ADS学习笔记 3. 功分器设计

美式小田

已于 2024-10-31 14:57:03 修改

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分类专栏： ADS 文章标签：学习笔记

于 2024-10-30 21:43:19 首次发布

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三、ADS学习笔记：功分器设计

基于ADS2023 update2

参考书籍：卢益锋老师《ADS射频电路设计与仿真学习笔记》

(一) 一分二等分功分器

0、设计指标

工作频率：2.4GHz
回波损耗S11,S22,S33：<15dB
插入损耗S21,S31：>-4dB
隔离度S23：<-20dB

1、原理图设计

新建工程3_Wilkinson_Divider_wrk，新建原理图1.1_equal_Divider，点击MSUB设置微带线参数，单位选择mm，参数如下

打开LineCalc，计算出Z0=50Ω时的微带线宽度和长度，宽度为1.52mm；Z0=50*sqrt(2)=70.7Ω时宽度为0.78mm

电路图如下，微带线宽度设置为变量后面进行优化w1，w2，l1

设置好变量VAR，并设置好优化范围

点击Optim/Stat/DOE控件中的OPTIM和GOAL，设置优化控件和优化目标，OPTIM双击后设置迭代次数50，优化目标如左图，反别是针对回波损耗、插损、隔离度

点击Optimize，得到仿真结果

在优化界面点击Update Design，点击OK更新参数

2、版图设计

将Term和GNDDeactive掉，点击Layout---Generate，点击OK

自动生成版图后字体很大，ctrl+A全选，设置字体Size为1即可缩小

添加Pin端口，发现字体还是很大，右键点击Preference，设置Component/Pin Text Font Size=1

设置好版图仿真设置，基板用刚刚的FR4，导电层厚度0.035mm，点击保存

设置扫频范围

仿真结束时展开数据

仿真结束时允许EM模型存在。设置完后点击Simulate开始仿真

仿真结果不是太好

重新把版图中的电阻删除掉，生成symbol后联调一下试试。删除电阻，添加端口，生成symbol，点击保存

新建原理图1.2_Co_Simulation，调出symbol连接100Ω电阻

仿真结果如下，基本满足指标

（二）一分二不等分功分器

0、设计指标

工作频率：2.45GHz
分配比例：1：2不等分
回波损耗S11,S22,S33：<15dB
插入损耗S21,S31：>-4dB
隔离度S23：<-20dB

1、原理图设计

新建原理图2.1_unequal_Divider，控件Passive Circuit DG-Microstrip Circuit----WDiv，设置如下，Wgap=80mil是0805电阻的间距，0603的电阻是60mil
Delta为微调系数，在可通过调整此系数微调功分器性能

连接好电路图如下，可以通过调Delta来调节性能

点击DesignGuide----Passive Circuit----Passive Circuit Control Window，点击Design

设置好频率范围，点击Simulate，仿真结果如右图，S21和S31的差基本为-3dB，两端口的功率相差了一半，满足设计要求

上面的原理图没有加上端口的连接线。新建原理图2.2_full_Divider，把2.1中的电路复制，在1端口处加一段50Ω的微带线，尺寸计算如下

仿真结果如下，和之前的结果相仿，完成指标

2、版图设计

把端口和地给Deactive掉，点击Layout----Generate，点击OK

考虑到隔离电阻没有焊盘，点击画矩形，Insert----Coordinate Entry，焊盘尺寸1.27*0.127mm

调整下背景网格的尺寸大小，将焊盘放置好位置

删除隔离电阻，添加五个端口。进行EM设置，和上面的步骤一样，基板设置---频率设置----Model设置，点击保存。
Window----Symbol----选择Layout----Looklike----factor设置为0.5

新建原理图2.3_Co_Simulation，插入元件库中的2.2的Symbol，插入电阻和端口，选择其view为emModel，电路如下

仿真结果如下，两路功率之差大约2.76dB，接近一半，S参数虽然有频偏，但是匹配程度很好

（三）功分合路器失配

0、设计指标

设计一个四分功分合路器，频率1GHz，带宽50MHz

1、原理图设计

新建原理图3.1_misMatch，先设计一个一分二的功分器

仿真结果如下

新建原理图3.2_12421_Match，将3.1中的原理图复制进来，一分二---二分四---四合二---二合一
添加单音信号进行HB仿真，命名节点v1,v2,v3,v4,vout

设置好公式将电压转化为dBm，仿真结果如下。
输入功率为0dBm时，经过4功分后，P1、P2、P3、P4的功率变为原来的1/4（微带损耗了0.139dB），再经过4合路，总输出功率为-0.233dBm（微带损耗了0.233dB）

2、失配情况

V1、V2、V3、V4 在实际应用中接的是放大器，如果有一路或者两路放大器出现故障不能正常工作，那么总输出功率是如何变化的呢？模拟失配的情况。

1）一个端口失配

新建原理图3.3_12421_misMatch1，将3.2的完全复制，将v1删除开路。仿真结果如下

        功分阶段：P2、P3、P4的功率基本不变，由于各个功分器之间的隔离很好，所以V1的故障没有导致V2、V3、V4的异常。
        合路阶段：V3、V4合成-3dBm，和原来一样;V1、V2合成中，由于V1的开路 V2的功率只有一半(-6dBm)通过合路器出去，V2的另一半功率被隔离电阻吸收掉。合路器V1、V2的合成功率是-6dBm，V3、V4的合成功率是-3dBm，最后的合成功率是-2.73dBm。
        总结：4路功分合成的时候，有一路出现故障，威尔金森这种结构的输出功率将从-0.23dBm 变为-2.73dBm，直接导致总体输出功率变小2.5dBm左右(除去微带的损耗)。由于这个模型4路是对称的，因此任意只有一路失配的仿真数据都和上面的结果一样。

2）两个端口失配

新建原理图3.3_12421_misMatch2，将3.2的完全复制，将v1和v2删除开路。仿真结果如下

总结：4路功分合成的时候，有两路(在同一个合路器上)出现故障，威尔金森这种结构的输出功率将从-0.23dBm变为-6.3dBm，直接导致总体输出功率变小6dBm左右(除去微带的损耗)。
如果不是在同一个合路器上(v1和v3)，输出功率将从-0.23dBm变为-6.2dBm。变小6dBm