基于ADS—微带分支定向耦合器的设计.doc

目录一、 课题名称2二、 设计指标2三、 设计理论基础2四、设计步骤41设计微带分支定向耦合器的原理图42微带线分支定向耦合器的原理图仿真63微带分支定向耦合器版图的生成8五、设计小结.9六、参考文献：9前言：定向耦合器在微波波段有着广泛的应用，其主要用途有用来监视功率、频率和频谱，把功率进行分配和合成，构成平衡混频器和测量电桥，利用定向耦合器来测量反射功率系数和功率。本设计主要利用ADS2011软件设计微带分支定向耦合器的方法，及利用ADS设计、仿真微带分支定向耦合器，完成原理图和布局图。关键词：定向耦合器 微带分支 ADS 微波 耦合度 基于ADS微带分支定向耦合器的设计一、 课题名称：基于ADS微带分支定向耦合器的设计二、 设计指标：本报告微带分支定向耦合器的设计指标如下。l 中心频率选为2.4GHz。l 在2.3GHz2.5GHz范围内，的取值小于-36dB。l 在2.3GHz2.5GHz范围内，的取值大于-3.0dBl 在2.3GHz2.5GHz范围内，的取值小于-36dB。l 在2.3GHz2.5GHz范围内，的取值大于-3.0dBl 系统的特性阻抗选为50。l 微带线基板的厚度选为0.5mm，基板的相对介电常数选为4.2.三、 设计理论基础：在射频微波电路中，经常用到多端口网络，分支定向耦合器是最常用的多端口网络，它在电路中起到了十分重要的作用，它能够在固定的参考相位的条件下，分开和组合射频微博端口。（一）、定向耦合器的基本功能和参数指标定向耦合器是一个4端口网络，它有输入端口、直通端口、耦合端口和隔离端口，分别对应图中的1、2、3、4端口 12 4 3 定向耦合器 定向耦合器的主要技术指标有耦合度、隔离度、定向性、输入驻波比及工作带宽等，下面介绍上述各指标1、 耦合度耦合度C定义为输入端口的输入功率P1和耦合端口P3之比的分贝数，耦合度C表示为： 引入网络散射参量，耦合度又可以表示为：耦合度的分贝数越大耦合越弱，通常把耦合度为0dB10dB的定向耦合器称为强耦合定向耦合器，把耦合度为10dB20dB的定向耦合器称为中等耦合定向耦合器，把耦合度大于20dB的定向耦合器称为弱耦合定向耦合器。2、 隔离性隔离度I定义为输入端口的输入功率P1和隔离窗口的输出功率P4之比的分贝数，隔离度I表示为：理想状态下，隔离度为无穷大。3、 定向性D 在理想情况下，隔离端口应没有输出功率，但由于设计公式及制作精度的限制，使隔离端口有一些功率输出。通常采用耦合端口与隔离端口输出功率之比的分贝数来表示定向耦合器的定向性，定向性D表示为：隔离端口输出越小，定向性越好，在理想情况下，,定向性D无穷大，实际使用中常对定向性提出一个最小值。4、 输出驻波比定向耦合器除输入端口外，其余各端口均接上匹配负载时，输入端的驻波比为定向耦合器的驶入驻波比。输入驻波比为：5、 工作频带宽度满足定向耦合器技术指标的频率范围，为工作频带宽度，简称为工作带宽。（二）微带分支定向耦合器如下图所示输入口12直通口 隔离口4 3耦合口理想微带分支定向耦合器的散射参量为：由上式可以得出如下结论：l 因为,所以理想情况下在中心频率他的4个端口是完全匹配的。l 因为所以在端口1有输入而其他端口匹配时，端口2和端口3有等幅不同相输出，端口2输出比端口1输人信号滞后，端口3输出比端口1输入信号滞后。端口2输出和端口3输出相位相差，这是一个正交3dB耦合器。l 因为，所以在端口1有输入而其他端口匹配时，端口4无输出。l 分支线耦合器具有很好的对称性，4端口中任何一端口均可作为输入端口。因为有段，所以分支线耦合器不是宽带器件。四：设计步骤 以下步骤基于Agilent公司的ADS2011_05设计并仿真实现的。（一） 设计微带分支定向耦合器的原理图下面将创建一个微带分支定向耦合器的项目，并在这个项目中创建微带分支定向耦合器的原理图，完成微带分支定向耦合器的设计工作。1、 创建项目启动ADS2011创建微带分支定向耦合器项目，本课题所有的设计都将保存在此项目中。2、 创建原理图Schematic文件3、 利用ADS微带线的计算工具完成对微带线的计算（1） 在原理图Schematic文件上，选择【Tools】【LineCalc】【Start LineCalc】命令，在【LineCalc】计算窗口，在已知传输线的特性阻抗和相移的前提下，可以计算出微带线的宽度和长度。在【LineCalc】计算窗口选择如下。l Type选择为MLIN，意为计算微带线。l Er=4.2，表示微带线基板的相对介电常数为4.2。l Mur=1，表示微带线的相对磁导率为1。l H=0.5mm，表示微带基板的厚度为0.5mm。l Hu=1.0e+033mm，表示微带线的封装高度为1.0e+033mm。l T=0.005mm，表示微带线的导体层厚度为0.005mm。l Cond=4.1E+7，表示微带线的电导率为4.1E+7。l TanD=0.0003，表示微带线的损耗角正切为0.0003。l Rough=0mm，表示微带线的表面粗糙度为0mm。l Freq=2.4GHz，表示计算时采用频率2.4GHz。l Z0=50Ohm，表示计算时特性阻抗采用。l E_Eff=90deg, 表示计算时微带线的长度时，采用相移。上述设置完成后，单击【LineCalc】窗口中的【Synthesize】，显示出计算结果如下所示：l W=0.982mm，表示微带线的宽度为0.982mm。l L=17.458mm，表示微带线的长度为17.458mm。此时【LineCalc】窗口如下图所示：（2） 继续使用【LineCalc】计算窗口进行计算，计算频率为2.4GHZ、特性阻抗为、相移为时微带线的宽度和长度，微带线基板的参数保持不变，在【LineCalc】窗口计算得：l W=1.674mm，表示微带线的宽度为1.674mm。l L=17.034mm，表示微带线的长度为17.034mm。4设计原理图 在项目目录下Schematic原理图上，搭建原理图如下图所示。其中各元件参数设置如下：l 四个MLIN 微带线TL1、TL2、TL5、TL6均设置为宽度W=0.982mm，长度L=3mm。l 三个T形结MTEE1、MTEE2、MTEE3设置为宽度W1=0.982mm、W2=1.674mm和W3=0.982mml TL7、TL8微带线均设置为宽度W=0.982mm，长度L=17.458mm。l TL3、TL4微带线设置为宽度W=1.674mm，长度L=17.034mm。l T形结MTEE4设置为宽度W1=1.674mm、W2=0.982mm和W3=0.982mml MSUB设置为H=0.5mm、Er=4.2、Mur=1、Cond=4.1E+7、Hu=1.0e+033mm、T=0.005mm、TanD=0.0003、Rough=0mm按上述设置连接所得带有终端负载的微带分支定向耦合器原理图如下所示：(二) 微带线分支定向耦合器的原理图仿真（1）在仿真前，首先设置S参数仿真控件SP。设置参数如下：l 频率扫描类型选为线性Linear。l 频率扫描的起始值设为2.0GHz。l 频率扫描的终止值设为2.8GHz。l 频率扫描的步长设为0.01GHz。l 其余参数保持默认状态。（2）完成SP控件的参数设置后，就可以对原理图进行仿真了。单击工具栏中按钮，运行仿真。（3） 在数据显示窗口选择需要显示的的数据显示的数据显示的方式。l 在自动弹出的数据显示窗口中，用矩形图显示曲线上插入一个Marker，插入点为2.4GHz，在2.4GHz处的值为-23.930dB。l 在自动弹出的数据显示窗口中，用矩形图显示曲线上插入一个Marker，插入点为2.4GHz，在2.4GHz处的值为-3.116dB。l 在自动弹出的数据显示窗口中，用矩形图显示曲线上插入一个Marker，插入点为2.4GHz，在2.4GHz处的值为-24.113dB。l 在自动弹出的数据显示窗口中，用矩形图显示曲线上插入一个Marker，插入点为2.4GHz，在2.4GHz处的值为-3.139dB。、的曲线如下图所示，有图可以看出在中心频率处曲线满足技术指标。、和在中心频率处的数据在频带范围2.3GHz2.5GHz范围内，、曲线如下图：可见仿真结果满足技术指标。（三）微带分支定向耦合器版图的生成由微带分支定向耦合器的原理图，可以生成与之对应的微带分支定向耦合器版图，对比原理图可以发现版图中已经将原理图中的微带线元件模型转化为实际微带线。在微带线原理图中去掉4个端口的Term和“接地”。如下图:在微带线分支定向耦合器原理图上的【Layout】菜单【Generate/Update Layout】设置窗口，默认设置生成版图。所得版图如下：五：设计小结通过本次设计，基本掌握了单定向耦合器的设计思路，对单定向耦合器的原理有了更深的了解，对于各个参数的物理意义有了一个较为深刻的了解，也对微带线结构有了比较形象的认识。对于仿真软件ADS2011有了一定的熟悉，会一些基本的设计和仿真。同时对ADS2011中自带参考示例中逐一了解，认识到了ADS工具强大的设计功能和仿真功能，其中设计指南以范例和指令说明的形式示范电路的设计流程，ADS2011软件提供了包括GSM、WLAN、CDMA以及目前的3G通信中的WCDMA等设计指南，这些对于日后我们通信专业的其他学习起到了非常好的学习辅助功能。六：参考文献【1】 刘学观 郭辉萍等 微波技