ADS設(shè)計(jì)定向耦合器

1、<<ADS>>課程設(shè)計(jì)分支線耦合器目 錄1概述11.1 微波技術(shù)產(chǎn)生的背景及發(fā)展趨勢(shì)11.2 微波電路仿真軟件ADS簡(jiǎn)介21.3定向耦合概念及分類31.3.1概念31.3.2分類41.3.3 主要技術(shù)指標(biāo)62工作原理72.1 傳輸線理論72.2 輸入阻抗82.3 特性及測(cè)量92.3.1網(wǎng)絡(luò)特性92.3.2測(cè)量方法（定向耦合器的特性參量）102.4 定向耦合器的用途113.微帶分支電路的分析與設(shè)計(jì)123.1 分支線耦合器123.2 分支線耦合器的奇偶模分析134設(shè)計(jì)過(guò)程174.1 建立工程174.2 原理圖的設(shè)計(jì)184.3微帶線參數(shù)的設(shè)置194.4 VAR控件的設(shè)置204

2、.5 S參數(shù)仿真設(shè)計(jì)204.6 參數(shù)的優(yōu)化224.7分支線耦合器版圖的生成235.總結(jié)與展望2525<<ADS>>課程設(shè)計(jì)分支線耦合器1概述 1.1 微波技術(shù)產(chǎn)生的背景及發(fā)展趨勢(shì) 微波技術(shù)是無(wú)線電電子學(xué)的一個(gè)重要分支，已成為現(xiàn)代通信、雷達(dá)、導(dǎo)航和遙感等領(lǐng)域最為敏感的課題之一，發(fā)展至今已經(jīng)有比較久的歷史了，無(wú)論在理論上還是在實(shí)踐上，微波科學(xué)技術(shù)逐漸成熟，并擁有很多的從業(yè)人員。微波波段的電磁波能穿透電離層,因而衛(wèi)星通信與衛(wèi)星電視廣播、宇宙通信及射電天文學(xué)的研究等均需利用微波來(lái)實(shí)現(xiàn)，在通信、雷達(dá)、導(dǎo)航、遙感、天氣、氣象、工業(yè)、農(nóng)業(yè)、醫(yī)療以及科學(xué)研究等方面得到越來(lái)越廣泛的應(yīng)用，

3、成為了無(wú)線電電子學(xué)的一個(gè)重要的分支趨向。隨著通信技術(shù)的迅速發(fā)展，為了便于攜帶和移動(dòng),無(wú)線電設(shè)備的小型化是未來(lái)的發(fā)展趨勢(shì)，而移動(dòng)通信所使用頻段處于微波范圍,因此實(shí)現(xiàn)微波電路的更高頻率化, 小型化,固體化,不僅在實(shí)用方面,而且在學(xué)術(shù)方面均有重要的研究?jī)r(jià)值。定向耦合器通常有兩種實(shí)現(xiàn)方式: Lange耦合器和帶線耦合器。Lange耦合器具有結(jié)構(gòu)緊湊,便于集成的優(yōu)點(diǎn),但一般使用陶瓷基板, 電路制作要求較高,加工工藝和成本限制了它的應(yīng)用。帶線耦合器雖然對(duì)電路制作工藝要求相對(duì)較低,但存在結(jié)構(gòu)復(fù)雜、體積較大以及集成困難等缺點(diǎn)。傳統(tǒng)的定向耦合器雖然具有設(shè)計(jì)成任意功率分配比例的優(yōu)點(diǎn)，但是體積較大，不利于微波集成化

4、方向發(fā)展，因此尋找性能更好和功能獨(dú)特的小型定向耦合器，一直是人們?nèi)パ芯康恼n題之一。而微帶定向耦合器由于具有結(jié)構(gòu)緊湊、制作簡(jiǎn)單、便于和其他電路集成等優(yōu)點(diǎn),目前已引起人們的極大研究興趣，未來(lái)的耦合器必然會(huì)向著集成化和小型化方向發(fā)展。同時(shí),用微帶線設(shè)計(jì)的微波元器件,可以直接做在電路板上,具有所占空間小、易于和其它電路元件連接的特點(diǎn)。因?yàn)槲Ь€具有上述特點(diǎn),所以用它來(lái)做微波電路。這將有助于提高微波集成電路的集成度。然而，微帶定向耦合器也有自身的不足，主要體現(xiàn)在耦合度較低和方向性差等方面。為了克服上述缺陷,研究者提出了多種補(bǔ)償方法，本文也將結(jié)合微波理論知識(shí)和先進(jìn)的仿真軟件技術(shù)，來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)微帶定向耦合器的耦

5、合度和方向性等性能的改善和提高。1.2 微波電路仿真軟件ADS簡(jiǎn)介ADS，即Advanced Design System 的簡(jiǎn)稱，它是 Agilent Technoligyies（安捷倫）公司推出的一套電路設(shè)計(jì)軟件。 Agilent Technoligyies公司把HP MDS（Microwave Design System）和HP EEsof IV(Electronic Engineering Software )兩者的精華有機(jī)地結(jié)合起來(lái)，并增加了許多新的功能，便構(gòu)成了ADS軟件。 自從Agilent Technoligyies 公司推出ADS軟件后，很快被廣大電子工程技術(shù)人員所接受，因?yàn)樗?/p>

6、與以前的微波仿真軟件相比，具有更全面的功能，而且它的應(yīng)用也變得更加廣泛，它具有多種仿真軟件的優(yōu)點(diǎn)，仿真手段豐富，可實(shí)現(xiàn)包括時(shí)域和頻域，數(shù)字與模擬，線性與非線性，高頻與低頻，噪聲等多種仿真分析手段，范圍涵蓋小到元器件，大到系統(tǒng)級(jí)的仿真分析設(shè)計(jì)，ADS能夠同時(shí)仿真射頻（RF），模擬（Analog），數(shù)字信號(hào)處理（DSP）電路，并可對(duì)數(shù)字電路和模擬電路的混頻電路進(jìn)行協(xié)同仿真，由于其強(qiáng)大的功能，很快成為全球內(nèi)業(yè)界流行的EDA設(shè)計(jì)工具。（1）ADS的特點(diǎn) 在可操作性方面，ADS靈活使用了窗口技術(shù)，工具欄、工具欄、快捷鍵、模版以及菜單等使人機(jī)界面更美觀、方便。 ADS使用了器件圖例、庫(kù)瀏覽以及即時(shí)瀏覽各分

7、層次器件的實(shí)際電路等功能。 提供多種獲得幫助文件的途徑（用戶手冊(cè)、自帶設(shè)計(jì)舉例、各種模版、因特網(wǎng)），用戶可以獲得詳細(xì)的、最新的幫助文件。（2）ADS的應(yīng)用ADS的應(yīng)用非常廣泛，它的應(yīng)用場(chǎng)合主要包括射頻和微波電路的設(shè)計(jì)、DSP設(shè)計(jì)、通信系統(tǒng)的設(shè)計(jì)、向量仿真，其在微波電路的CAD設(shè)計(jì)部分主要包括以下幾個(gè)方面： 微波器件的建模和參數(shù)提取 包括各種微波半導(dǎo)體器件的建模和參數(shù)提取、微波分布參數(shù)和集總參數(shù)元件的實(shí)驗(yàn)建模、標(biāo)準(zhǔn)工藝加工線元件數(shù)據(jù)庫(kù)等。 微波系統(tǒng)仿真 對(duì)各種不同規(guī)模的微波系統(tǒng)進(jìn)行仿真，以便得到系統(tǒng)的各種特性指標(biāo)，這是微波系統(tǒng)設(shè)計(jì)的重要手段。 微波電路的優(yōu)化設(shè)計(jì) 用戶給定電路的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)、各元件初

8、始值和電路的設(shè)計(jì)指標(biāo)目標(biāo)，EDA軟件自動(dòng)改變?cè)?，直到滿足電路的設(shè)計(jì)指標(biāo)目標(biāo)。 微波電路的容差分析和容差設(shè)計(jì) 計(jì)算電路元件的允許公差、分析元件公差的各種分布形式和元件公差對(duì)微波電路特性的影響以及通過(guò)改變?cè)闹行闹祦?lái)使所生產(chǎn)的電路達(dá)到最高的成品率。 微波部件和電路的電磁仿真 采用電磁場(chǎng)數(shù)值計(jì)算方法，配以方便的用戶界面，用于一些微波部件和電路的仿真。 微波集成電路的布線和版圖設(shè)計(jì) 自動(dòng)或交互式將微波電路的電原理圖轉(zhuǎn)換成微波集成電路的工藝版圖，進(jìn)行設(shè)計(jì)規(guī)則檢查。1.3定向耦合概念及分類 1.3.1概念定向耦合器是具有方向性的功率耦合和功率分配元件，其結(jié)構(gòu)形式多種多樣，但它們都是四端口元件，通常由

9、主傳輸線、副傳輸線、和耦合結(jié)構(gòu)三部分組成，主、副線通過(guò)耦合結(jié)構(gòu)（通常耦合結(jié)構(gòu)有耦合縫、耦合孔和耦合傳輸線等結(jié)構(gòu)）連接，主線傳輸?shù)碾姶挪芰拷?jīng)耦合結(jié)構(gòu)進(jìn)入副線中，并在副線的某一端口輸出，在副線的另一端口應(yīng)無(wú)輸出。所有的定向耦合器的方向性都是通過(guò)兩個(gè)獨(dú)立的波（或波的分量）產(chǎn)生的，它們?cè)隈詈隙丝谕蛳嗉?，在隔離端口則反相抵消來(lái)實(shí)現(xiàn)方向性，定向耦合器的示意圖如圖1-1所示。（a）正向定向耦合器（b）反相定向耦合器圖1-1定向耦合器示意圖1.3.2分類 定向耦合器的種類繁多，其結(jié)構(gòu)形式多種多樣，但本文只對(duì)以下四種進(jìn)行簡(jiǎn)單的介紹： 波導(dǎo)定向耦合器這種耦合器是最早實(shí)現(xiàn)是耦合器，它通常在波導(dǎo)的共用邊上用小孔（

10、或小槽）來(lái)實(shí)現(xiàn)耦合。實(shí)現(xiàn)這中耦合最簡(jiǎn)單的方法是在兩個(gè)波導(dǎo)之間的寬壁上開(kāi)一個(gè)小孔，這種耦合器稱為Bathe孔耦合器，主要有兩種耦合形式，如圖1-2所示，在圖（a）中，耦合是通過(guò)小孔偏離波導(dǎo)邊壁的距離s來(lái)控制的。在圖2-2（b）中，耦合是通過(guò)兩波導(dǎo)之間的角度q來(lái)控制的。圖1-2 兩種Bathe孔耦合器 耦合線定向耦合器這種定向耦合器是用耦合傳輸線（兩根無(wú)屏蔽的傳輸線緊靠在一起時(shí)，由于各根線電磁場(chǎng)的相互作用，線之間可能產(chǎn)生功率耦合）制作的定向耦合器。單節(jié)耦合線定向耦合器結(jié)構(gòu)和端口定義如圖1-3所示，這種類型的耦合器最適合于弱耦合，原因在于緊耦合要求線很緊地靠在一起很難實(shí)現(xiàn)，還有偶模和奇模特性阻抗的數(shù)

11、值過(guò)大或過(guò)少而不實(shí)際。圖1-3 單節(jié)定向耦合器結(jié)構(gòu)和端口定義 lange定向耦合器這種耦合器最常見(jiàn)的有微帶形外觀和不能折疊的Lange耦合器兩種形式，如圖1-4所示，圖（a）所示的是四根耦合線采用相互連接以提供緊耦合，這種耦合器和容易做到3耦合度；圖（b）是不能折疊的lange耦合器，基本原理同圖（a）所示耦合器，不過(guò)這種很容易用一個(gè)等效電路模型化。 圖（a）微帶形外觀 圖（b）不能折疊的lange耦合器圖1-4 Lange 耦合器 鐵氧體定向耦合器 鐵氧體定向耦合器是用高強(qiáng)度漆包線繞在鐵氧體高頻磁環(huán)或磁芯上做成。這種定向耦合器實(shí)質(zhì)上是用電感線圈代替分布參數(shù)的電感，用電容器代替分布電容，有時(shí)也

12、稱其為集中參數(shù)定向耦合器。在定向耦合器設(shè)計(jì)中，使用鐵氧體能有效增加帶寬，減小尺寸和生產(chǎn)成本，同時(shí)提高了功率。在微波測(cè)量?jī)x器中使用這種定向耦合器可以降低成本，提高測(cè)量精度，有著廣闊的應(yīng)用前景。1.3.3 主要技術(shù)指標(biāo)定向耦合器是微波技術(shù)中廣泛使用的部件之一，通?？梢詫⑺闯梢粋€(gè)四端口網(wǎng)絡(luò)，如圖1-5所示，設(shè)端口1到4為主線、端口2到3為副線，當(dāng)電磁波從端口1輸入時(shí)，端口3無(wú)輸出，端口2有輸出，故端口3是隔離端，端口2為耦合端。如果電磁波從其它端口輸入，其輸出情況類似。圖1-5 定向耦合器網(wǎng)絡(luò)衡量定向耦合器性能的主要技術(shù)指標(biāo)有耦合度、定向性、隔離度、輸入電壓駐波比和頻帶寬度。 耦合度當(dāng)端口1接信號(hào)

13、源，端口2、3、4均接匹配負(fù)載時(shí)，端口1的輸入功率與端口2的輸出功率之比的分貝數(shù)為該定向耦合器的耦合度，則 () （1.1） 方向性系數(shù)端口2的輸出功率與端口3的輸出功率之比的分貝為定向耦合器的方向性系數(shù)，則 (dB) (1.2)對(duì)于一個(gè)理想的定向耦合器，。 隔離度端口1的輸入功率與端口2的輸出功率之比的分貝數(shù)為該定向耦合器的隔離度，則 () (1.3) 輸入電壓駐波比指定向耦合器直通端口4、反向耦合端口2、隔離端口3都接匹配負(fù)載時(shí)，在輸入端口測(cè)量到的駐波系數(shù)。輸入駐波系數(shù)反映了在輸入端觀察到的反射大小。頻帶寬度頻帶寬度是指當(dāng)耦合度、隔離度及輸入駐波比都滿足指標(biāo)要求時(shí)定向耦合器的工作頻帶寬度。

14、對(duì)于一個(gè)理想的定向耦合器，,。由（1.1）、（1.2）、（1.3）可以得出它們之間具有如下關(guān)系： (2.4)2工作原理 2.1 傳輸線理論 傳輸線可用來(lái)傳輸電磁信號(hào)能量和構(gòu)成各種微波元器件。微波傳輸線是一種分布參數(shù)電路，線上的電壓和電流是時(shí)間和空間位置的二元函數(shù)，它們沿線的變化規(guī)律可由傳輸線方程來(lái)描述。傳輸線方程是傳輸線理論中的基本方程。對(duì)于均勻無(wú)損耗傳輸線，傳輸線方程為 （2.1a） (2.1b)當(dāng)已知終端條件時(shí)，它的解可以表示 （2.2a） （2.2b）其中為終端電壓與電流，為傳播常數(shù), ,（為衰減系數(shù),為相移常數(shù)）。對(duì)于無(wú)耗傳輸線，它的常用參量有相移常數(shù) (2.3)相速度 (2.4)相波

15、長(zhǎng) (2.5)特性阻抗 (2.6) 2.2 輸入阻抗傳輸線上任意一點(diǎn)的輸入阻抗定義為該點(diǎn)電壓與電流之比。即由式(2.6)得 (2.7)式中，對(duì)于無(wú)耗傳輸線，有，代入上式得 (2.8)即傳輸線上任意一點(diǎn)的輸入阻抗與位置和負(fù)載阻抗有關(guān)。當(dāng)線的長(zhǎng)度為時(shí)，便得傳輸線的輸入阻抗為 （2.9）因?yàn)樽杩古c導(dǎo)納互為倒數(shù)的關(guān)系，即輸入導(dǎo)納，特性導(dǎo)納，負(fù)載導(dǎo)納，等關(guān)系式代入（2.9）可得 （2.10）由于是周期函數(shù)，所以無(wú)耗傳輸線上的阻抗成周期性變化，即具有的變換性和的重復(fù)性。 （1）變換性 傳輸線上相距兩點(diǎn)的輸入阻抗的乘積等于常數(shù)的這一特性，稱為阻抗的的變換性，由 （2.11）即常數(shù)。利用該特性可以進(jìn)行阻抗變換

16、，所以傳輸線具有阻抗變換的作用，可將容性阻抗經(jīng)變成感性阻抗，或反之。（2）的重復(fù)性 傳輸線上相距兩點(diǎn)的輸入阻抗相等的這一特性，稱為阻抗的重復(fù)性， 因?yàn)?(2.12)所以。即傳輸線具有的重復(fù)性。2.3 特性及測(cè)量 2.3.1網(wǎng)絡(luò)特性定向耦合器可被看作為四端口網(wǎng)絡(luò)，其特性可用散射矩陣表示，即 （2.13）其中各端口的反射系數(shù) (i=1、2、3、4)的值很?。ɡ硐胫禐榱悖?，表示各端口的匹配情況；衰減系數(shù)的值也很?。ɡ硐胫禐榱悖?。表示隔離情況是耦合系數(shù)，其值根據(jù)需要而設(shè)計(jì)。定向耦合的主要技術(shù)指標(biāo)是耦合度C（分貝）、定向性D（分貝）和工作頻帶，其中 （2.14） (2.15)理想定向耦合器的散射矩陣為

17、（2.16）兩個(gè)輸出信號(hào)有90°的相位差。上述雙孔或雙分支線耦合的單節(jié)定向耦合器工作頻帶較窄。若采用多孔或多分支線耦合結(jié)構(gòu)的多節(jié)定向耦合器（幾個(gè)單節(jié)的級(jí)聯(lián)），可借助綜合設(shè)計(jì)方法展寬工作頻帶。 定向耦合器是微波測(cè)量和其它微波系統(tǒng)中的常用元件，是近代掃頻反射計(jì)的核心部件。它是一種有方向性的微波功率分配器件，常見(jiàn)類型有：波導(dǎo)同軸線、帶狀線及微帶線等。定向耦合器包含主線和副線兩部分，在主線中傳輸?shù)奈⒉üβ式?jīng)過(guò)小孔或間隙耦合元件，將一部分功率耦合至副線中，由于波的干涉及疊加，使功率僅沿副線的一個(gè)方向傳輸（稱為“正方向”），而在另一方向幾乎沒(méi)有（或極少）功率傳輸（稱為“反方向”）。常見(jiàn)的波導(dǎo)定向

18、耦合器有波導(dǎo)十字孔定向耦合器、波導(dǎo)雙定向耦合器。2.3.2測(cè)量方法（定向耦合器的特性參量）（1） 耦合度 根據(jù)定義，只要首先測(cè)量出主波輸入端的功率電平，然后將定向耦合器的征象接入測(cè)量系統(tǒng)，測(cè)量出副波導(dǎo)正向輸出端的功率電平，則可以有上述公式求得耦合度。在實(shí)際測(cè)量中。可以利用功率衰減法來(lái)測(cè)量C，改變精密衰減器的衰減量，使測(cè)量主波導(dǎo)輸入端的檢波電流與定向耦合器正向接入系統(tǒng)中時(shí)，副波導(dǎo)正向輸出端的檢波電流相等，則衰減器的讀數(shù)之差就是定向耦合器的耦合度C。（2） 方向性 反向連接定向耦合器，主波導(dǎo)輸出端接匹配負(fù)載，使副波導(dǎo)在圖2-5端“3”輸出的檢波電流指示讀數(shù)合適（主要取決于信號(hào)源的功率及定向耦合器的

19、方向性的大小），讀取精密衰減器的衰減量。然后正向連接定向耦合器，加大精密衰減器的衰減量，直至“3”端的檢波電流指示與剛才的相同，讀取精密衰減器的衰減量，那么二次衰減量之差即為定向耦合器的方向性。 2.4 定向耦合器的用途在微波系統(tǒng)中，定向耦合器是一種應(yīng)用廣泛的微波元件，例如信號(hào)發(fā)生裝置中的功率監(jiān)視裝置及信號(hào)接收機(jī)中的混頻裝置都要用到定向耦合器。此外，自動(dòng)增益控制、平衡放大器、調(diào)相器以及反射計(jì)和微波阻抗電橋等測(cè)量?jī)x器也要用到定向耦合器。圖 2-1是微波信號(hào)發(fā)生器，它的輸出功率電平是由內(nèi)附功率計(jì)監(jiān)視的，送入功率計(jì)的功率只應(yīng)占信號(hào)發(fā)生器輸出功率的小部分，讓大部分的功率從信號(hào)發(fā)生器的輸出端輸出。因此在

20、信號(hào)發(fā)生器裝置的內(nèi)部需要一只把功率分成兩部分的裝置，在圖2-2中這一作用就是由定向耦合器完成的。從路輸出的微波功率大部分由路輸出，小部分功率通過(guò)耦合口路輸出至功率計(jì)或檢波器，由于路輸出的功率與路成一定比例關(guān)系，故從功率計(jì)數(shù)可以知道輸入功率的大小。圖2-1 信號(hào)發(fā)生器圖2-2是微波接收機(jī)中單端混頻器示意圖。圖中虛線方框代表一只波導(dǎo)定向耦合器，它由兩段寬壁形成的矩形波導(dǎo)組成，在公共寬壁上開(kāi)兩個(gè)耦合小孔，故兩段波導(dǎo)之間有電磁耦合，使主波導(dǎo)中的功率能夠耦合到副波導(dǎo)，副波導(dǎo)的功率也能夠耦合到主波導(dǎo)，但是耦合有方向性從路輸入的功率只能耦合到路的輸出，從路進(jìn)入的功率只能到路的輸出。故、兩路彼此隔離。如果路接

21、天線或者低噪聲放大器，路接本機(jī)振蕩器，則本機(jī)振蕩不會(huì)耦合到天線。當(dāng)路接混頻器時(shí)，作用于混頻器兩端的電壓，既含有信號(hào)頻率，又含有本振頻率，故經(jīng)混頻作用后有中頻信號(hào)的輸出。圖2-2 單端混頻器3.微帶分支電路的分析與設(shè)計(jì)3.1 分支線耦合器 分支線耦合器的結(jié)構(gòu)圖如圖3-1所示，定向耦合器的耦合機(jī)構(gòu)由一系列的分支線組成，在圖1-5中的偶和機(jī)構(gòu)由分支線組成，則構(gòu)成了分支線耦合器。由于同步型分支線定向耦合器結(jié)構(gòu)緊湊, 有較少的分支線,且其特性可以預(yù)示和調(diào)整得相當(dāng)準(zhǔn)確, 所以其應(yīng)用較為廣泛，本文就對(duì)其進(jìn)行了理論分析及實(shí)現(xiàn)。圖3-1 分支線耦合器的結(jié)構(gòu)圖3.2 分支線耦合器的奇、偶模分析圖3-2 定向耦合器

22、的電路圖 圖3-2 所示出一個(gè)將定向耦合器看成傳輸線的電路。設(shè)激勵(lì)信號(hào)從端口1輸入, 電壓為2U , 各端口電壓、電流參考方向如圖示。按奇、偶模激勵(lì)原則,單口激勵(lì)情況可以轉(zhuǎn)化為圖3-3 A、B 所示的奇、偶模雙口激勵(lì)疊加而成。圖3-3 （A）奇模激勵(lì)電路圖圖3-3 （B）偶模激勵(lì)電路圖定向耦合器是一個(gè)四端口網(wǎng)絡(luò), 設(shè)計(jì)這種部件會(huì)遇到很大困難，但定向耦合器的設(shè)計(jì)可以分解成兩個(gè)帶通濾波器的設(shè)計(jì)。這樣, 一個(gè)四端口網(wǎng)絡(luò)的設(shè)計(jì)就轉(zhuǎn)化為二端口網(wǎng)絡(luò)的設(shè)計(jì), 不但簡(jiǎn)化了設(shè)計(jì)過(guò)程, 而且可以沿用現(xiàn)有的帶通微波濾波器的綜合方法。端口1的輸入阻抗為 （3.1）其中和分別從端口1看入的奇模和偶模阻抗。由傳輸線阻抗方

23、程有: （3.2） （3.3）其中，分別為奇、偶模特性阻抗。將（3.2）（3.3）待入（3.1）可得，并指考慮匹配情況，即令,即可得到 （3.4）又從圖4-2得出， （3.5）由網(wǎng)絡(luò)對(duì)稱性知：，顯然，即 （3.6） （3.7）由（3.4）（3.7）代入（3.6）得： （3.8）又由圖（3-2）（3-3）得： （3.9）將（3.7）（3.8）（3.9）可得： （3.10）又知 （3.11） （3.12）由（3.10）式，當(dāng)時(shí)，達(dá)最大值，此時(shí)記,即 ，顯然 （3.13）將K代入（3.10）（3.12）式得： （3.14） （3.15）在（3.13）中，令，則,則（3.14）（3.15）式變成 （3

24、.16） （3.17）式中。如令,且取時(shí)，則有，這時(shí)，。這正是一個(gè)定向耦合器的特性, 從而證明了分解設(shè)計(jì)方法的正確性，接下來(lái)的工作就是在微波仿真軟件ADS上進(jìn)行原理圖的繪制，并對(duì)其仿真和優(yōu)化，最后得到分支線耦合器的版圖。4設(shè)計(jì)過(guò)程 4.1 建立工程(1)運(yùn)行ADS，會(huì)彈出ADS開(kāi)始運(yùn)行的畫(huà)面，隨后會(huì)打開(kāi)了ADS主窗口如4-1所示。圖4-1 ADS主窗口選擇【File】【New Project】命令，在圖4-2中命名為coupler，選擇mm為單位，單擊OK，在工具欄中單擊【save】命令后新的工程建立完成。圖4-2 新建coupler工程 4.2 原理圖的設(shè)計(jì) （1）建立工程后，ADS會(huì)自動(dòng)彈

25、出原理圖設(shè)計(jì)窗口，可直接在繪圖區(qū)進(jìn)行設(shè)計(jì)，首先在原理圖設(shè)計(jì)窗口的元件面板列表中選擇“TLines-Microstrip”元件面板，從中選擇3個(gè)MIL和2個(gè)MTEE插入到原理圖中，調(diào)整它們的放置方式，按圖4-3的形式連接起來(lái)，組成分支線耦合器的一條支路。圖4-3 分支線耦合器的一條支路 （2）同上面方法一樣，再選擇3個(gè)MLIN和2個(gè)MTEE插入到原理圖中，如圖4-4所示將他們連接成分支線耦合器的另外一條支路。圖4-4 分支線耦合器的另一條支路（3）同樣的再選擇2個(gè)MLIN插入到原理圖中，作為兩個(gè)支路的微帶線，并將兩條支路連接起來(lái)，組成如圖4-5所示的分支線耦合器原理圖。圖4-5 分支線耦合器原理

26、圖4.3微帶線參數(shù)的設(shè)置 在微帶線參數(shù)的設(shè)置中，需要對(duì)尺寸參數(shù)和電器參數(shù)這兩種參數(shù)進(jìn)行設(shè)置，設(shè)置的過(guò)程如下：（1）從“TLines-Microstip”元件面板列表中選擇一個(gè)微帶線參數(shù)設(shè)置控件MSUB插入到原理圖中，雙擊后將其各個(gè)參數(shù)設(shè)置成如圖4-6所示。圖4-6 MSUB控件設(shè)置（2）點(diǎn)擊【Tools】【LineCalc】【Start Linecalc】命令，彈出微帶線計(jì)算工具菜單，在其中輸入與MSUB控件相同內(nèi)容微帶線的寬度和長(zhǎng)度計(jì)算出來(lái)。（3）將原理圖的各個(gè)參量設(shè)置成計(jì)算出來(lái)的參數(shù)值，原理圖的設(shè)計(jì)完成。4.4 VAR控件的設(shè)置計(jì)算出分支線耦合器中微帶線的理論尺寸參數(shù)后，可以通過(guò)“VAR”

27、控件將這些參數(shù)應(yīng)用到微帶耦合器的隔斷傳輸線上。 （1）單擊【insert】【VAR】命令插入VAR控件圖標(biāo)。 （2）雙擊VAR控件圖標(biāo)，在彈出的設(shè)置窗口中，依次可以添加和修改W、L參數(shù)值。這樣修改好微帶耦合器的隔斷微帶線的參數(shù)值。4.5 S參數(shù)仿真設(shè)計(jì) 在設(shè)計(jì)好分支線耦合器原理圖后，對(duì)其進(jìn)行S參數(shù)仿真，觀察四個(gè)端口的S參數(shù)，即觀察S參數(shù)的幅度和相位。 （1）單擊insert GROUD圖標(biāo)和終端負(fù)載圖標(biāo)，在原理圖中插入4個(gè)“地”和4個(gè)負(fù)載Term，并連接號(hào)原理圖，如圖4-7所示。圖4-7 S參數(shù)仿真原理圖（2）在原理圖上放置如圖4-8所示的S參數(shù)仿真控制器“Simulation-S_Param

28、”，并將其開(kāi)始頻率、終止頻率和頻率間隔分別設(shè)為3.2GHz、4.4GHz、0.02GHz。圖4-8 S參數(shù)仿真控制器（3）單擊工具欄中的【Simulate】命令執(zhí)行仿真，仿真結(jié)束后可得到和的參數(shù)曲線，如圖4-9所示。圖4-9 、參數(shù)曲線 從圖中可以看出，參數(shù)曲線和參數(shù)曲線在3.65處的值都在-38以下，說(shuō)明該設(shè)計(jì)的分支線耦合器的端口反射系數(shù)和端口間隔離度還沒(méi)有達(dá)到預(yù)計(jì)結(jié)果。同樣的可以得到和參數(shù)曲線如圖4-10所示，得到的、相位參數(shù)曲線如圖4-11所示。圖4-10 、參數(shù)曲線圖4-11 、相位曲線 由圖4-14看出，1端口到3端口以及從1端口到4端口的都有3左右的衰減，可以接受這個(gè)結(jié)果；由圖4-

29、11可以看出，相位曲線是線性的，符合要求。4.6 參數(shù)的優(yōu)化 （1）選擇優(yōu)化設(shè)置控件Optim，設(shè)置優(yōu)化類型為Random及優(yōu)化次數(shù)為100次。 （2）選擇優(yōu)化目標(biāo)控件Goal，設(shè)置其參數(shù)；可以設(shè)置多個(gè)優(yōu)化目標(biāo)。設(shè)置完優(yōu)化目標(biāo)后先把原理圖存儲(chǔ)一下，然后就可以進(jìn)行參數(shù)優(yōu)化了。 （3）點(diǎn)擊工具欄中【simulate】命令開(kāi)始優(yōu)化。（4）在優(yōu)化過(guò)程中會(huì)打開(kāi)一個(gè)狀態(tài)窗口顯示優(yōu)化的結(jié)果，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(huì)打開(kāi)圖形顯示窗口。（5）幾秒鐘之后，優(yōu)化完成得到的S參數(shù)曲線如4-12所示。（a）、仿真結(jié)果圖（b）、參數(shù)曲線（c）、相位曲線圖4-12 S參數(shù)曲線 從優(yōu)化的結(jié)果看，參數(shù)曲線和參數(shù)曲線在3.8處的值都在-40以下