微帶線定向分支線耦合器

設(shè)計(jì)仿真微帶線分支線定向耦合器一、設(shè)計(jì)要求：設(shè)計(jì)3dB微帶分支定向耦合器已知條件：微帶線介質(zhì)基片厚度h=0.5mm,￡r=4.2。指標(biāo)要求：1）通帶：50MHz2）耦合度：3dB3）中心頻率:1.8GHz4）輸入輸出阻抗：50。二、理論分析：2.1結(jié)構(gòu)分析在一些電橋電路及平衡混頻器等元件中，常用到分支線定向耦合器，微帶二分支定向耦合器如下圖所示，圖中的字母G、H和數(shù)字1是各線段特性導(dǎo)納的歸一化值（對(duì)50歐姆阻抗對(duì)應(yīng)的導(dǎo)納值歸一化），因各端口的導(dǎo)納值相同，所以又當(dāng)功率由（1）臂輸入時(shí)，（2）、（3）兩臂有輸出；理想情況下，（4）臂無功率輸出，故（4）臂是隔離臂，（2）、（3）兩臂的輸出可按一定的比例分配，若（2）、（3）兩臂的輸出功率相同，都等于輸入功率的一半，則成為3dB定向耦合器或3dB分支電橋。利用奇偶模分析法，將上述電路在中心線A-A1處切開，此時(shí)可將兩條線（1）-（2）及（3）-（4）從A-A1面分開來考慮，這樣將四端口網(wǎng)絡(luò)轉(zhuǎn)換為二端口網(wǎng)絡(luò)，上下是對(duì)稱的。所以利用各端口理想的匹配及（1）、（4）端口之間理想的隔離條件，得出下列公式：

C=201gC=201g=201gG2+1

GH其中C稱為定向耦合器的耦合度，u1、u2、u3分別為(1)口輸入電壓和(2)、口輸出電壓，可見(2)口和(3)口的輸出電壓相位差90度，對(duì)與3dB定向耦合器(C=3dB)代入上式得：11G=1,H=('2Z===5°。aYaY2.2主要技術(shù)指標(biāo)Zb=Y=bY=35.3Q含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。(1)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p1與端口2的輸出功率p2之比的分貝數(shù)為該定向耦合器的耦合度C，則(2)方向性系數(shù)D端口2的輸出功率p2與端口3的輸出功率p3之比的分貝為定向耦合器的方向性系數(shù)D，則(3)隔離度I端口1的輸入功率p1與端口2的輸出功率p3之比的分貝數(shù)為該定向耦合器的隔離度I，則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都匹配負(fù)載時(shí)，在輸入端口1測(cè)量到的駐波系數(shù)。頻帶寬度頻帶寬度是指當(dāng)耦合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。對(duì)于一個(gè)理想的定向耦合起器，p3=0，S31=0，I趨向于無窮大三、原理圖設(shè)計(jì)及仿真分析:3.1原理圖設(shè)計(jì)運(yùn)行ADS,會(huì)彈出ADS開始運(yùn)行的畫面，隨后會(huì)打開了ADS主窗口選擇【FILE】一【NewProject］命令，輸入工程名BLCoupler_prj。單擊ok，在工具欄點(diǎn)擊【save】命令后新的工程建立完成。創(chuàng)建原理圖BLCoupler1,并利用ADS微帶線的計(jì)算工具完成對(duì)微帶線的計(jì)算。原理圖BLCoupler1上，選擇【tools】—【LineCalc】—【StartLineCalc】就彈出如下計(jì)算窗口。微帶基板參數(shù)設(shè)置H=0.5mm微帶基片厚度Er=4.2基片相對(duì)介電常數(shù)Mur=1相對(duì)磁導(dǎo)率為1Cond=4.1e+7微帶金屬片導(dǎo)電率Hu=15mm微帶電路封裝高度T=0.03mm微帶金屬厚度TanD=0.0003損耗角正切Rough=0mm微帶線表面不平整度在原理圖的元件面板列表上添加微帶線MLIN、MTEE、負(fù)載終端Term，按如下原理圖設(shè)置各個(gè)元件的參數(shù)。Term..Term1,Num=1.Z二50OhmMLIN....TL1Subst="MSub'1"W二0.982836mmL=2.5mmMTtE_ADS??Term..Term1,Num=1.Z二50OhmMLIN....TL1Subst="MSub'1"W二0.982836mmL=2.5mmMTtE_ADS??Tee.?TermTerm4Num=4Z=50OhmMLIN..??TL2Subst="MSub.1".W二0.982836mmL=2.5mm.Sub|st二”MSubT!W1W2W3.MLINTL3Subst="MSub1"W=1.674470mm?L=22.726mm0.982836mm.1.674470mm0.982836mm'MLIN'MTLE_ADS?Tee：!.Subst="MSub1uW1W2W3MLIN....TL5Subst="MSub1"W二0.982836mmL=2.5mmTerm-.Term2Num=2.Z二50Ohm1.674470mm0.982836mm0.982836mmMLINSubst=MMSubV..................Subst-'MSubl"W.二0982836m.mW=0.982836mmL=232877mmL=232877mmMTEE_ADS??Tg?3.Subst=HMSub1?.W1=1.674470mmW2=0.982836mm'W3二0.982836mnT?MLIN'?.?jI‘4--**.Subst="MSubT.'W=1.674470mm'L=22.726mmd~—h—MTEE_ADS-MUN?Tgg4TL6,,,,.Subst二"MSubT：..Subst=HMSub1nW1=0.982836mmW二0.982836mmW2=1.674470mmL=25mm,W3=0.982836mmTermTerm3Num=3-Z=50Ohm3.2原理圖仿真(1)對(duì)s參數(shù)仿真控件SP進(jìn)行設(shè)置，設(shè)置如下:S-PARAMETERSIS_ParamSP1■m按鈕，進(jìn)行仿真，初步得帶如下波形，⑶點(diǎn)擊原理圖工具欄上的了Stop=2.1GHzStep=0.01GHz3按鈕，進(jìn)行仿真，初步得帶如下波形，S11參數(shù)值曲線S21參數(shù)值曲線說明該設(shè)計(jì)的分支線耦合器的端口反射系數(shù)和端口間隔離度達(dá)到了預(yù)計(jì)效果，擔(dān)是還不怎么足夠。1端口到3端口以及1端口到2端口的都有3dB左右的衰減，可以接受這個(gè)結(jié)果;四、原理圖優(yōu)化、版圖生成及仿真4.1原理圖優(yōu)化(1)將微帶線(TL3、TL4)、(TL7、TL8)中L分別設(shè)置成變量L1，12，加入變量【VAR】控件進(jìn)行設(shè)置L1為22.0331(18.—26.7)L2為22.8295(19.—27.2)具體如下：S11參數(shù)值曲線S21參數(shù)值曲線WR\AR1WR\AR1■(2)在原理圖上添加優(yōu)化控件optim目標(biāo)控件Goal，具體設(shè)置如下:..L2=22.8295o^t[-19-2to27.2}GOAL].GOALGOAL.]GOALOPTIMGoalGOAL].GOALGOAL.]GOALOPTIMGoalOptimGoal1ExpT="dB(S(1；1))"SimlnstanceName二"SP1Min=Max二-20Weight二RarigeVar[1]=,,freq"RangeMin[1]=1.7GHzRangeMax[1]^1.9GHz.GoalOptimGoal2Expr=”dB(S(2,1))“SimlnstanceName="SPr'.Min=-3.0.Max二Weight二'RangeVar[1]="freqnRangeMin[1]=1.7GHz.RangeMax[1]=1.9GH乙.GoalOptimGoal3Expr=HdB(S(3；1))nSiminstanceName='-SP1MK-3.0Max二Weight二RangeVar[1]二”freq”''RangeMin[1]=17GHzRangeMax[1]-1.9GHz.GoalIOptimG6al4Expr=,,dB(S(4I1))"SimlnstanceName="SPr'Min=Max二-20Weight二RangeVar[1]=HfreqnRangeMin[1]=1.7GHzRangeMax[1]=1.9GH乙OptimOptim1Optimlype=RanciomMaxlters=100DesiredError=0.0..StatusLevel=4FinalAnalysis-'None"NormalizeGoals=noSetBest*lues二yesSeed二SaveSolns=yes..SaveGoals=yesSaveOptimVars=noUpdateDataset二yesSaveNominal-no-■SaveAlliteralions=noUseAIIOpt詞「s二yes.UseAltGoals-yesSaveCurrentEF=no(3)再點(diǎn)擊原理圖工具欄上的璃按鈕，進(jìn)行優(yōu)化后的仿真。優(yōu)化后S21參數(shù)值曲線優(yōu)化后S21參數(shù)值曲線m3freq=1.800GHzdB(S(3,1))=-3.088optlter=79-1O'—1-20—m3freq=1.800GHzdB(S(3,1))=-3.088optlter=79-1O'—1-20—-30—-40—m4freq=1800GHzdB(S(4,1))=-48.805optlter=79freq.GHz優(yōu)化后S41參數(shù)值曲線從優(yōu)化的結(jié)果看，S11參數(shù)曲線和S41參數(shù)曲線在1.8GHZ處的值都在-35dB(隔離度)以下，1端口到3端口以及從1端口到2端口都有3dB左右的衰減，比優(yōu)化前的參數(shù)更精確了，完全符合要求，達(dá)到預(yù)計(jì)效果。4.2版圖生成及仿真在微帶分支定向耦合器原理圖視窗上，去掉4個(gè)端口Term、接地及優(yōu)化控件optim，不讓它們生成在版圖中。選擇原理圖上的【Layout】一【Generate/UpdateLayout】彈出設(shè)置窗口，默認(rèn)它的設(shè)置，點(diǎn)擊【OK】后即能生成版圖窗口。（3）在版圖視窗中對(duì)版圖進(jìn)行仿真可得波形版圖S11參數(shù)值曲線版圖S11參數(shù)值曲線五、心得體會(huì)為期一個(gè)學(xué)期的ADS設(shè)計(jì)已經(jīng)結(jié)束，我們這次設(shè)計(jì)是建立在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)四端口的網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)轉(zhuǎn)化為二端口網(wǎng)絡(luò)的設(shè)計(jì)。設(shè)計(jì)過程中得到如下體會(huì)：（1）要對(duì)自己設(shè)計(jì)的系統(tǒng)或者電路的性能有一定的把握，不然我們無法理解仿真出來曲線體現(xiàn)出來的特性。（2）要對(duì)仿真器有比較明了的認(rèn)識(shí)，只有對(duì)仿真器的功能及仿真原理有認(rèn)