实验三定向耦合器.doc

南京邮电大学实验报告 实验名称：_传输线参数（特征阻抗）的分析与综合 威尔金森功分器设计_ 定向耦合器（90/180均可） _ 无源滤波器设计 _ 课程名称: 微波技术EDA 姓 名：_赵玉蓉_ 学 号：_B10020504_ 小组成员：韩倩（B10020404） 丁耀慧（B10020501）开课时间 2012 /2013 学年， 第 2 学期实验三 定向耦合器一：实验名称：定向耦合器（90/180均可）二：实验目的1. 了解微波EDA软件的类型和用途；2. 掌握ADS软件并进行定向耦合器的建模，仿真，优化和调试等任务；3. 了解微波电路仿真软件IE3d的应用范围和使用方法；4. 分析ADS中有耗传输线和无耗传输线仿真的异同；5. 分析ADS Momentum和IE3d 建模结果的异同。三：实验原理在射频微波电路中，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）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。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：实验任务 利用ADS设计一个90正交 3dB耦合器，这个微带分支定向耦合器的设计技术指标如下：1. 中心频率选为2.4GHz ；2. 在2.3GHz到2.5GHz的范围内，S11的取值小于-20dB；3. 在2.3GHz到2.5GHz的范围内，S21的取值大于-3.2dB；4. 在2.3GHz到2.5GHz的范围内，S31的取值大于-3.2dB；5. 在2.3GHz到2.5GHz的范围内，S41的取值小于-20dB；6. 系统特性阻抗选为50；7. 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。五：实验内容1、 基于理想传输线模型的原始模型的设计、仿真；2、 微带分支定向耦合器原理图的设计、仿真和优化；3、 微带分支定向耦合器版图的仿真。六、实验过程描述及分析对比1、 基于理想传输线模型的原始模型。如下图： 图1 基于理想传输的模型S11、S21、S31、S41的仿真图如下： 图2 理想传输线模型S参数仿真2、 基于有耗传输线模型的微带线模型。利用ADS微带线的计算工具完成对微带线的计算，在【LineCale】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【LineCale】计算窗口的Synthesize按钮，在【LineCale】窗口中显示出计算结果如下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。用同样的方法计算频率为2.4GHz、特性阻抗为35.355、相移为90时微带线的宽度和长度，微带线基板的参数保持不变，在【LineCale】窗口中显示计算结果如下。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。设计原理图。经过计算，原理图如下所示： 图3 微带线模型其中MSUB控件的Rough=0mm，表示微带线表面粗糙度为0mm。基于原理图的矩量法仿真仿真结果如下图所示： 图4 微带线模型S参数仿真由图可知，S11、S21、S31、S41在中心频率处曲线满足技术指标。 图5 微带线模型S参数仿真 但是由上图可知，S11在2.5GHz处的值为-16.847dB，S21在2.3GHz处的频率为-3.098dB，均不满足技术指标。需要重新调整原理图，然后重新仿真，直到满足技术指标为止。即需要优化。微带分支定向耦合器的优化 将微带线段TL3、TL4的长度设为L1mm、TL7、TL8的长度设为L2mm，插入控件【VAR】，将L1、L2设置为变量。其中L1的范围为15to19，L2的范围为15.5to19.5。插入4个目标控件Goal，对其进行设置，使其依次的期望值为用dB表示的S11、S21、S31、S41。插入优化控件Optim，设置器优化方式为Random，优化次数为50次。 现在对原理图进行仿真，单击【Simulate】图标，运行仿真，仿真过程中弹出了仿真状态窗口，记录了频率扫描范围、变量取值和仿真花费的时间等。仿真结束后，选择【Simulate】菜单的【Update Optimization Values】命令，将优化后的结果保存在原理图中。仿真状态窗口如下图： 图6 状态窗口参数从图中可以得出，优化后的微带线值如下：L1=16.28mm，L2=17.14mm。优化花费的时间为1.84秒。单击原理图工具栏中的【Tuning】按钮，可以调整变量的值，如图所示： 图7 Tuning键调整窗口S11、S21、S31、S41的曲线如下图： 图8 优化后的S参数曲线 图9 S参数曲线由图可以看出，S11、S21、S31、S41的值满足设计指标，优化完成。3.基于版图(Layout)的矩量法仿真将上述的原理图做如下调整，如图所示： 图10 原理图选择【Layout】菜单的【Generate/Update Layout】,完成版图的生成过程。版图中的实际微带线模型如下图所示： 图11 版图 选择版图视窗中的【Momentum】菜单中的【Simulate】下的【S-Paramate】命令，进行相关设置。单击仿真控制【Simulate Control】窗口中的Simulate按钮，开始仿真，此次仿真花费时间较长。S11、S21、S31、S41的曲线如下图： 图12 版图S参数仿真曲线 图13 S参数仿真曲线由图可以看出，S11、S21、S31、S41的值满足设计指标。4. 结果对比整体来说，理想传输线的S参数仿真曲线更为完美，但实际应该以矩量法的仿真结果为准。理想传输线模型下S11的值在2.4GHz频率下取得最小值，矩量法也是在中心频率下得到最小值。S21参数在理想传输线下的情况的值是-3dB，而在微带线模型下，S21的值接近于-3dB，这与我们的设计思路相符合。S31的值在理想传输线模型