ADS功分器的设计与调试PPT课件

1、（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。第1页/共40页（二） 实验内容 了解功分器的工作原理。 使用ADS软件设计一个功分器，并对其参数进行优化、仿真。 根据软件设计的结果绘制电路版图，并加工成电路板。 对加工好的电路进行调试，使其满足设计要求。第2页/共40页（三） 功分器的技术指标 通带内各端口反射系数 通带内两输出端口间的隔离度 通带内传输损耗 通带内功分比 通带内相位平衡度第3页/共40页（四） 用ADS软件设计功分器本节内容是介绍使用ADS软件设计功分器的方法：包括原理图绘制，电路参

2、数的优化、仿真，版图的仿真等。下面开始按顺序详细介绍ADS软件的使用方法。第4页/共40页ADS软件的使用 启动ADS进入如下界面第5页/共40页创建新的工程文件 点击File-New Project设置工程文件名称（本例中为divider）及存储路径 点击Length Unit设置长度单位为毫米第6页/共40页创建新的工程文件（续） 工程文件创建完毕后主窗口变为下图第7页/共40页创建新的工程文件（续） 同时原理图设计窗口打开第8页/共40页功分器的设计下图是一个等功率分配器，它由两段不同特性阻抗的微带线组成，两臂是对称的。我们以这种结构的功分器为例，介绍一下设计的过程。123第9页/共40

3、页功分器的设计（续） 设计指标：通带0.91.1GHz，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。第10页/共40页生成功分器的原理图 在原理图设计窗口中选择微带电路的工具栏 窗口左侧的工具栏变为右图所示 选择微带线 以及控件MSUB 分别放置在绘图区中 选择画线工具 将电路连接好，连接方式见下页图（本图只是提供参考，还有其它形式可供

4、选择。）第11页/共40页功分器的原理图示例 第12页/共40页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(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)第13页/共40页微带线计算工具 功分器两边的引出线是特性阻抗为50欧姆的微带线，它的宽度W可由微带线计算工具得到。 填入50 Ohm可以算出微带线的线宽1.52 mm。 填入70.7 Ohm和90 de

5、g可以算出微带线的线宽0.79 mm和长度42.9 mm(四分之一波长)。第14页/共40页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。第15页/共40页添加变量单击工具栏上的VAR 图标，把变量控件VAR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)。第16页/共40页S参数仿真电路设置 在原理图设计窗口中选择S参数仿真的工具栏 选择Ter

6、m 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。第17页/共40页S参数仿真电路设置（续） 第18页/共40页优化目标的设置 在原理图设计窗口中选择优化工具栏 选择优化设置控件 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第19页/共40页优化目标的设置（续） 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

7、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。第20页/共40页优化目标的设置（续） 第21页/共40页进行参数优化 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Simula

8、te - Update Optimization Values保存优化后的变量值(在VAR控件上可以看到变量的当前值)，否则优化后的值将不保存。第22页/共40页观察仿真曲线 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。第23页/共40页观察仿

9、真曲线（续） 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。第24页/共40页观察仿真曲线（续）第25

10、页/共40页观察仿真曲线（续） 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。第26页/共40页版图的仿真 首先要由原理图生成版图，生成版图前先要把原理图中用于S参数仿真的两个Term以及接地去掉，不让他们出现在生成的原理图中。去掉的方法与前面关掉优化控件的相同，都是使用 按钮，把这些元件打上红叉(见下页图)。 然后点击菜单中的Layout - Generate/Update Layout，弹出一个设置窗口，直接点OK，又

11、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。第27页/共40页用于生成版图的原理图第28页/共40页版图仿真的窗口 第29页/共40页版图的仿真 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。第30页/共40页版图的仿真（续） 为了进行S参数仿真还要在功分器两侧添加两个端口，做法是点击工具栏上的Po

12、rt 按钮，弹出port设置窗口，点击OK关闭该窗口，在滤波器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 ，在 中选取，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。第31页/共40页版图的仿真（续） 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

13、，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。第32页/共40页观察仿真曲线第33页/共40页版图的仿真 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。第34页/共40页（五） 电路版

14、图的绘制 仿真完成后要根据结果用Protel软件绘制电路版图，绘制版图时要注意以下几点 所用电路板是普通的双层板，上层用来绘制电路，下层整个作为接地。 在绘制版图时受加工工艺的限制，尺寸精度到0.01mm即可，线宽和线间缝隙要大于0.2mm。 考虑到加工电路板时的侧向腐蚀问题，微带线的宽度和长度要适当增加。 版图的大小要符合规定尺寸，功分器的两个输出端口的间距要符合规定值，以便于安装在测试架上。第35页/共40页（六） 功分器电路的调试 对照设计的版图检查、测量加工好的电路板上各段微带线的实际尺寸，并作记录。 将电阻焊到电路板上，并把电路板安装到测试架上。 按下面的测试框图用网络分析仪（型号为Agilent 8714ES）对功分器的各项指标进行测试（网络分析仪的使用参照仪器说明书）。功分器有三个端口，当任意两个端口接网络分析仪时，第三个端口要接匹配负载。第36页/共40页功分器电路的调试（续） 需要测试的参数主要有以下几个 S11，S22，S33：输入、输出端口的反射系数 S21，S31：正向传输系数，要测幅度及相位 S23，S32：两输出端口的间隔离度 根据S21，S31的幅度和相位可以得到两个输出端口的功分比以及相位平衡度。第37页/