基于ADS的混合环的设计.docx

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基于ADS的混合环的设计

六仿真结果分析……………………………………………..7

七设计总结…………………………………………………..7

电磁场与微波技术课程设计

一、课题名称：

环形耦合器的设计与仿真

二、设计原理：

混合环是微波波段常用的器件之一，它是一种耦合器，可以用来监视功率和频谱，把功率进行分配和合成，并可以构成平衡混频器和测量电桥等。

混合环是4端口网络，可以由微带线制成，混合环的结构如图1所示

整个环的周长为3/2λg，四个分支线并联在环上，将环分为4段，4段长度如图所示，λg为混合环波长。

图1

混合环有两个端口相互隔离，即从一个端口输入信号，另一个与之隔离的端口没有信号输出，与此同时另外两个端口平分输入功率，因此可以看作是一个3dB定向耦合器。

当端口1输入信号时：

到达端口2的两路信号等幅同相，端口2有输出，相位滞后90度；达到端口3的两路信号等幅反相，端口3无输出；达到端口4的两路信号等幅同相，端口4有输出，相位滞后90度。

其中端口2和端口4输出振幅相同。

因此，有

S₄₁=S₂₁=（-j），S₃₁=0

端口2输入信号时：

到达端口1的两路信号等幅同相，端口1有输出，相位滞后90度；到达端口3的两路信号等幅同相，端口3有输出，相位滞后70度；到达端口4的两路信号等幅反相，端口4无输出。

其中端口1和端口3输出振幅相同。

因此有

S₁₂=（-j）,S₃₂=j,S₄₂=0;

当端口3输入信号时：

到达端口1的两路信号等幅反相，端口1无输出；到达端口2的两路信号等幅同相，端口2有输出，相位滞后270度；到达端口4的两路信号等幅同相，端口4有输出，相位滞后90度。

其中端口2和端口4输出振幅相同。

因此，有

S₁₃=0,S₂₃=j,S₄₃=（-j）;

当端口4输入信号时，到达端口1的两路信号等幅同相，端口1有输出，相位滞后90度；到达端口2的两路信号等幅反相，端口2无输出；到达端口3的两路信号等幅同相，端口3有输出，相位滞后90度。

其中端口1和端口3输出振幅相同。

因此，有

S₁₄=（-j）,S₂₄=0,S₃₄=（-j）

在理想的情况下，它的四个端口完全匹配。

由上面的分析可以得到混合环的散射矩阵为

由混合环的散射矩阵可以知道混合环为3dB定向耦合器。

三、设计指标

工作频率：

35ghz介质基片厚度：

0.5mm

介电常数：

2.2tanθ：

0.008

铜导体厚度：

0.5：

mil

四、设计步骤

1.项目创建

*创建一个混合环项目我们所设计的原理图及仿真结果都将保存在这个项目中，将此工程命名为suhangads，操作如下图2，点击OK完成创建。

图2

*选择端口数量（混合环为四端口输出）如图3所示

图3

于是出现如下图4结果

图4

按finish结束

2.搭建混合环原理图

完成创建后将自动打开一个未命名原理图

（1）选择【File】中的【SaveDesign】将原理图命名为isuhangads35,并保存。

如图5

图5

（2）在原理图元件面板列表上选择【Tlines-Microstrip】中的微带线参数设置控件【Msub】，如图6

图6

和【PassiveCircuitDG-Microstripcircuits】中的混合环元件【RRCplr】如图7

图7

RRCPLR的参数如图8

图8

MSUB的参数如图9所示

图9

将他们插入原理图画图区参数设置如图10

注：

Msub中H表示微带线基板厚度；

Er表示基板相对介电常数；

Mur表示相对磁导率；

Cond表示相对电导率；

Hu表示封装高度；

T表示导体层厚度；

TanD表示损耗角正切；

Rough表示表面粗糙度；

RRCplr中Subst表示参数由Msub1决定；

F表示混合环中心频率；

Z0表示四个端口传输线特性阻抗；

Delta表示用于调谐的分支长度增加量

（3）利用设计向导生成混合环原理图

在画图区选中RRcoupler电路，并单击【DesignGuid】菜单中的【PassiveCircuit】,弹出对话框，在对话框中选择【MicrostripControlWindow】，单击OK，弹出【PassiveCircuitDesignGuid】,在窗口中选择【DesignAssistant】中的【Design】，系统将自动完成设计过程所得结果如下：

（4）在微带线元件面板上选择MLIN、Term和Ground，4次插入原理图画图区。

在此电路图中插入微带线参数控件MSUB，和S参数仿真元件并设置如图所示参数：

S参数扫描控件参数意思如下：

Start=25GHz，表示频率扫描的起始频率为25GHz。

Stop=40GHz，表示频率扫描的终止频率为40GHz。

Step=0.05GHz，表示频率扫描的频率间隔为0.05GHz。

3.计算微带线参数W和L并完成最终原理图

选中MLIN，鼠标移至【Tool】菜单中的【LineCalc】，单击目录中的【StartLineCalc】将MSUb中的参数及中心频率填入弹出框中并计算，所得结果如图所示

将所得W和L参数赋给原理图中的MLIN，将四个负载设为50欧姆就可以得到最终原理图了，最终原理图如下：

五、原理图仿真

单击原理图工具栏中的仿真【Simulate】图标，运行仿真，仿真过程中弹出仿真状态窗口，记录了频率扫描范围和仿真花费的时间等。

仿真结束后数据显示视窗自动弹出，单击数据显示方式面板中的矩形图标，插入数据显示区，给出S各参数仿真结果如下（下图）：

六、仿真结果分析

们在仿真中给出了S₂₁,S₁₁,S₃₁,S₄₁dB的矩形图以及S₂₁,S₄₁的相位矩形图具体数据如下：

S₁₁dB的矩形图：

f=5.750GHz时，S₁₁=-32.482；

f=6.250GHz时，S₁₁=-32.111

S₂₁dB的矩形图:

f=5.750GHz时，S₂₁=-3.177；

f=6.250GHz时，S₂₁=-3.103

S₃₁dB的矩形图:

f=5.750GHz时，S₃₁=-32.046；

f=6.250GHz时，S₃₁=-32.981

S₄₁dB的矩形图:

f=5.750GHz时，S₄₁=-3.010

f=6.250GHz时，S₄₁=-3.080

此次设计的原理图中若1口为输入端，则2口和4口为耦合端，3口为隔离端。

设计要求中心频率：

6GHz；通带：

500MHz；耦合度：

3dB。

从数据和图形可以看出此次设计中S₁₁、S₃₁的参数曲线在6GHz处的值都在-40dB以下，可见耦合器的端口反射系数和端口隔离度符合要求。

从S₂₁、S₄₁的参数和曲线中可见其在500MHz通带内耦合度符合3dB的设计要求。

S₂₁,S₄₁的相位曲线为线性的，同样符合设计要求。

七、设计总结

通过此次课程设计让我们学会自学并熟练运用ADS来实现仿真设计。

我学会了如何处理问题，学会随机应变。

同时加深了我们对环形耦合器的各项参数指标及其功能的了解，加深了我对于电磁场与微波技术这门课的兴趣。

在这过程中，我还学会了使用ADS软件，学会了仿真，学会分析实验结果。

虽然之前在设计电路原理图及各元件参数设定时出现了很多问题，但在老师及同学的帮助下，最终我们还是成功达到了设计要求。

这次设计还让我们加深了同学之间及师生之间团结协作的能力。

让我在这次课程设计中收获了很多。

参考文献：

《电磁场与微波技术》黄玉兰

浙江大学RF设计（前端系统）9[1].功分器与耦合器

《ADS射频电路设计基础与典型应用》黄玉兰