ADS設(shè)計(jì)定向耦合器

1、word 專(zhuān)業(yè)整理 學(xué)習(xí)資料 整理分享 1 概述 . 1 1.1 微波技術(shù)產(chǎn)生的背景及發(fā)展趨勢(shì) . 1 1.2 微波電路仿真軟件 ADS 簡(jiǎn)介 . 2 1.3 定向耦合概念及分類(lèi) . 3 1.3.1 概念 . 3 1.3.2 分類(lèi) . 4 1.3.3 主要技術(shù)指標(biāo) . 6 2 工作原理 . 7 2.1 傳輸線理論 . 7 2.2 輸入阻抗 . 8 2.3 特性及測(cè)量 . 9 2.3.1 網(wǎng)絡(luò)特性 . 9 2.3.2 測(cè)量方法（定向耦合器的特性參量） .10 2.4 定向耦合器的用途 . 11 3.微帶分支電路的分析與設(shè)計(jì) . 12 3.1 分支線耦合器 . 12 3.2 分支線耦合器的奇偶模分

2、析 . 13 4 設(shè)計(jì)過(guò)程 . 17 4.1 建立工程 . 17 4.2 原理圖的設(shè)計(jì) . 18 4.3 微帶線參數(shù)的設(shè)置 . 19 4.4 VAR 控件的設(shè)置 . 20 4.5 S 參數(shù)仿真設(shè)計(jì) . 20 4.6 參數(shù)的優(yōu)化 . 22 4.7 分支線耦合器版圖的生成 . 23 5.總結(jié)與展望 . 25word 專(zhuān)業(yè)整理 學(xué)習(xí)資料 整理分享 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

3、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，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

4、，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 去研究的課題之一。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

5、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 Adva need Desig n System 的簡(jiǎn)稱(chēng)，它是 Agile nt Tech noligyies （安捷倫） 公司推出的一套電路設(shè)計(jì)軟件。 Agile nt Tech noligyies 公司把 HP MD（ Microwave word 專(zhuān)業(yè)整理 學(xué)習(xí)資料 整理分享 De

6、sign 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Agile nt Tech noligyies 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c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（A

7、nalog），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(hù)手冊(cè)、自帶設(shè)計(jì)舉例、各種模版、因特網(wǎng)）， 用戶(hù)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

8、電路的 CACK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(hù)給定電路的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)、各元件初始值和電路的設(shè)計(jì)指 標(biāo)目標(biāo)，EDA軟件自動(dòng)改變?cè)?，直到滿(mǎn)足電路的設(shè)計(jì)指標(biāo)目標(biāo)。word 專(zhuān)業(yè)整理 學(xué)習(xí)資料 整理分享 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)

9、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(hù)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(lèi) 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)?電磁波能量經(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

10、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 在耦合端口同向相加，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。 斗 3 (a)正向定向耦合器 word 專(zhuān)業(yè)整理 學(xué)習(xí)資料 整理分享 圖1-1定向耦合器示意圖word 專(zhuān)業(yè)整理 學(xué)習(xí)資料 整理分享 132分類(lèi) 定向耦合器的種類(lèi)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（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(chēng)為Bathe孔耦合器，

11、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 角度二來(lái)控制的。 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(lèi)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)值過(guò)大或過(guò)少而不實(shí)際。罄人迂二二 宜通 word 專(zhuān)業(yè)整理 學(xué)習(xí)資料 整理分享 圖1-3單節(jié)定向耦合器結(jié)構(gòu)和端口定義 Iange

12、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3dB耦合度；圖（b）是不能折疊的Iange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)也稱(chēng)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

13、。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。圖（a）微帶形外觀 圖（b）不能折疊的 lange 耦合器 word 專(zhuān)業(yè)整理 學(xué)習(xí)資料 整理分享 I，則 (1.3) 133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(lèi)似。 圖1-5定向耦合器網(wǎng)絡(luò) - O 3 耦合機(jī)構(gòu) - O 4 衡量定向耦合器性能的主要技術(shù)指標(biāo)有耦合

14、度、定向性、隔離度、輸入電壓駐波比和頻 帶寬度。 耦合度C 當(dāng)端口 1接信號(hào)源，端口 2、3、4均接匹配負(fù)載時(shí)，端口 1的輸入功率R與端口 2 的輸出功率F2之比的分貝數(shù)為該定向耦合器的耦合度 C,則 端口 2的輸出功率F2與端口 3的輸出功率F3之比的分貝為定向耦合器的方向性系數(shù) 隔離度I 端口 1的輸入功率R與端口 2的輸出功率巳之比的分貝數(shù)為該定向耦合器的隔離度 方向性系數(shù)D (1.1) D，則 0|g :%八 對(duì)于一個(gè)理想的定向耦合器，F(xiàn)3=0, &1=0,D (dB) (1.2) :。 C 2 ( dB) D =10lg word 專(zhuān)業(yè)整理 學(xué)習(xí)資料 整理分享 輸入電壓駐波比

15、 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(mǎn)足指標(biāo)要求時(shí)定向耦合器的工作 頻帶寬度。 對(duì)于一個(gè)理想的定向耦合器，P3 = 0，囪=0 , I : o 由(1.1 )、(1.2 )、(1.3)可以得出它們之間具有如下關(guān)系： D = I -C (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

16、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 dU z 乙1 z (2.1a) dz dl z P=-YU(z) (2.1b) dz 當(dāng)已知終端條件時(shí)，它的解可以表示 U(z)=U2Chyz Zo12shyz (2.2a ) U 2 I (z) - shyz Jchyz (2.2b) Z0 y 其中U2、丨2為終端電壓與電流，為傳播常數(shù)，丫 =血憶=口 +3 ,(。為衰減系 數(shù)，1為相移常word 專(zhuān)業(yè)整理 學(xué)習(xí)資料 整理分享 數(shù))。對(duì)于無(wú)耗傳輸線，它的常用參量有word 專(zhuān)業(yè)整理 學(xué)習(xí)資料 整理分享 傳輸線上任意一點(diǎn)Z 的輸入阻抗ZMz）定義為該點(diǎn)電

17、壓與電流之比。即由式（2.6） 相移常數(shù)一： (2.3) 相速度p 相波長(zhǎng)(2.4) 特性阻抗Zo 2.2輸入阻抗 (2.5) (2.6) Zin Z 二 U(z) I z 二 Zo ZL Zothyz Zo ZLthyz (2.7) 式中ZL =U2/l2，對(duì)于無(wú)耗傳輸線，有 =j =0，代入上式得 Z jZ tan : z 乙 z =Z L 0 10 0 Z0 jZLthy z (2.8) 即傳輸線上任意一點(diǎn)z的輸入阻抗與位置 當(dāng)線的長(zhǎng)度為I時(shí)，便得傳輸線的輸入阻抗為 Z| +jZotanB| 乙丨二Z L 0 in Z0 jZL tan ：l 因?yàn)樽杩古c導(dǎo)納互為倒數(shù)的關(guān)系，即輸入導(dǎo)納 1

18、 納YL ，等關(guān)系式代入（2.9 ）可得 ZL Y =Y +jY0tanPz in（z） Y）+jYLta n0z z和負(fù)載阻抗ZL有關(guān)。 （2.9） 1 1 Yn（z） ，特性導(dǎo)納YD ，負(fù)載導(dǎo) Zin（z） Z0 （2.10） 2 二 c光 word 專(zhuān)業(yè)整理 學(xué)習(xí)資料 整理分享 由于tan 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 /4的變換性 和 /2的重復(fù)性。word 專(zhuān)業(yè)整理 學(xué)習(xí)資料 整理分享 （1） /4變換性 傳輸線上相距/4兩點(diǎn)的輸入阻抗的乘積等于常數(shù)的這一特性，稱(chēng)為阻抗的 /4 的變換性，由 即乙n(z 4) Zin(z) 二常數(shù) 利用該特性可以進(jìn)行阻抗變換

19、，所以傳輸線具有阻抗變換的作用，可將容性阻抗 經(jīng) /4變成感性阻抗，或反之 （2） /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(chēng)為阻抗的重復(fù)性， 因?yàn)?所以乙n（Z： /2）二Zin（Z）。即傳輸線具有/2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 I.S1表示，即 其中各端口的反射系數(shù) Si （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) S3二S31二S24二S42的值也很?。ɡ硐胫禐榱悖?。表示隔離情況 S14 =S41二S23二S32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

20、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 C =20lg S4 (dB) ( 2.14) ZL - jZoCOt : z Z0jZ L cot - z Zo Z。jZLtan ：z Zo ZL jZo tan z ZJz) (2.11) Zin(Z * 2) 二 Z0 ZL jZ0tan z ： =z ZL jZtan Z0 jZLtan : z亠 0 Z jZL tan : z (2.12) SU S22 生3 S24 S32 $3 S34 S42 S43 S44 (2.13) word 專(zhuān)業(yè)整理 學(xué)習(xí)資料 整理分享 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

21、的單節(jié)定向耦合器工作頻帶較窄 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(lèi)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(chēng)為“正方向”），而在另一方向幾乎沒(méi)有（或極少）功率傳輸（稱(chēng)為“反方向”） 常見(jiàn)的波導(dǎo)定向耦合器有波導(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

22、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?？梢岳霉β仕p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)，畐寸波導(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 Co （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方向性的大?。?， 讀取精密衰減器的衰減量。然后正向連接定向耦合

23、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 差即為定向耦合理想定向耦合器的散射矩陣為 (2.15) 0 jjl_t2 1 j Ji t2 0 0 t t 0 (2.16) 若采用多孔或多分支線 D = 20lg word 專(zhuān)業(yè)整理 學(xué)習(xí)資料 整理分享 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

24、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。 率計(jì) 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，

25、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word 專(zhuān)業(yè)整理 學(xué)習(xí)資料 整理分享 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

26、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)。 中頻 輸出 信號(hào)輸入 本振輸入 匹配負(fù)載 圖3-1分支線耦合器的結(jié)構(gòu)圖 word 專(zhuān)業(yè)整理 學(xué)習(xí)資料 整理分享 1 1_1_ i_1 J 1 3.2 分支線耦合器的奇、偶模分析 圖3-2定向耦合器的電路圖 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。 - V H % 工 word 專(zhuān)業(yè)

27、整理 學(xué)習(xí)資料 整理分享 word 專(zhuān)業(yè)整理 學(xué)習(xí)資料 整理分享 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 其中Z1o和Z1e分別從端口 1看入的奇模和偶模阻抗。 由傳輸線阻抗方程有 乙。 Z。jZootgr Z Zoo - jZotgr (3.2) Zo jZoetgj Zoe jZotgr (3.3) 其中Zoo，Zoe分別為奇、偶模特性阻抗。 Zin 1 二 Uio U 1e 1o

28、 1e u 玉 u Z1e Z0 .乙o Z0 . Z1e U U Z0 Z1o Z0 Z1e (3.1) word 專(zhuān)業(yè)整理 學(xué)習(xí)資料 整理分享 可得到 Zo ZooZoe ( 3.4) 又從圖4-2得出， s =2U 呂 U ( 3.5) Z0 +( Zin % 將（3.2）（ 3.3 ）待入（3.1 ）可得Zin 1，并指考慮匹配情況，即令 Zin廠Z。，即 由網(wǎng)絡(luò)對(duì)稱(chēng)性知： U2e =U1e，U3e =U4e，U 2o 一 U 1o , Us。一 一卩4。，顯然 U 2e Z?e， U2e U Zo (3.6) Z2e 2e 、.ZooZoe jZ oetg Zoe j .ZooZoe

29、tg (3.7) 由（3.4）（3.7 ）代入（3.6）得: U2e JZooZoe + jZ oetg 日 丨 2、/。乙。j Zoo - Zoe tg = (3.8) word 專(zhuān)業(yè)整理 學(xué)習(xí)資料 整理分享 又由圖（3-2 ） （3-3）得: U 2 - U 2e _ U 2o (3.9) 將(3.7 ) (3.8 ) (3.9 )可得: Usinr( Zoe U . Zoo U2 = J - : 2cos v J sin v Zoo) Zoe) =0 Zoe Zoo Zoo Zoe (3.10) 又知 U 3 二 U3e 一 U30 (3.11 ) 顯然 (3.10 )式, 7 -7 o

30、e oo K 二 Z +Z oe oo U 4 二 U4e U4o U2 nr 當(dāng)-時(shí)，U2達(dá)最大值，此時(shí)記 (3.12 ) U2 max Zoe 1 Zoo 玉J Zoo (3.13) 將K代入（3.10） （3.12 ）式得: U2 =U jK sin 二 1 -K2 COST j sin (3.14) U4 (3.15) 在（3.13 ）中，令 Zoe 乙。 則 KL 1,則(3.14) (3.15 )式變成 U2 二 jUKe sin v - Uje sin 二 sin (3.16) U4 二U 1 -K2e = Uecos： (3.17) 式中二sinK。 女口令 U=1,且取 時(shí)，

31、貝U有 U2 二si n , U4=jcos , U3 二 U 3e-卩3。= 0 ,這 2 word 專(zhuān)業(yè)整理 學(xué)習(xí)資料 整理分享 時(shí) L = Ui , D:。 si not 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ADSL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。word 專(zhuān)業(yè)整理 學(xué)習(xí)資料 整理分享 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。 Jill 吿 “ Ki*- l曲卩宀 pip _i呂童凹亀口口:- s Un *hv Filn

32、ll1 -W=1.67 mm- -L=10：19mm-MTEE_ADS -Teel- .SuBst=MSublh .W_1=D.9S mm . 69 mm -MTEE_ADS -Tee2- .Subst*MSubV _ Wl = l .69 mm . W2=0.9e mm 1 - - MUN TL4 SubstMSubl- -w=0.9B mm -L=2.5 mm - MTEE_ADS Tee3 SUb5t=llMSJb1- W1=1.69rn 幣 .W2=0 98 imm . .W9=O.90 mm . MLIIJI TL5 SubstMSubl- W=1.69 imm L=10.1-9 m

33、m - Sdb5t=MSub1tf -0 9S mm .W2=1.69 mm . .W3-0.9S mm . MLIN TL6 SubstMSubl W=0,9B irirn L=2.5 mm - word 專(zhuān)業(yè)整理 學(xué)習(xí)資料 整理分享 圖4-5分支線耦合器原理圖 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“ TLi nes-Microstip ”元件面板列表中選擇一個(gè)微帶線參數(shù)設(shè)置控件 MSU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。 MSub MSUB MSubl H=O.5 mm Er=4.

34、2 Mur-1 Cond=4.1E+7 Hu= 15 mm T=O.OO5 mm TanD=0.0003 Rough=0.0001 mm 圖4-6 MSUB控件設(shè)置MUN . TL1 subst-MSubl W-Q .93 lYim L=2 5 mm MII:E ADS Tee SuCstMSubl* wi ：q 96 mm W2jl .67 mm 1 MLIN_ _ TL2 SLib5t=MSubT W=1.67 mm L=10；2 Yim :D.9MTI TSE2- Sit st-MSubl1. W.1-J.67 mm . 敲J w： rQ.gg mm MLIN TL3 SlibSl=MS

35、Ubi W=0.9B mtn L=2-.5 mm 0.98 mm TL7 . u&$t=-MSuDl- ” - - - - W=0.98 mm. - - - - MUN , MTEIE_ADS( MUN MTEEADS MLIN TL4 Tee3 TL5 Tee4 TLS sdbstaMSubiH Sdbst=-MSub1 SuDst=*MSjb1, Subst=MSuC1 SjbstMSubl W-0 93 mm1 W1=T.67- mm W 67 mm -W-1=a.9&mm W=0.9B mm L=a2.&mm .W2=O.9B mm L=10.2 mm .67

36、mm L=2.5 mm , , ! , , .W3=q.9B,mr(i . W3=0.9e,mrrl , B , , , , , E ；MLIN L.=lO.d6 rrirn MLIN TL0 - SuDSt=MSul3l W=0.98 mm. L-1D 46 imm word 專(zhuān)業(yè)整理 學(xué)習(xí)資料 整理分享 (2) 點(diǎn)擊【Tools】r【Li neCalc】【Start Lin ecalc】命令，彈出微帶線計(jì)算工 具菜單，在其中輸入與MSU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

37、器中微帶線的理論尺寸參數(shù)后，可以通過(guò)“ VAR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】t【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) 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 MLIN -MTI:E_ADS Tee 1- .Sub&t

38、=,BMSjUti1!, TL2 Sub5t=lvlSub1i, W=1.67m L=1Q 2inm MTt :E_ADS Tee2- - .Sut MSubl. Wt l.67 nrn W2d 1.67 mm W3 0.9ffmrii W2 ：D.9B mm W3： OJfi mrn M IN TLS sunst-MSubia- w?o.9S mm. _ L=10.6 mtn MUN Tem TL1 Terml Sub5f=-MSub1 Num=2 忙嚴(yán)IM葉 Z，50dhmL=25mm Tern TEim2 Num=3 - Z=5D Dhm TL3 WuC如 MSufcU W=0 98 m

39、m MLIN TL7 SubsfeMSubl w?o.9S mm. L-10.6 nwn word 專(zhuān)業(yè)整理 學(xué)習(xí)資料 整理分享 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 ”，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。Teem . _ Terms I MLIM( Niurn=i TL4 z-5D anm subst=pMSuhi W*0.9S mm- -Lj2.5mrri - Sub5t=fcMSub1i, W1=1.67-rhrfi .W2=D.9lBmm W3=D

40、.9B mm MLIN TL5 SubstkiEubV Wan .6? mm L=10.2-mm - W1=0 9 rnni W2=l.&7mm W3=Q.9 mm I - MLIN TL6 SLib5t=,:MEubiB W=O.90 mm L=2-.5 mm - MTEE ADS Tee3 MTEE_ADS Tee4 Tjerm TemM Nunn =4 z=&n Ohm word 專(zhuān)業(yè)整理 學(xué)習(xí)資料 整理分享 S-PARAMETERS S Param SP1 Start二3 2 GHz Stop=4.4 GHz - Step 二 20 MHz 圖4-8 S參數(shù)仿真控制器

41、圖4-9 Sn、氐參數(shù)曲線 從圖中可以看出，Sn參數(shù)曲線和S2參數(shù)曲線在3.65GHz處的值都在-38 dB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S31和S41參數(shù)曲線如圖4-10所示， 得到的S31、S41相位參數(shù)曲線如 圖4-11所示。 （3）單擊工具欄中的 線，如圖4-9所示。 【Simulate 命令執(zhí)行仿真，仿真結(jié)束后可得到S11和S12的參數(shù)曲 101 20 一 in / J r r r r r 1 * / 36 3日 40 42 44 U = =- -L Lcncnm mp p 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1

42、3.2 3. A 3.6 3.B 4.D 4.2 d. 加30 30 - - (二-衛(wèi)- 5 5 D D 5 5 D D 5 5 D D 22- -3232- -d d.4.4呂 =邁 0P word 專(zhuān)業(yè)整理 學(xué)習(xí)資料 整理分享 圖4-10 S31、S41參數(shù)曲線word 專(zhuān)業(yè)整理 學(xué)習(xí)資料 整理分享 圖4-11 S31、S41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3dB左右的衰減，可 以接受這個(gè)結(jié)果；由圖4-11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(lèi)型為Randon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。 160- 1?0 、 ao- ATI 1 1 I T