【原创】南京邮电大学 课程设计 Wilkinson(威尔金森)功分器的设计

课题报告课题名称Wilkinson功分器学院电子科学与工程学院专业电磁场与无线技术班级组长组员开课时间2012/2013学年第一学期一、课题名称Wilkinson（威尔金森）功分器的设计二、课题任务运用功分器设计原理，利用HFSS软件设计一个Wilkinson功分器，中心工作频率3.0GHz。基本要求实现一个单阶Wilkinson等功分设计，带内匹配≤-10dB，输出端口隔离≤-10dB，任选一种微波传输线结构实现。进阶要求多阶（N≥2），匹配良好（S11≤-15dB），不等分，带阻抗变换器（输出端口阻抗不为50Ω），多种传输线实现。三、实现方式自选一种或者多种传输线实现，如微带线，同轴线，带状线等，要求输入输出端口阻抗为50Ω，要求有隔离电阻（通过添加额外的端口实现）四、具体过程1.计算基本参数通过ADSTool中的Linecalc这个软件来进行初步的计算。在HFSS中选定版型为RogersRT/duroid5880(tm)，如具体参数下图Ø50Ω微带线计算得到选取微带线宽度约为0.67mm。Ø70.7Ω微带线计算得到选取微带线宽度约为0.34mm，由于微带线电长度与其宽度没有必然联系，所以两个分支微带线的长度根据具体情况进行更改。2.绘制仿真模型Ø微带单阶功分器参数解释：◆空气腔参数：a：宽度；b，b1，b2：各部分长度。◆微带参数：w50：阻抗为50Ω的微带线宽度；w2：两分支线宽度；l1，l2，l3，l4：各部分微带线长度；rad1，rad2：各部分分支线长度（即半环半径）◆在本例中，需要调整的调整关键参数为w2，rad1，空气腔参数随关键参数相应调整即可。◆根据计算，此处的吸收电阻值应该为100Ω，但是在实际情况中，选取97Ω。Ø微带多阶功分器参数解释：◆空气腔参数：a：宽度；b，b1，b2：各部分长度。◆微带参数：w50：阻抗为50Ω的微带线宽度；w2：两分支线宽度；l1，l2，l3，l4：各部分微带线长度；rad1，rad2：各部分分支线长度（即半环半径）◆在本例中，需要调整的调整关键参数为w2，rad1，微调参数为w50，rad2，空气腔参数随关键参数相应调整即可。◆根据计算，第一个吸收电阻选为100Ω，第二个选为：210Ω。3.仿真获取数据◆对各个部分的微带线设置边界条件：微带主体：PefectE；吸收电阻：LumpedRLC。◆设置激励源：分别选择微带线各个端口，设置为WavePort。◆分别对单阶以及多阶Wilkinson功分器进行离散方式扫频，频率范围取0.001-6GHz，等间隔获取40-60个点的数据进行逐一扫频，连接各独立点绘制曲线。Ø微带单阶功分器Ø微带多阶功分器五、数据分析1.微带单阶功分器微带单阶功分器2.5-3.5GHzS11参数曲线微带单阶功分器2.5-3.5GHzS21、S31参数曲线微带单阶功分器2.5-3.5GHzS23参数曲线微带单阶功分器2.5-3.5GHzS参数曲线数据分析：如上图所示，通过HFSS设计仿真的微带单阶功分器中心频点处在3.0Ghz，S11参数衰减高达近-13dB，S21，S31衰减接近于-3dB，匹配良好，S23达到接近-11.5dB，隔离度较好，所有指标均达到。参数检验Ø微带分支线长度对频率的影响将微带分支线长度度缩小1mm，观察S参数曲线更改分支线长度后的功分器模型更改分支线长度后的功分器S参数曲线由上图可得，当微带分支线的长度变化时，其中心频点也会随之变化。经过理论以及实验验证，微带功分器分支线越长，中心频点越低；反之，微带功分器分支线越短，中心频点越高。Ø微带分之前宽度对频率的影响将微带分支线宽度缩小0.1mm，观察S参数曲线更改分支线长度后的功分器S参数由上图可得，当微带分支线的宽度变化时，其中心频点也会随之微小变化。但是经过理论以及实验验证，微带功分器分支宽度与中心频点没有直接关系，其宽度的改变只是改变微带线的特征阻抗，进而间接地影响中心频点以及各S参量的变化。Ø隔离电阻对微带的影响去除微带分支线隔离电阻，观察S参数的变化去掉分支线隔离电阻后的功分器模型去掉分支线隔离电阻后的功分器S参数由上图可得，当微带分支线的隔离电阻去除时，各项参数中S23参数变化显著，这说明隔离电阻对整个功分器两输出端口的隔离度具有一定的作用。2.微带多阶功分器Ø宽频域范围0-6GHz0-6GhzS11参数扫频曲线0-6GhzS21S31参数扫频曲线0-6GhzS23参数扫频曲线0-6GhzS11S21S23S31参数扫频曲线Ø窄频域范围测试2.5-3.5GHz2.5-3.5GhzS11参数扫频曲线2.5-3.5GhzS21S31参数扫频曲线2.5-3.5GhzS23参数扫频曲线2.5-3.5GhzS参数扫频曲线数据分析：如上图所示，通过HFSS设计仿真的微带单阶功分器中心频点处在3.0Ghz，S11参数衰减高达近-30dB，S21，S31衰减接近于-3.04dB，匹配良好，S23高达-18.5dB，隔离度良好，所有指标均达到。六、学习体会1.模仿阶段在最初的模仿阶段，通过对参考资料上面的示例进行模仿从而获取对Wilkinson功分器感性的认识。通过按部就班完成示例，我们慢慢学会逐步使用HFSS仿真软件，虽然参考资料之中的参数设计有所谬误，但是通过不断地尝试与修正，最终完成实现了Wilkinson功分器的初步设计。2.修正阶段通过前期的设计，我们认识到通过修正微带线的长度可以实现选择频率的特性，通过修正微带线的宽度则可以改变其端口的阻抗。为了将原来的示例设计中的12.5GHz的中心频点修改至3GHz，我们一方面修改为微带的宽度，以适应新的频率点，另一方面最重要的是加长两条分支微带的长度，从而降低频点。在这一阶段中我们的尝试是最多的，不仅尝试修改微带的长、宽，更是试图通过修改底板的厚度、格力电阻的阻值来影响参数。但是理论与实践均证明：还是通过修改微带的长、宽这两个参数来实现微调是最好的。3.自行设计最后的这个自行设计阶段则完全是通过总结之前的模仿、修正两个阶段的经验来进行的。虽然威尔