综合课程设计实验报告课程名称:综合课程设计(微波组)实验名称:威尔金森功分器的设计院(系):信息科学与工程学院2020年6月12日一、实验目的1.了解功分器电路的原理和设计方法;2.学习使用Microwaveoffice软件进行微波电路的设计、优化、仿真;3.掌握功率分配器的制作及调试方法。二、实验原理Wilkinson功率分配器根据微波网络理论,对于三端口网络,匹配、互易、无耗三者中,只能有两个同时满足。Wilkinson功率分配器是一个有耗的三端口网络(如图1.1所示),它通过在输出端之间引入特性阻抗为2Z0的电阻,实现了理想的功率分配与功率合成。用于功率分配时,端口1是输入端,端口2和端口3是输出端;用于功率合成时,端口2和端口3是输入端,端口1是输出端。可以制成任意功率分配比的Wilkinson功率分配器,本实验只考虑等分(3dB)的情况,其结构如图1.2所示。由两段微带线与输出端之间的电阻构成,两段微带线是对称的,其特性阻抗为02Z,长度为/4g,并联电阻值为2Z0。图1.1Wilkinson功分器示意图图1.2微带线形式的等分Wilkinson功分器三、实验内容和设计指标实验内容1.了解Wilkinson功分器的工作原理;2.根据指标要求,使用Microwaveoffice软件设计一个Wilkinson功分器,并对其参数进行优化、仿真。设计指标在介电常数为4.5,厚度为1mm的FR4基片上(T取0.036mm,Losstangent取0.02),设计一个中心频率为f=3.2GHz、带宽为200MHz,用于50欧姆系统阻抗的3dB微带功分器。要求:工作频带内各端口的反射系数小于-20dB,两输出端口间的隔离度大于25dB,传输损耗小于3.5dB。功分器的参考结构如1.3图所示。在设计时要保证两个输出端口之间的距离大于10mm,以便于安装测试接头;同时为了便于焊接电阻,d要为2.54mm左右。图1.3Wilkinson功分器的结构进行设计时,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是传输系数,反映传输损耗;S11、S22、S33分别是输入输出端口的反射系数;S23(或S32)反映了两个输出端口之间的隔离度。四、实验设计过程1.计算四分之一波长传输线的阻抗和并联电阻的值。系统阻抗Z0=50Ω;并联电阻2Z0=100Ω;四分之一波长传输线的阻抗02Z=70.7Ω;2.采用TXLINE.EXE等软件,计算四分之一波长传输线的尺寸(尺寸精度到0.01mm)。用此方法计算可得:70.7Ω对应的尺寸为W=0.97mmL=12.95mm50Ω对应的尺寸为W=1.89mmL=12.58mm五、微波元件的电路仿真?电路图上图中间5段微带线的长度应该满足下式:x+2y-1.27+6.28=12.95即四分之一波长传输线的长度x=2;y=(7.94-x)/2?仿真图六、实物制版与测试?实物制版213?测试测试端口1和端口2,端口3加上负载电阻测试端口1和端口3,端口2加上负载电阻七、分析与讨论(1)使用Microwaveoffice软件设计电路图,其仿真结果是在中心频率3.2GHz附近200MHz的带宽内传输损耗小于3.5dB,3.1GHz处为3.4632dB,3.3GHz处为3.4977dB,符合设计要求。在实物测试的图中,S21为3.594dB,略大于3.5dB,可能是由于测试接头与微带线电路间没有焊接固定,或是部分PCB板的微带线端距离边缘有一定间距。S31为3.465dB,小于3.5dB,符合要求。(2)仿真图中S11、S22、S33都小于-20dB,符合设计要求。实物测试的图中S11、S22、S33也都小于-20dB,符合设计要求。(3)仿真图中S32在3.3GHz处为-27.208dB,小于-25dB,由于S32曲线在小于3.3GHz的地方都低于3.3GHz处的值,所以两输出端口见的隔离度在带宽范围内符合要求。八、结论这次实验最后实物测试的结果符合要求,在与其他用导入方法的同学比较之后,我想可能是因为在PCB板上制图我采用的是手动绘制的方法,比较准确,每段微带线相互连接的比较紧密。我认为微波器件设计这门课是比较有趣的一门课,每一节课既学到了理论知识,有能够自己动手用软件画电路、仿真,这样理论与实践结合在一起很能够帮助我们学生掌握知识,而且最后还能拿到自己亲自画的PCB板的实物,虽然是很简单的一个小器件的设计,但是做出来还有小有成就感的。同时认识到微波这门课对精准度的要求很高,每一个器件的尺寸都是很小数量级的,差一点点可能就会对实验结果造成很大误差,就像是蝴蝶效应,因此对于科研工作,我们要以认真严谨的态度对待,做到准确无误。最后感谢张老师、赵老师在课堂上的每一次耐心解答,很喜欢两位老师的教学风格。