實(shí)驗(yàn)功分器的設(shè)計(jì)制作與調(diào)試

實(shí)驗(yàn)功分器的設(shè)計(jì)制作與調(diào)試第一頁，共四十頁，2022年，8月28日（一）實(shí)驗(yàn)?zāi)康牧私夤β史峙淦麟娐返脑砑霸O(shè)計(jì)方法。學(xué)習(xí)使用ADS軟件進(jìn)行微波電路的設(shè)計(jì)，優(yōu)化，仿真。掌握功率分配器的制作及調(diào)試方法。第二頁，共四十頁，2022年，8月28日（二）實(shí)驗(yàn)內(nèi)容了解功分器的工作原理。使用ADS軟件設(shè)計(jì)一個功分器，并對其參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化、仿真。根據(jù)軟件設(shè)計(jì)的結(jié)果繪制電路版圖，并加工成電路板。對加工好的電路進(jìn)行調(diào)試，使其滿足設(shè)計(jì)要求。第三頁，共四十頁，2022年，8月28日（三）功分器的技術(shù)指標(biāo)通帶內(nèi)各端口反射系數(shù)通帶內(nèi)兩輸出端口間的隔離度通帶內(nèi)傳輸損耗通帶內(nèi)功分比通帶內(nèi)相位平衡度第四頁，共四十頁，2022年，8月28日（四）用ADS軟件設(shè)計(jì)功分器本節(jié)內(nèi)容是介紹使用ADS軟件設(shè)計(jì)功分器的方法：包括原理圖繪制，電路參數(shù)的優(yōu)化、仿真，版圖的仿真等。下面開始按順序詳細(xì)介紹ADS軟件的使用方法。第五頁，共四十頁，2022年，8月28日ADS軟件的使用啟動ADS進(jìn)入如下界面第六頁，共四十頁，2022年，8月28日創(chuàng)建新的工程文件點(diǎn)擊File->NewProject設(shè)置工程文件名稱（本例中為divider）及存儲路徑點(diǎn)擊LengthUnit設(shè)置長度單位為毫米第七頁，共四十頁，2022年，8月28日創(chuàng)建新的工程文件（續(xù)）工程文件創(chuàng)建完畢后主窗口變?yōu)橄聢D第八頁，共四十頁，2022年，8月28日創(chuàng)建新的工程文件（續(xù)）同時(shí)原理圖設(shè)計(jì)窗口打開第九頁，共四十頁，2022年，8月28日功分器的設(shè)計(jì)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(jié)構(gòu)的功分器為例，介紹一下設(shè)計(jì)的過程。123第十頁，共四十頁，2022年，8月28日功分器的設(shè)計(jì)（續(xù)）設(shè)計(jì)指標(biāo)：通帶0.9－1.1GHz，功分比為1：1，帶內(nèi)各端口反射系數(shù)小于-20dB

，兩輸出端隔離度小于-25dB，傳輸損耗小于3.1dB。在進(jìn)行設(shè)計(jì)時(shí)，主要是以功分器的S參數(shù)作為優(yōu)化目標(biāo)進(jìn)行優(yōu)化仿真。S21、S31是傳輸參數(shù)，反映傳輸損耗；S11、S22、S33分別是輸入輸出端口的反射系數(shù)。S23反映了兩個輸出端口之間的隔離度。第十一頁，共四十頁，2022年，8月28日生成功分器的原理圖在原理圖設(shè)計(jì)窗口中選擇微帶電路的工具 欄窗口左側(cè)的工具欄變?yōu)橛覉D所示選擇微帶線

以及控件MSUB分別放置在繪圖區(qū)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。）第十二頁，共四十頁，2022年，8月28日功分器的原理圖示例

第十三頁，共四十頁，2022年，8月28日設(shè)置微帶電路的基本參數(shù)雙擊圖上的控件MSUB設(shè)置微帶線參數(shù)H:基板厚度(0.8mm)Er:基板相對介電常數(shù)(4.3)Mur:磁導(dǎo)率(1)Cond:金屬電導(dǎo)率(5.88E+7)Hu:封裝高度(1.0e+33mm)T:金屬層厚度(0.03mm)TanD:損耗角正切(1e-4)Roungh:表面粗糙度(0mm)第十四頁，共四十頁，2022年，8月28日微帶線計(jì)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(jì)算工具得到。填入50Ohm可以算出微帶線的線寬1.52mm。填入70.7Ohm和90deg可以算出微帶線的線寬0.79mm和長度42.9mm(四分之一波長)。第十五頁，共四十頁，2022年，8月28日設(shè)置微帶器件的參數(shù)雙擊每個微帶線設(shè)置參數(shù)，W、L分別設(shè)為相應(yīng)的變量或常量，單位mm，注意上下兩臂的對稱性。第十六頁，共四十頁，2022年，8月28日添加變量單擊工具欄上的VAR圖標(biāo)，把變量控件VAR放置在原理圖上，雙擊該圖標(biāo)彈出變量設(shè)置窗口，依次添加W，L參數(shù)。中間微帶線的長度大約為四分之一波長(根據(jù)中心頻率用微帶線計(jì)算工具算出)，各個線寬的初始值可以用微帶線計(jì)算工具算出，微帶線的寬度最窄只能取0.2mm(最好取0.5mm以上)。第十七頁，共四十頁，2022年，8月28日S參數(shù)仿真電路設(shè)置在原理圖設(shè)計(jì)窗口中選擇S參數(shù)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(diǎn)擊圖標(biāo)，放置三個地，并按照下頁圖連接好電路。選擇S參數(shù)掃描控件放置在原理圖中，并設(shè)置掃描的頻率范圍和步長，頻率范圍根據(jù)功分器的指標(biāo)確定。第十八頁，共四十頁，2022年，8月28日S參數(shù)仿真電路設(shè)置（續(xù)）

第十九頁，共四十頁，2022年，8月28日優(yōu)化目標(biāo)的設(shè)置在原理圖設(shè)計(jì)窗口中選擇優(yōu)化工具欄選擇優(yōu)化設(shè)置控件放置在原理圖中，雙擊該控件設(shè)置優(yōu)化方法及優(yōu)化次數(shù)。常用的優(yōu)化方法有Random(隨機(jī))、Gradient(梯度)等。隨機(jī)法通常用于大范圍搜索，梯度法則用于局部收斂第二十頁，共四十頁，2022年，8月28日優(yōu)化目標(biāo)的設(shè)置（續(xù)）這里總共設(shè)置了四個優(yōu)化目標(biāo)，由于電路的對稱性，S31和S33不用設(shè)置優(yōu)化。S11和S22分別用來設(shè)定輸入輸出端口的反射系數(shù)，S21用來設(shè)定功分器通帶內(nèi)的衰減情況，S23用來設(shè)定兩個輸出端口的隔離度。第二十一頁，共四十頁，2022年，8月28日優(yōu)化目標(biāo)的設(shè)置（續(xù)）

第二十二頁，共四十頁，2022年，8月28日進(jìn)行參數(shù)優(yōu)化設(shè)置完優(yōu)化目標(biāo)后最好先把原理圖存儲一下，然后就可以進(jìn)行參數(shù)優(yōu)化了。點(diǎn)擊工具欄中的Simulate按鈕就開始進(jìn)行優(yōu)化仿真了。在優(yōu)化過程中會打開一個狀態(tài)窗口顯示優(yōu)化的結(jié)果(見下頁圖)，其中的CurrentEF表示與優(yōu)化目標(biāo)的偏差，數(shù)值越小表示越接近優(yōu)化目標(biāo)，0表示達(dá)到了優(yōu)化目標(biāo)，下面還列出了各優(yōu)化變量的值，當(dāng)優(yōu)化結(jié)束時(shí)還會打開圖形顯示窗口。在一次優(yōu)化完成后，要點(diǎn)擊原理圖窗口菜單中的Simulate->UpdateOptimizationValues保存優(yōu)化后的變量值(在VAR控件上可以看到變量的當(dāng)前值)，否則優(yōu)化后的值將不保存。第二十三頁，共四十頁，2022年，8月28日觀察仿真曲線優(yōu)化完成后必須關(guān)掉優(yōu)化控件，才能觀察仿真的曲線。方法是點(diǎn)擊原理圖工具欄中的按鈕，然后點(diǎn)擊優(yōu)化控件OPTIM，則控件上打了紅叉表示已經(jīng)被關(guān)掉。要想使控件重新開啟，只需點(diǎn)擊工具欄中的按鈕，然后點(diǎn)擊要開啟的控件，則控件上的紅叉消失，功能也重新恢復(fù)了。對于原理圖上其他的部件，如果想使其關(guān) 閉或開啟，也可以采取同樣的方法。點(diǎn)擊工具欄中的Simulate按鈕進(jìn)行仿真，仿真結(jié)束后會出現(xiàn)圖形顯示窗口。第二十四頁，共四十頁，2022年，8月28日觀察仿真曲線（續(xù)）點(diǎn)擊圖形顯示窗口左側(cè)工具欄中的按鈕，放置一個方框到圖形窗口中，這時(shí)會彈出一個設(shè)置窗口(見下頁圖)，在窗口左側(cè)的列表里選擇S(1,1)即S11參數(shù)，點(diǎn)擊Add按鈕會彈出一個窗口設(shè)置單位(這里選擇dB)，點(diǎn)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(zhǔn)確讀出曲線上的值，可以添加Marker，方法是點(diǎn)擊菜單中的Marker->New，出現(xiàn)InstertMarker的窗口，接著點(diǎn)擊要添加Marker的曲線，曲線上出現(xiàn)一個倒三角標(biāo)志，點(diǎn)擊拖動此標(biāo)志，可以看到曲線上各點(diǎn)的數(shù)值。第二十五頁，共四十頁，2022年，8月28日觀察仿真曲線（續(xù)）第二十六頁，共四十頁，2022年，8月28日觀察仿真曲線（續(xù)）觀察S參數(shù)曲線是否滿足指標(biāo)要求，如果已經(jīng)達(dá)到指標(biāo)要求，就可以進(jìn)行版圖的仿真了。版圖的仿真是采用矩量法直接對電磁場進(jìn)行計(jì)算，其結(jié)果比在原理圖中仿真要準(zhǔn)確，但是它的計(jì)算比較復(fù)雜，需要較長的時(shí)間，在此作為對原理圖設(shè)計(jì)的驗(yàn)證。第二十七頁，共四十頁，2022年，8月28日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(shù)仿真的兩個Term以及接地去掉，不讓他們出現(xiàn)在生成的原理圖中。去掉的方法與前面關(guān)掉優(yōu)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(diǎn)擊菜單中的Layout->Generate/UpdateLayout，彈出一個設(shè)置窗口，直接點(diǎn)OK，又出現(xiàn)一個窗口，再點(diǎn)OK，完成版圖的生成，這時(shí)會打開一個顯示版圖的窗口，里面有剛生成的版圖。第二十八頁，共四十頁，2022年，8月28日用于生成版圖的原理圖第二十九頁，共四十頁，2022年，8月28日版圖仿真的窗口

第三十頁，共四十頁，2022年，8月28日版圖的仿真版圖生成后先要設(shè)置微帶電路的基本參數(shù)(即原理圖中MSUB里的參數(shù))，方法是點(diǎn)擊版圖窗口菜單中的Momentum->Substrate->UpdateFromSchematic從原理圖中獲得這些參數(shù)，點(diǎn)擊Momentum->Substrate->Create/Modify可 以修改這些參數(shù)。第三十一頁，共四十頁，2022年，8月28日版圖的仿真（續(xù)）為了進(jìn)行S參數(shù)仿真還要在功分器兩側(cè)添加兩個端口，做法是點(diǎn)擊工具欄上的Port按鈕，彈出port設(shè)置窗口，點(diǎn)擊OK關(guān)閉該窗口，在濾波器兩邊要加端口的地方分別點(diǎn)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(jìn)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metallizationlayers中加入薄膜電阻所在的層。第三十二頁，共四十頁，2022年，8月28日版圖的仿真（續(xù)）點(diǎn)擊Momentum->Simulation->S-parameter彈出仿真設(shè)置窗口，該窗口右側(cè)的SweepType選擇Adaptive，起止頻率設(shè)為與原理圖中相同，采樣點(diǎn)數(shù)限制取10(因?yàn)榉抡婧苈?，所以點(diǎn)數(shù)不要取得太多)。然后點(diǎn)擊Update按鈕，將設(shè)置填入左側(cè)列表中，點(diǎn)擊Simulate按鈕開始進(jìn)行仿真。仿真過程中會出現(xiàn)一個狀態(tài)窗口顯示仿真進(jìn)程(見下頁圖)。仿真運(yùn)算要進(jìn)行數(shù)分鐘，仿真結(jié)束后將出現(xiàn)曲線顯示窗口，觀察S參數(shù)曲線，性能有不同程度的惡化。第三十三頁，共四十頁，2022年，8月28日觀察仿真曲線第三十四頁，共四十頁，2022年，8月28日版圖的仿真如果版圖仿真得到的曲線不滿足指標(biāo)要求，那么要重新回到原理圖窗口進(jìn)行優(yōu)化仿真，可以改變優(yōu)化變量的初值，也可根據(jù)曲線與指標(biāo)的差別情況適當(dāng)調(diào)整優(yōu)化目標(biāo)的參數(shù)，重新進(jìn)行優(yōu)化。在返回原理圖重新優(yōu)化時(shí)，要先使剛才打紅上叉的部件恢復(fù)有效，然后才能進(jìn)行優(yōu)化，之后重復(fù)前面所述的過程，直到版圖仿真的結(jié)果達(dá)到要求為止。第三十五頁，共四十頁，2022年，8月28日（五）電路版圖的繪制仿真完成后要根據(jù)結(jié)果用Protel軟件繪制電路版圖，繪制版圖時(shí)要注意以下幾點(diǎn)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。在繪制版圖時(shí)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?？紤]到加工電路板時(shí)的側(cè)向腐蝕問題，微帶線的寬度和長度要適當(dāng)增加。版圖的大小要符合規(guī)定尺寸，功分器的兩個輸出端口的間距要符合規(guī)定值，以便于安裝在測試架上。第三十六頁，共四十頁，2022年，8月28日（六）功分器電路的調(diào)試對照設(shè)計(jì)的版圖檢查、測量加工好的電路板上各段微帶線的實(shí)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(wǎng)絡(luò)分析儀（型號為Agilent8714ES）對功分器的各項(xiàng)指標(biāo)進(jìn)行測試（網(wǎng)絡(luò)分析儀的使用參照儀器說明書）。功分器有三個端口，當(dāng)任意兩個端口接網(wǎng)絡(luò)分析儀時(shí)，第三個端口要接匹配負(fù)載。第三十七頁，共四十頁，2022年，8月28日功分器電路的調(diào)試（續(xù)）需要測試的參數(shù)主要有以下幾個S11，S22，S33：輸入、輸出端口的反射系數(shù)S21，S31：正向傳輸系數(shù)，要測幅度及相位S23，S32：兩輸出端口的間隔離度根據(jù)S21，S31的幅度和相位可以得到兩個輸出