27.基于ADS的不等分威尔金森功分器设计

27.基于ADS的不等分威尔金森功分器设计

等分的威尔金森功分器可以使用ADS非常快速的设计出来，但是不等分的功分器却没有便捷的设计方法，在此给出快速的设计方法与案例，方便大家实际设计。
本次的工程链接：
https://download.csdn.net/download/weixin_44584198/88356514

等分版本的威尔金森功分器设计教程：12、ADS使用记录之功分器设计

1、不等分威尔金森功分器设计理论

不等分威尔金森功分器设计理论推导见微波工程书的第七章，之后再详细讨论推导过程，在此直接给出不等分功分器的设计结构与公式：


为方便计算，在此直接给出Matlab的计算代码（以2端口和3端口的功率比为2为例）：

% 等分比kk=2
kk=2;
Z0=50;
Zu=Z0*sqrt((1+kk)/kk^1.5);
Zd=Z0*sqrt(kk^0.5*(1+kk));
R=Z0*(kk^0.5+kk^-0.5);
disp(['Z0的特征阻抗为：',num2str(Z0),'欧姆']);
disp(['Z02的特征阻抗为：',num2str(Zd),'欧姆']);
disp(['Z03的特征阻抗为：',num2str(Zu),'欧姆']);
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由此可以得出计算结果：

2、不等分威尔金森功分器ADS原理仿真

从原理上来讲，基本结构已经出来了，无非是几个微带线而已，注意此处Z02和Z03的长度为四分之一波长，可以非常简单的构建如下的仿真图：

进行仿真，得到如下结果，从S21和S31可以看出，传输功率比为2：1（相差3db）：

3、实际的不等分威尔金森功分器ADS设计

实际的威尔金森功分器设计并不能只包含几段微带线，还需要考虑到电阻的放置和整个电路的大小，所以往往使用多段的微带线来实现最终的匹配结果，例如，一种常用的结构是这样的（两个端口之间会留出示例的距离安放电阻，比如60mil）：

下面介绍一下如何将原来的原理电路转化为实际可用的微带线电路。此处以设计中心频率在1GHz的输出功率比1：2的功分器为例。考虑到实际使用的电路板材，在此使用罗杰斯的4350B基板作为仿真基板，首先将上面的理论微带线长度与宽度计算出来，使用ADS的自带工具LineCalc，计算得出的结果如下所示：

下面将这样的结构转化为实际可用的微带线，其基本结构如下所示：

各个线的长度该如何确定呢？那就需要解一个方程，其中最为关键的是要恰好给电阻留出特定的长度，在此给出求解算法如下所示（分隔符上面是需要手动输入的）：

clc
clear
syms l2 l3 l4
% 上半微带线枝节的长度，单位mm
Lu=47.497600;
% 下半微带线枝节的长度，单位mm
Ld=44.825200;
% 预留的电阻的长度，单位mm（1.524mm=60mil，对应0603）
Lr=1.524;
%  输入的微带线宽度（一般50欧姆）
w0=1.073160;
%  上半微带线枝节的宽度，单位mm
wu=0.217790;
%  下半微带线枝节的宽度，单位mm
wd=1.021200;
%  ---------------------------------------------------------
% 微带线圆弧半径，单位mm（一般设置为Lu/pi/1.5）
r=floor(Lu/pi/1.5);
l1=(Lu-pi*r)/2;
% eqn1：上半微带线长度恒定
eqn1=l1+pi*r+l2==Lu;
% eqn2：下半微带线长度恒定
eqn2=l3+pi*r+l4==Ld;
% eqn3：留出电阻的距离
eqn3=l1-l2+l3-l4==Lr-w0+wu+wd;
eqn=[eqn1 eqn2 eqn3];
var=[l2 l3 l4];
solx=solve(eqn,var); % 求方程eqn中x的所有解

disp(['l1的长度为：',num2str(l1),'mm']);
disp(['l2的长度为：',num2str(double(solx.l2)),'mm']);
disp(['l3的长度为：',num2str(double(solx.l3)),'mm']);
disp(['l4的长度为：',num2str(double(solx.l4)),'mm']);
disp(['r的长度为：',num2str(double(r)),'mm']);
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可以看到输入对应的参数即可得到最终的微带线长宽，非常方便：

将数据放入原理图，如下所示：

运行仿真，得到结果，可以看到符合设计的1GHz的不等分功分器的指标：

生成版图，得到如下结果：

构建版图联合仿真：

结果如下，符合要求：