混合环设计分析解析.docx

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混合环设计分析解析

微波/毫米波电路分析与设计课程设计

——Rat-raceRingDesign

姓名：

吴星寒

学号：

912104220246

专业：

通信工程

指导老师：

李兆龙

Rat-raceRing

DrawnbyPhotoshop

Microstrip180°hybridcoupler（rat-racering）isanimportantRF/microwavecomponentin4G/5GandWPANwirelesscommunicationindustry.

Task&Requirements:

Designsuchacomponentworkingat24.125GHz,usingsubstrateRT/duroid6002,20milthickness.

Requirements:

♦20dBreturnlossbandwidth>6%

♦20dBisolationbandwidth>6%

♦Amplitudeimbalance<1dB

♦InsertionLoss<1dB

实验设计原理：

Rate-racering即微带环形耦合器或者混合环，是四端口网络，可以由微带线制成。

整个环的周长为1.5λ，四个分支线并联在环上，将环分为4段。

混合环有两个端口相互隔离，另外两个端口平分输入功率的特性，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°；达到端口4的两路信号等幅反相，端口4无输出；达到端口3的两路信号等幅同相，端口3有输出，相位滞后90°。

其中端口2和端口3输出振幅相同。

得到如下关系式：

S31=S21=1/√2（-j）

S41=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°；到达端口4的两路信号等幅同相，端口4有输出，相位滞后70°；到达端口3的两路信号等幅反相，端口3无输出。

其中端口1和端口4输出振幅相同。

得到如下关系式：

S12=1/√2（-j）

S42=1/√2j

S32=0

当端口4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°；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°。

其中端口2和端口3输出振幅相同。

得到如下关系式：

S14=0

S24=1/√2j

S34=1/√2（-j）

当端口3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°；到达端口2的两路信号等幅反相，端口2无输出；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°。

其中端口1和端口4输出振幅相同。

得到如下关系式：

S13=1/√2（-j）

S23=0

S43=1/√2（-j）

实验设计步骤：

1、创建Project 

创建一个混合环prj，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ratracering，长度单位设为mil。

创建完成及之后的路径如下：

2、搭建混合环原理图

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和PassiveCircuitDG-MicrostripCircuits中的混合环元件RRCplr，将他们插入原理图，画图区参数设置如下：

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 

选中RRcoupler电路，选择DesignGuid菜单中的Passive Circuit，弹出对话框，选中对话框中的Microstrip Control Window，弹出Passive Circuit DesignGuid，选择Design Assistant中的Design，系统将自动完成设计过程所得结果如下：

4、选择MLIN、Term和Ground ，4次插入原理图画图区。

将4个Port部分删除，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=20.125 GHz，表示频率扫描的起始频率；

Stop=28.125GHz，表示频率扫描的终止频率； 

Step=0.05 GHz，表示频率扫描的频率间隔。

5、计算微带线参数W和L并完成最终原理图 

选中MLIN，选择Tool中的LineCalc，选择Start LineCalc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=40.715748mil和L=207.199606参数赋给原理图中的MLIN，但仿真出的中心频率偏离要求的24.124较远，经反复调试参数，得到最终原理图：

因结构对称，给出部分参数图：

其中W=66.5mil，L=238mil。

原理图仿真：

选择原理图工具栏中的仿真Simulate，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，如图：

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）：

仿真结果分析：

混合环自身有3dB衰减，所以用-23dB衡量通频带。

其中，B=6%×fwork=1.4475GHz。

1、S11通频带为25.23-21.88=3.35GHz>1.4475GHz，符合回波损耗带宽大于6%；

2、S41通频带位26.77-22.02=4.75GHz>1.4475GHz，符合隔离带宽大于6%；

3、S21和S31在通频带的峰峰值之差为3.102-3.081=0.021dB<1dB，符合幅度不均衡度小于1dB；

4、S21在通频带内均小于4dB，符合插入损耗小于1dB。

实验设计问题与心得体会：

关于ADS：

因为老师上课说Win8系统不能完全破解，导致我一直很担心。

但我在安装ADS2009时候，一直很顺利，最后破解也只是按照提示替换了两个文件就成功了。

由于之前的课程设计都没有用过这款软件，所以是第一次使用ADS，但由于使用过Matlab和QuartusII，上手还算快，就是找不到器件。

不过像老师所说，这款软件每年有一个不能用此软件设计的悬赏从未有人获得，在实验过程中也体会到了软件的功能强大。

由于计算机计算出的理论的微带线的电长度和宽带仿真出来与要求的相差较大，所以一次次改变了W和L的值，最终得到了比较贴合设计要求的结果，但还是不能深刻得理解各参数对实验的影响，还有联动的计算，因为这些参数实际是由设计者给出的先前参数得到的，都让我感到复杂和难以琢磨，并深感自身不足。

参考文献：

MicrowaveEngineeringD.Pozar