实验题目：微波功率分配器设计

1. 课程简要信息

课程名称，课程学时，适用专业，学生年级微波技术虚拟实验，64学时，电子信息工程，大三

2. 实验内容与任务（限 500 字）

项目需要完成的任务（如需要观察的现象，分析某种现象的成因、需要解决的问题等）；是否设计有不同层次的任务。

基于 AWR 软件和 Protel软件平台，设计一个微波功率分配器，以平面微带线元件实现，版图需小型化设计。

基本内容：(1)查阅资料、数据库，选择适当微波基板、元件；（2）结合相关设计理论，完成初始物理参数值的计算；（3）进行电路原理图的搭建、仿真及优化；（4）建立元件封装模型，生成总电路版图；（5）调整布线结构，压缩版图尺寸，注意观察布线改变对电路特性的影响。

扩展内容：（1）对电路图进行更高精度的电磁提取分析，包括 ACE 提取和 AXIEM 提取，提取出各个元件的版图电磁特性后，观察电路图的特性变化情况，明确微波电路设计中版图结构的重要性；（2）在保证电磁提取结果理想的情况下，继续缩小版图尺寸；（3）绘制符合实际加工要求的硬件版图；（4）分组演讲、交流，择优制作实物电路；（5）熟悉矢量网络分析仪的操作，测量硬件特性，无实物者可测量实验室提供的硬件示范电路。

实验任务：

(1) 基本任务：中心频率 $3 \mathrm { G H z }$ ，带宽 ${ \tt > } 1 0 0 \mathrm { M H z }$ ，回波损耗 $>$ 15dB，隔离度 $>$ 15dB，两路输出，等功率分配。电路结构采用 wilkinson 形式。
(2) 扩展任务：中心频率 $3 \mathrm { G H z }$ ，带宽 ${ \mathrm { > 2 0 0 M H z } }$ ，回波损耗 ${ \tt > } 2 0 \mathrm { d B }$ ，隔离度 ${ \tt > } 2 0 \mathrm { d B }$ ，多路输出（自行设计，如 4 路、8 路等），等功率分配。电路结构形式不限。
(3) 选做任务：自行拟定微波功率分配器的指标，要求实现双频带工作、非等功率分配，输出通路数目不限，电路结构形式不限。

3. 实验过程及要求（限 300 字）

如对学生在实验过程中在需求分析、资料查询、自学预习、思考讨论、方法设计、进程规划、软件仿真、平台构建、器件选择、表格设计、现象观察、数据测试、问题分析、总结报告、验收答辩、演讲交流等各方面的要求。

1）查阅资料，自主学习微波功率分配器的基本原理、设计方法、最新技术；
2） 学习电参数和物理参数的相互转换计算，以及转换计算中 Txline 工具的使用；
3） 选择适当微波基板，结合相关设计理论，进行电路的初始物理参数值计算；
4） 基于 AWR 软件平台，搭建电路图，进行电路特性的仿真分析、调节及优化；
5）查阅数据库，确定元件封装形式，建立元件封装模型，生成总电路版图；
6）调整布线结构，观察其对微波特性的重要影响；结合工程需要，缩小版图尺寸；
7）加入电磁提取模块，正确设置介质参数、提取参数，进行 ACE及 AXIEM电磁提取仿真；
8）导出 AWR 的制版文件，基于 Protel软件平台绘制符合实际加工需要的硬件版图；
9）分组演讲，交流设计经验，从中挑选优秀设计作品进行实物电路制作、加工；
10)熟悉矢量网络分析仪的操作，测量实物电路（或实验室提供的硬件示范电路）；
11)分组验收，记录软、硬件设计及测量完成情况，纳入平时成绩；
12)分析设计中的不足，总结设计经验，撰写设计报告。

4. 相关知识及背景（限 150 字）

项目涉及的知识方法、实践技能、应用背景、工程案例。

微波功率分配器是通信电子系统中的常用模块，对功率起到多路分配、传递的作用。在实际工程应用中，器件电路也在向着小型化、集成化发展，版图尺寸需要尽可能缩小。而微波电路中存在电磁耦合效应，布线结构的改变会导致电路特性改变，因此微波电路的版图设计需要特别重视。应用 AWR 软件的新技术、新算法，就可以得到更加精准的设计。

5. 教学目标与目的（限 100 字）

如学习、运用知识、技术、方法；培养、提升能力、素质。

本项目是综合设计性实验。对微波理论进行全面、深入的学习，并运用理论知识解决实际工程问题。掌握微波专业设计软件，熟悉软件的新技术、新功能。重点培养学生的工程实践能力、动手能力和创新能力，为更高层次的专业研发打好基础。

1）引导学生掌握功率分配器的原理、分析方法及一般设计方法；
2） 能够设计基本电路单元，掌握绘制电路原理图及 PCB 加工用图的技能；
3） 掌握电路的测试、调试技能；
4） 培养应用专业软件仿真工具进行工程设计的能力；
5）具备自主学习的意识和能力。

6. 教学设计与引导

如预习要求及检查；课堂知识讲解、方法引导、背景解释；实验中的方法指导，问题设置、思路引导等。研讨主题、观察节点、验收重点、质询问题的设计等。

本实验软、硬结合，与工程应用相结合，是一个较为完整的设计性实验，需要经历学习研究、查阅文献、电路设计、仿真分析、版图设计、电磁提取、硬件电路制作及实测、设计总结等过程。在实验教学中，应在以下几个方面加强对学生的引导：

1） 学习功率分配器的基本原理，了解功分器在通信电子系统中的作用；
2） 检查学生对基板、元件数据库的搜集、选择情况，检查学生是否已明确元件的封装参数；
3） 电路初始设计时，引导学生明确电参数和物理参数的相互对应关系、物理含义；
4） 版图设计时，强调实际工程需求，明确微波电路版图设计的特殊性；
5） 引导学生注意区分 ACE提取和 AXIEM 提取，明确电磁提取的作用、优势；
6） 将 AWR 软件版图导入 Protel 软件时，注意介质层的设置要统一；
7） 组织学生进行项目演讲，相互交流，了解不同设计方案及其特点，拓宽知识面；
8）硬件实测时，必须严格按照矢量网络分析仪的测试要求进行，明确仪器的操作步骤、测量

方法，尽量减少测量误差；

9）验收时，主要检查电路原理图、电磁提取结果图、二维版图、三维版图、硬件版图以及实物电路、实测结果等。检查模型结构是否正确，结果是否符合设计要求。

7. 实验原理及方案

实验的基本原理、完成实验任务的思路方法，可能采用的方法、技术、电路、器件。

本项目包括基本任务、扩展任务和选做任务。功率分配器的任务要求不同，采用的设计原理就不同，并且输出通路越多，结构就越复杂，因此电路形式也就多种多样。

4 路输出的功率分配器，电路图、版图示例：

8 路输出的功率分配器，电路图、版图示例：

因此，此处仅参照基本任务要求，对实验原理及完整设计方案加以说明。

1）设计原理

在结构示意图中， $Z _ { 0 2 }$ 、 $Z _ { 0 3 }$ 的长 $\scriptstyle \sum _ { \ k = \ k } ^ { \pm \pm } \sum _ { \zeta } \lambda _ { \textsc { h } _ { \mathrm { p } 0 } } / 4 , \ Z _ { 0 } = 5 0 , \ Z _ { 0 2 } = Z _ { 0 3 } = { \sqrt { 2 } } \ Z _ { 0 } , \ Z _ { 0 4 } = Z _ { 0 5 } = Z _ { 0 } , \ \mathrm { r } = 2 Z _ { 0 } \circ \ $

2）初始物理参数计算

查阅资料，结合工作频段，选择适当的微波基板。此处基板参数为：介电系数 9.8，厚度 $1 \mathrm { m m }$ 导带厚 $0 . 0 1 8 \mathrm { m m }$ 。利用 TXLINE 工具包，计算各个微带元件的初始物理参数，即 L、W。

3）AWR 软件仿真

基于 AWR 软件平台，建立初始电路原理图，仿真分析。

4）版图设计

查阅元件数据库，确定封装格式。本设计中采用 0603 封装。调整布线结构，观察电路特性变化。

5）电磁提取

为了精准分析电路的电磁特性，加入提取模块，进行 ACE提取和 AXIEM 提取。

EXTRACT
ID=EX1
EM_Doc="EM_Extract_Doc"
Name="EM_Extract"
Simulator=AXIEM
X_Cell_Size=10 um
Y_Cell_Size=10 um
STACKUP=""
Override_Options=Yes
Hierarchy=Off
SweepVar_Names=""
EXTRACT
D=EX1
EM_Doc="EM_Extract_ACE"
Name="EM_Extract1"
Simulator=ACE
X_Cell_Size=10 um
Y_Cell_Size=10 um
STACKUP="SUB2"
Override_Options=Yes
Hierarchy=Off
SweepVar_Names="!

6）压缩版图尺寸

实际工程应用中需要减小体积、降低成本，因此要在满足电路性能基础上，尽量缩小版图尺寸。设置不同的耦合距离，注意观察电磁提取的不同效果。

版图压缩后的最终设计结果：

7）硬件制版、加工、实测

导出 AWR 软件的制版文件，在 Protel软件平台绘制符合实际加工需要的硬件版图，外送加工制版。实物电路制作完成后，利用矢量网络分析仪进行硬件特性测量。

另外，实验室提供已经制作好的硬件示范电路，是四路输出的微波功率分配器，供学生自行测量，或教师示范测试。

8. 教学实施进程

简要介绍实验实施进程的各个环节（如任务安排、预习自学、现场教学、分组研讨、现场操作、结果验收、总结演讲、报告批改等）中，教学设计的思路、目的，教师、学生各自需要完成的工作任务，需要关注的重点与细节。

1） 任务安排：布置实验任务，预习自学功分器设计原理，自行查找数据库，选择恰当元件；
2） 课前检查：检查学生预习情况；
3） 现场教学：重点讲解版图调节的目的，调节的要点和难点；讲解电磁提取的目的和用途，重点解释提取模块的参数含义；讲解 AWR 软件和 Protel 软件绘制版图的区别、联系；
4） 现场操作：解答学生软件仿真时出现的各种问题；指导学生按照操作手册，正确使用矢量网络分析仪；
5） 总结演讲：学生总结设计体会，演讲交流；教师从中选择挑选优秀设计作品进行实物制作；
6）结果验收：检查电路原理图、电磁提取结果图、二维版图、三维版图、硬件版图等，检查模型结构是否正确，检查测量结果是否符合设计要求；
7）报告批改：重点检查数据是否完整、正确，分析是否合理、全面，撰写格式是否规范。

9. 实验报告要求

需要学生在实验报告中反映的工作（如：实验需求分析、实现方案论证、理论推导计算、设计仿真分析、电路参数选择、实验过程设计、数据测量记录、数据处理分析、实验结果总结等等）

实验报告需要反映以下工作：

1） 实验需求分析
2） 电路设计原理
3） 初始物理参数计算
4） 电路图设计和版图设计
5） 硬件电路测量
6） 实验数据记录
7） 数据处理分析
8） 设计总结

10.考核要求与方法（限 300 字）

考核的节点、时间、标准及考核方法。

本项目为综合设计性实验，采取开放实验形式。本次考核成绩取百分制，占课程总成绩的 $2 5 %$ 考核标准：

1）实验验收（40 分）：检查电路设计的合理性、完善性，检查设计结果与指标的吻合度。包括：AWR 软件验收：最终的电路图、版图、ACE 提取结果、AXIEM 提取结果；20分Protel 软件验收：实物加工版图；10 分硬件验收：硬件电路的焊接质量，实物测量结果。10 分

2） 自主创新（20 分）：设计创新，结构创新，自主思考与独立实践能力。按任务完成层次打分。

基本任务：最高 10 分扩展任务：最高 15 分选做任务：最高 20 分

3） 实验成本（10 分）：检查元件材料选择的合理性，是否充分利用实验室已有资源。

4）实验报告（30 分）：完整性，规范性，独立性。

方案设计：对设计过程，特别是电路图设计和版图设计的表述明确，思路清晰；6分
实验数据记录：包括计算值、电路图、版图、仿真结果、实物图、实测结果等，数据完整，
结果正确；6 分
数据处理分析：分析深入、合理，并能够就实验误差提出改进措施；6 分
设计总结：有个人的设计心得、经验，总结全面，独立完成；6 分
论文撰写：格式规范，书写整齐。6分

11.项目特色或创新（可空缺，限 150 字）

本项目的特色与创新在于：

1）模式创新：项目将虚拟仿真实验与硬件测量实验无缝连接在一起，通过“虚实结合”的实验模式，引导学生掌握微波电路设计实验方法，提高学生理论结合实际以及分析、解决问题的能力。

2）内容创新：项目强调工程应用。项目平台是行业内广泛使用的专业工程软件，项目内容贴近通信电子系统设计实际需要，突出实验内容与工程、社会的结合，注重培养学生的工程实践能力。

3）方法创新：项目以目标导向为主旨，依照不同任务层次，进行开放式的电路设计。引导学生分析需求、查阅文献，结合新技术、新方法，激发和提高学生独立学习、自主创新的能力。

实验案例信息表