基于ADS的分支耦合器的設(shè)計(jì)與仿真(共8頁(yè))

1、精選優(yōu)質(zhì)文檔-傾情為你奉上 基于ADS的分支耦合器的設(shè)計(jì)與仿真（重慶大學(xué) 通信工程學(xué)院電子與通信工程 ，重慶） 摘要：隨著微波技術(shù)的發(fā)展和研究的深度逐漸深入，微波集成電路的更高頻率化、小型化和固體化是發(fā)展的一個(gè)必然趨勢(shì)，這種方法也是可取的。本文將結(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。關(guān)鍵字：分支耦合器，S參數(shù)，ADS中圖分類號(hào)：TN622 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：ADesign and Simulation of branch coupler based on ADS Qiao Zishi( Communication Engineering Co

2、llege of Chongqing university,Electronics and communication engineering,Chongqing ,P.R.China)Abstract:With the development of microwave technology and the depth of the research gradually thorough, the microwave integrated circuits of higher frequency, miniaturization and solid is an inevitable trend

3、 of development, this method is desirable.This article will combine microwave theory knowledge and the advanced simulation software technology, to realize the micro strip directional coupler coupling and directional performance improvement and improve.Keywords: branch coupler,S parameters,ADS專心-專注-專

4、業(yè)1 前言 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，微波波段的電磁波能穿透電離層,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

5、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)，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

6、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。 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

7、軟件。（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

8、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)。2 定向耦合概念及分類 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)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

9、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。 定向耦合器的種類繁多，其結(jié)構(gòu)形式多種多樣，但本文只對(duì)以下三種進(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)之間的寬壁上開一個(gè)小孔，這種耦合器稱為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。 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

10、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。3 微帶分支電路的分析與設(shè)計(jì)（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，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

11、3.1 分支線耦合器的結(jié)構(gòu)圖（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。 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

12、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3.2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

13、.14） （3.15）在（3.13）中，令，則,則（3.14）（3.15）式變成 （3.16） （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 ADS設(shè)計(jì)與仿真4.1原理圖的設(shè)計(jì) 建立工程后，ADS會(huì)自動(dòng)彈出原理圖設(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MIL和MTEE插入到原理圖中，調(diào)整它們的放置方式，組成如圖4.1所示的分支線耦合器原理圖

14、。圖4.1分支線耦合器原理圖4.2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：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4.2所示。圖4.2 MSUB控件設(shè)置點(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)，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。4.3參數(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)

15、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4-3所示。圖4.3 S參數(shù)仿真原理圖（2）在原理圖上放置如圖4.4所示的S參數(shù)仿真控制器“Simulation-S_Param”，并將其開始頻率、終止頻率和頻率間隔分別設(shè)為3.2GHz、4.4GHz、0.02GHz。圖4.4 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4-5所示。圖4.5 、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)

16、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4.6所示，得到的、相位參數(shù)曲線如圖4.7所示。 圖4.6、參數(shù)曲線圖4.7、相位曲線 由圖4.6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4.7可以看出，相位曲線是線性的，符合要求。5 總結(jié) 本文在熟悉微波基本理論的基礎(chǔ)上，用分解的設(shè)計(jì)方法進(jìn)行設(shè)計(jì)的，將一個(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,隨著微波技術(shù)的發(fā)展和研究的深度逐漸深入，微波集成電路的更高頻率化、小型化和固體化是發(fā)展的一個(gè)必然

17、趨勢(shì)，這種方法也是可取的，也有待我們更進(jìn)一步去研究。本文只在理論上進(jìn)行可行性的分析，在ADS上進(jìn)行原理圖的繪制和仿真，得出結(jié)果。但在設(shè)計(jì)過(guò)程中學(xué)到了很多的東西，認(rèn)識(shí)到了ADS在系統(tǒng)和射頻仿真中的無(wú)比優(yōu)越性，以及其強(qiáng)大的數(shù)據(jù)后處理功能和清晰優(yōu)美的顯示界面。在仿真過(guò)程中，我主要有下面幾點(diǎn)啟發(fā)和在以后的設(shè)計(jì)過(guò)程中需要注意的地方：第一，要對(duì)自己設(shè)計(jì)的系統(tǒng)或電路的性能有一定的把握，要不然不能理解仿真出來(lái)的曲線體現(xiàn)了哪些特性，在仿真中必須帶著問(wèn)題去仿真。第二，要對(duì)仿真器有一個(gè)比較明了的認(rèn)識(shí)。只有對(duì)各個(gè)仿真器的功能及仿真原理有了認(rèn)識(shí)，才可以應(yīng)用自如，很快搭出仿真電路，得到自己想要的特性曲線。 第三，在仿真的

18、過(guò)程中，如果對(duì)各個(gè)模型或者仿真不理解，都可以看help，學(xué)習(xí)ADS，一定要看里面自帶的例子，從里面學(xué)習(xí)如何設(shè)置仿真，如何充分利用ADS的強(qiáng)大功能，里面的例子往往是經(jīng)過(guò)精心設(shè)計(jì)的，在里面可以學(xué)到扎實(shí)的仿真基礎(chǔ)知識(shí)。參考文獻(xiàn)：1清華大學(xué)“微帶電路”編寫組.微帶電路M.北京 ：人民郵電出版社，1976.2 王新穩(wěn)，李萍.微波技術(shù)與天線M. 北京：電子工業(yè)出版社，2006.3 Cheng K K M，Wong F L A novel approach to the designand implementation of dual-band compact planar 90 °branch-line coupler J IEEE Transactions on Microwave Theory and Techniques，2004，52( 11) : 2458-24634 Zhang H L，Chen K J A stub tapped branch-line coupler for dual-band operations J IEEE