1、ADS功分器設計與調試 實驗二 功分器的設計 ADS功分器設計與調試 （一） 實驗目的 了解功率分配器電路的原理及設計方法。 學習使用ADS軟件進行微波電路的設計， 優化，仿真。 掌握功率分配器的制作及調試方法。 ADS功分器設計與調試 （二） 實驗內容 了解功分器的工作原理。 使用ADS軟件設計一個功分器，并對其 參數進行優化、仿真。 根據軟件設計的結果繪制電路版圖，并 加工成電路板。 對加工好的電路進行調試，使其滿足設 計要求。 ADS功分器設計與調試 （三） 功分器的技術指標 通帶內各端口反射系數 通帶內兩輸出端口間的隔離度 通帶內傳輸損耗 通帶內功分比 通帶內相位平衡度 ADS功分器設

2、計與調試 （四） 用ADS軟件設計功分器軟件設計功分器 本節內容是介紹使用ADS軟件設計功分 器的方法：包括原理圖繪制，電路參數 的優化、仿真，版圖的仿真等。 下面開始按順序詳細介紹ADS軟件的使 用方法。 ADS功分器設計與調試 ADS軟件的使用 啟動ADS進入如下界面 ADS功分器設計與調試 創建新的工程文件 點擊File-New Project設置工程文件名 稱（本例中為divider）及存儲路徑 點擊Length Unit設置長度單位為毫米 ADS功分器設計與調試 創建新的工程文件（續） 工程文件創建完畢后主窗口變為下圖 ADS功分器設計與調試 創建新的工程文件（續） 同時原理圖設計窗

3、口打開 ADS功分器設計與調試 功分器的設計 下圖是一個等功率分配器，它由兩段不同特性阻 抗的微帶線組成，兩臂是對稱的。我們以這種結 構的功分器為例，介紹一下設計的過程。 1 2 3 ADS功分器設計與調試 功分器的設計（續） 設計指標：通帶0.91.1GHz，功分比為1：1， 帶內各端口反射系數小于-20dB ，兩輸出端隔 離度小于-25dB，傳輸損耗小于3.1dB。 在進行設計時，主要是以功分器的S參數作為 優化目標進行優化仿真。S21、 S31是傳輸參數， 反映傳輸損耗；S11、 S22、 S33分別是輸入輸 出端口的反射系數。S23反映了兩個輸出端口 之間的隔離度。 ADS功分器設計與

4、調試 生成功分器的原理圖 在原理圖設計窗口中選擇微帶電路的工具 欄 窗口左側的工具欄變為右圖所示 選擇微帶線 以及 控件MSUB 分別放置在繪圖區中 選擇畫線工具 將電路連接好， 連接方式見下頁圖（本圖只是提 供參考，還有其它形式可供選擇。） ADS功分器設計與調試 功分器的原理圖示例 ADS功分器設計與調試 設置微帶電路的基本參數 雙擊圖上的控件MSUB設置微帶線參數 nH:基板厚度(0.8 mm) nEr:基板相對介電常數(4.3) nMur:磁導率(1) nCond:金屬電導率(5.88E+7) nHu:封裝高度(1.0e+33 mm) nT:金屬層厚度(0.03 mm) nTanD:損

5、耗角正切(1e-4) nRoungh:表面粗糙度(0 mm) ADS功分器設計與調試 微帶線計算工具 功分器兩邊的引出線是特性阻抗為50歐姆的微帶 線，它的寬度W可由微帶線計算工具得到。 填入50 Ohm可以算出微帶線的線寬1.52 mm。 填入70.7 Ohm和90 deg可以算出微帶線的線寬 0.79 mm和長度42.9 mm(四分之一波長)。 ADS功分器設計與調試 設置微帶器件的參數 雙擊每個微帶線設置參數，W、L分別設為相 應的變量或常量，單位mm，注意上下兩臂的 對稱性。 ADS功分器設計與調試 添加變量 單擊工具欄上的VAR 圖標，把變量控 件VAR放置在原理圖上，雙擊該圖標彈

6、出變量設置窗口，依次添加W，L參數。 中間微帶線的長度大約為四分之一波長 (根據中心頻率用微帶線計算工具算出)， 各個線寬的初始值可以用微帶線計算工 具算出，微帶線的寬度最窄只能取0.2 mm(最好取0.5 mm以上)。 ADS功分器設計與調試 S參數仿真電路設置 在原理圖設計窗口中選擇S參數仿真的工具欄 選擇Term 放置在功分器三個端口上，用來 定義端口1、2和3，點擊 圖標，放置三個地， 并按照下頁圖連接好電路。 選擇S參數掃描控件 放置在原理圖中，并設 置掃描的頻率范圍和步長，頻率范圍根據功分 器的指標確定。 ADS功分器設計與調試 S參數仿真電路設置（續） ADS功分器設計與調試 優

7、化目標的設置 在原理圖設計窗口中選擇優 化工具欄 選擇優化設置控件 放置 在原理圖中，雙擊該控件設 置優化方法及優化次數。 n常用的優化方法有Random(隨 機)、Gradient(梯度)等。 n隨機法通常用于大范圍搜索， 梯度法則用于局部收斂 ADS功分器設計與調試 優化目標的設置（續） 這里總共設置了四個優化目標，由于 電路的對稱性，S31和S33不用設置優 化。S11和S22分別用來設定輸入輸出 端口的反射系數，S21用來設定功分 器通帶內的衰減情況，S23用來設定 兩個輸出端口的隔離度。 ADS功分器設計與調試 優化目標的設置（續） ADS功分器設計與調試 進行參數優化 設置完優化目

8、標后最好先把原理圖存儲一下，然后就可 以進行參數優化了。 點擊工具欄中的Simulate 按鈕就開始進行優化仿真 了。在優化過程中會打開一個狀態窗口顯示優化的結果 (見下頁圖)，其中的CurrentEF表示與優化目標的偏差， 數值越小表示越接近優化目標，0表示達到了優化目標， 下面還列出了各優化變量的值，當優化結束時還會打開 圖形顯示窗口。 在一次優化完成后，要點擊原理圖窗口菜單中的 Simulate - Update Optimization Values保存優化后的 變量值(在VAR控件上可以看到變量的當前值)，否則優化 后的值將不保存。 ADS功分器設計與調試 觀察仿真曲線 優化完成后必

9、須關掉優化控件，才能觀察仿真的曲線。方 法是點擊原理圖工具欄中的 按鈕，然后點擊優化控件 OPTIM，則控件上打了紅叉表示已經被關掉。 要想使控件重新開啟，只需點擊工具欄中的 按鈕，然 后點擊要開啟的控件，則控件上的紅叉消失，功能也重新 恢復了。 對于原理圖上其他的部件，如果想使其關 閉或開啟，也可以采取同樣的方法。 點擊工具欄中的Simulate 按鈕進行仿真， 仿真結束后會出現圖形顯示窗口。 ADS功分器設計與調試 觀察仿真曲線（續） 點擊圖形顯示窗口左側工具欄中的 按鈕，放置 一個方框到圖形窗口中，這時會彈出一個設置窗口 (見下頁圖)，在窗口左側的列表里選擇S(1,1)即S11 參數，點

10、擊Add按鈕會彈出一個窗口設置單位(這里 選擇dB)，點擊兩次OK后，圖形窗口中顯示出S11隨 頻率變化的曲線。 用同樣的方法依次加入S22，S21，S23的曲線。 為了準確讀出曲線上的值，可以添加Marker，方法 是點擊菜單中的Marker - New，出現Instert Marker的窗口，接著點擊要添加Marker的曲線，曲 線上出現一個倒三角標志，點擊拖動此標志，可以 看到曲線上各點的數值。 ADS功分器設計與調試 觀察仿真曲線（續） ADS功分器設計與調試 觀察仿真曲線（續） 觀察S參數曲線是否滿足指標要求，如 果已經達到指標要求，就可以進行版 圖的仿真了。 版圖的仿真是采用矩量法

11、直接對電磁 場進行計算，其結果比在原理圖中仿 真要準確，但是它的計算比較復雜， 需要較長的時間，在此作為對原理圖 設計的驗證。 ADS功分器設計與調試 版圖的仿真 首先要由原理圖生成版圖，生成版圖前先要把原理圖 中用于S參數仿真的兩個Term以及接地去掉，不讓他們 出現在生成的原理圖中。去掉的方法與前面關掉優化 控件的相同，都是使用 按鈕，把這些元件打上紅 叉(見下頁圖)。 然后點擊菜單中的Layout - Generate/Update Layout， 彈出一個設置窗口，直接點OK，又出現一個窗口，再 點OK，完成版圖的生成，這時會打開一個顯示版圖的 窗口，里面有剛生成的版圖。 ADS功分器

12、設計與調試 用于生成版圖的原理圖 ADS功分器設計與調試 版圖仿真的窗口 ADS功分器設計與調試 版圖的仿真 版圖生成后先要設置微帶電路的基本參數(即原理圖中 MSUB里的參數)，方法是點擊版圖窗口菜單中的 Momentum - Substrate - Update From Schematic從 原理圖中獲得這些參數，點擊Momentum - Substrate - Create/Modify可 以修改這些參數。 ADS功分器設計與調試 版圖的仿真（續） 為了進行S參數仿真還要在功分器兩側添加兩個端 口，做法是點擊工具欄上的Port 按鈕，彈出port 設置窗口，點擊OK關閉該窗口，在濾波器

13、兩邊要加 端口的地方分別點擊加上兩個port。 電阻要替換成薄膜電阻 ，在 中選取，否則無法用矩量法進行仿真，注意薄膜電 阻的寬度要和連接的微帶線一致，不要忘記在 substrate中的metallization layers中加入薄膜電阻所 在的層。 ADS功分器設計與調試 版圖的仿真（續） 點擊Momentum - Simulation - S- parameter彈出仿真設置窗口，該窗口右側的 Sweep Type選擇Adaptive，起止頻率設為與 原理圖中相同，采樣點數限制取10 (因為仿 真很慢，所以點數不要取得太多)。然后點擊 Update按鈕，將設置填入左側列表中，點擊 Sim

14、ulate按鈕開始進行仿真。仿真過程中會 出現一個狀態窗口顯示仿真進程(見下頁圖)。 仿真運算要進行數分鐘，仿真結束后將出現 曲線顯示窗口，觀察S參數曲線，性能有不同 程度的惡化。 ADS功分器設計與調試 觀察仿真曲線 ADS功分器設計與調試 版圖的仿真 如果版圖仿真得到的曲線不滿足指標要求， 那么要重新回到原理圖窗口進行優化仿真， 可以改變優化變量的初值，也可根據曲線與 指標的差別情況適當調整優化目標的參數， 重新進行優化。 在返回原理圖重新優化時，要先使剛才打紅 上叉的部件恢復有效，然后才能進行優化， 之后重復前面所述的過程，直到版圖仿真的 結果達到要求為止。 ADS功分器設計與調試 （五

15、） 電路版圖的繪制 仿真完成后要根據結果用Protel軟件繪制電路版圖， 繪制版圖時要注意以下幾點 n所用電路板是普通的雙層板，上層用來繪制電路，下 層整個作為接地。 n在繪制版圖時受加工工藝的限制，尺寸精度到0.01mm 即可，線寬和線間縫隙要大于0.2mm。 n考慮到加工電路板時的側向腐蝕問題，微帶線的寬度 和長度要適當增加。 n版圖的大小要符合規定尺寸，功分器的兩個輸出端口 的間距要符合規定值，以便于安裝在測試架上。 ADS功分器設計與調試 （六） 功分器電路的調試 對照設計的版圖檢查、測量加工好的電路板上各段微帶線 的實際尺寸，并作記錄。 將電阻焊到電路板上，并把電路板安裝到測試架上。 按下面的測試框圖用網絡分析儀（型號為Agilent 8714ES） 對功分器的各項指標進行測試（網絡分析儀的使用參照儀 器說明書）。功分器有三個端口，當任意兩個端口接網絡 分析儀時，第三個端口要接匹配負載。 ADS功分器設計與調試 功分器電路的調試（續） 需要測試的參數主要有以下幾個 nS11