。

● 学习使用ADS 软件进行微波电路的设计，优化，仿真。

● 掌握功率分配器的制作及调试方法。

二、设计要求指标
● 通带范围0.9 — 1.1GHz 。

● 双端输出，功分比为1:1。

● 通带内个端口反射系数小于-20dB 。

● 两个输出端口的隔离度小于-20dB 。

●
传输损耗小于3.1dB 。

三、设计思路
图一：设计思路示意图
四、理论分析设计
1. 基本工作原理分析
功率分配器是三端口电路结构，其信号输入端的输入功率为P1，而其它两个输出端的输出功率分别为P2和P3。

理论上，由能量守恒定律可知：P1=P2+P3。

端口特性为：(1) 端口1无反射
(2) 端口2和端口3输出电压相等且相同
(3) 端口2、端口3输出功率比值为任意指定值1/k 2 由这些条件可以确定Z o2、Z o3以及R 2、R 3的值。

2.功分器技术指标计算 (1) 输入端口回波损耗
理论学习尺寸计算
绘制ADS 原理图
原理图仿真
优化设计版图仿真
输入端口1的回波损耗根据输入端口1的反射功率和输入功率之比来计算
s11=−10Log(P r P i )
(2)插入损耗
输入端口1的回波损耗根据输出端口的输出功率和输入端口1的输入功率之比来计算
S21=−10Log(P2
P1
) S31=−10Log(
P2
P1
)
(3)输出端口间的隔离度
输出端口2和输出端口3间的隔离度可以根据输出端口2和输出端口3的输出功率比来计算
S23=−10Log(P2 P3 )
(4)功分比
当其它端口没有反射时，功分比根据输出端口3和输出端口4的输出功率比来计算
K2=P2 P3
(5)相位平滑度
在做功率分配器时，输出端口的平滑度直接影响功率合成效率。

五、尺寸计算
使用ADS软件自带的计算工具计算出微带线的尺寸。

图5.1 50Ω的微带线宽度计算
图5.2 75Ω的微带线宽度计算
输入Z0=50Ohm,可以算出微带线的宽度为1.52mm。

填入ZO=70.7Ohm和E_Eff=90deg，可以算出微带线的线宽为0.79mm和长度42.9mm。

完成理论值计算。

六、ADS仿真步骤
(一)创建项目
⏹点击File->New Project设置工程文件名称为Wilkinson divider，点击Length
Unit设置长度单位为mm。

⏹点击New Project对话中的OK键，并保存文件。

（二）创建原理图
⏹将MUSB插入原理图，参数设置：H：基板厚度(0.8 mm)；er：基板相对介电常数
(4.3)；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)。

如下图所示：
图6.1：MSub控件参数
⏹在菜单中选择变量VAR空间，插入到原理图,设置w1范围为0.7-0.9，l1范围
为5-20。

设置后如下图所示：
图6.2：Var控件参数
⏹同样方法完成原理图绘制
图6.3：完整原理图
（三）原理图S 参数仿真
图6.4：原理图S 参数仿真结果
（四）指标优化
0.75 1.00 1.250.50 1.50-47.5-35.0-22.5-60.0
-10.0freq, GHz
d B (S (1,1))
0.75 1.00 1.250.50
1.50
-3.25-3.15-3.35
-3.05freq, GHz
d B (S (2,1))
0.75 1.00 1.250.50
1.50
-40-30-20-50-10freq, GHz
d B (S (2,3))
0.75 1.00 1.250.50
1.50
-35-25-45-15
freq, GHz
d B (S (2,2))
⏹在原理图设计窗口中选择优化工具栏
⏹选择优化设置控件Optim放置在原理图中，双击该控件设置优化方
法及优化次数。

⏹常用的优化方法有Random(随机)、Gradient(梯度)等。

随机法通常用于大范围
搜索，梯度法则用于局部收敛
⏹因为具有四个优化目标，所以在插入Optim后需插入4个Goal控件设置，并进
行参数设置，例如：
⏹在Expr中设置表达式dB(S(1,1))，表示优化的目标是端口1反射系数的dB值。

⏹在SimInstanceName中，输入SP1，表示是针对S参数仿真SP1进行的优化。

⏹Max=-20,表示优化的目标不超过-20dB
⏹Min值不添，这是由于S(1,1)的值越小越好
⏹Weight值不添，这是由于优化的几个参数没有主次之分。

⏹RangeVar[1]=freq，表示优化是在一定频率范围内进行的。

⏹RangeMin[1]=0.9GHz，表示频率变化范围的最小值为0.9GHz。

⏹RangeMax[1]=1.1GHz，表示频率变化范围的最大值为1.1GHz。

图6.5：设置优化指标后的原理图
（五）优化后的S参数仿真
图6.6：优化后的S 参数结果
（六）生产版图
图6.7：版图
（七）版图仿真
⏹ 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。

⏹ 为了进行S 参数仿真还要在功分器两侧添加两个端口，做法是点击工具栏
0.75 1.00 1.250.50 1.50
-30-20-40-10
freq, GHz
d B (S (1,1))
0.75 1.00 1.250.50
1.50
-3.25-3.15-3.35
-3.05freq, GHz
d B (S (2,1))
0.75 1.00 1.250.50
1.50
-38-31-24
-45-20freq, GHz
d B (S (2,2))
0.75 1.00 1.250.50
1.50
-35-25-15-45-10freq, GHz
d B (S (2,3))
上的Port按钮，弹出port设置窗口，点击OK关闭该窗口，在电路两边要
加端口的地方分别点击加上两个port。

⏹电阻要替换成薄膜电阻，否则无法用矩量法进行仿真，注意薄膜电阻的宽度
要和连接的微带线一致，不要忘记在substrate中的metallization layers
中加入薄膜电阻所在的层。

⏹点击EM -> Simulation Setup -> frequence plan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)。

然后点击保存
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。

⏹在option中调整网格大小，如图所示：
图6.8 网格大小的调整
（八）版图仿真S参数结果
图6.9 版图S参数仿真结果
版图仿真结果看出通带内个端口反射系数小于-20dB，两个输出端口的隔离度小于-20dB,传输损耗小于3.1dB。

符合设计要求。