环形混合环.docx

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环形混合环

《微波/毫米波电路分析与设计》

课程设计

微带环形器的设计

学号：

姓名：

专业：

通信工程

学院：

电子工程与光电技术学院

指导老师：

李兆龙

时间：

2015年4月3日

一、引言

1.1ADS概述

1.2环行器概述

二、环行器相关原理

2.1环行器的S参数

2.2环行器的设计指标

三、环行器的设计与仿真

3.1创建项目

3.2利用ADS设计原理图

3.2.1搭建电路

3.2.2设置微带线参数控件

3.2.3参数的计算及设置

3.3原理图仿真

3.4版图仿真

3.4.1生成版图

3.4.2版图仿真

四、心得体会

五、参考文献

摘要

射频环行器作为一种重要的器件，广泛应用于通信以及雷达系统中的收发组件上。

上世纪中叶，微波技术中的一大突破是铁氧体的发现。

铁氧体乃是由金属氧化物构成的一类陶瓷性磁性材料，利用这种材料在直流磁场和微波场共同作用下呈现出的旋磁效应制成的微波铁氧体器件如环行器、隔离器等，在二次世界大战中解决了雷达设备的级间隔离、阻抗以及天线共用等一系列实际问题，极大地提高了雷达系统的战术性能，成为其中的关键件和致命件。

传统的环行器通常利用铁氧体材料的特性构成，因而需要外加磁场才能工作，而铁氧体器件的体积和重量通常都比较大，且不利于集成，给使用带来不便。

而微带环行器具有小型化、轻量化、性能高、可靠性好、易与微波系统集成、不需要外加磁场、易与MMIC技术兼容的特点。

本文的主要目的是使用ADS软件设计微带环形器，设计的环行器为四端口微带环行器。

重点是环形器的设计、仿真环行器的S参数、优化S参数使之满足要求。

该器件中心频率选择射频段的24.125GHz,带宽为6%。

在通带范围内，设计出满足S参数要求的环行器，再进一步通过仿真和修改来优化指标。

关键词：

微带环行器、ADS仿真、S参数、优化

一、引言

1.1ADS概述

ADS迅速成为工业设计领域EDA软件的佼佼者，因其强大的功能、丰富的模板支持和高效准确的仿真能力（尤其在射频微波领域），而得到了广大IC设计工作者的支持。

它支持系统和射频设计师开发所有类型的射频设计，从简单到最复杂，从射频∕微波模块到用于通信、航空航天、国防的MMIC。

ADS软件支持所有类型射频电路设计，包括时域电路设计、频域电路设计、电路布局图设计和通信系统设计，同时提供各种电流的时域仿真分析、频域仿真分析和电磁仿真分析，并可与其他EDA软件进行连接。

ADS的仿真功能十分强大，可以提供直流仿真、交流仿真、S参数仿真、谐波平衡仿真、增益压缩仿真、电路包络仿真、瞬态仿真、预算仿真和电磁仿真等，这些仿真可以进行线性和非线性仿真，电路和系统仿真，频域、时域和电磁仿真。

1.2环形器概述

环形器是一种使电磁波单向环形传输的器件，在近代雷达和微波多路通信系统中都要用单方向环行特性的器件，反方向是隔离的。

环形器的原理依然是磁场偏置铁氧体材料各向异性特性。

微波结构有微带式、波导式、带状线和同轴式，其中以微带三端环形器用的最多，用铁氧体材料作介质，上置导带结构，加恒定磁场，就具有环行特性。

如果改变偏置磁场的方向，环行方向就会改变。

环行器最基本的应用就是提供隔离度。

当被用做隔离器时，环行器的一个端口接上匹配负载，成为一个二端口器件。

所有的微波发射源都不可避免地受到负载阻抗变化而发生频率漂移，为了避免这样的问题我们可以在发射源和负载之间加一个衰减器，但是衰减器的损耗会比较大。

使用隔离器就是一个很好的选择。

它可以提供大20dB的隔离度，同时它的正向损耗小于0.5dB。

主要有发射机与负载级间隔离（去耦合）、功放间隔离、天线与发射机或接收机间隔离等。

当然在移动通信中环形器也扮演了一个重要的角色：

无线通信都要采用微波作为传输手段，因此微波铁氧体环行器都是不可或缺的基本器件。

环行器在移动通信中的应用是在基站系统中主要作收、发信机的天线共用装置（双工器或多工器），在发射和接收系统中作为功率放大器。

二、环行器相关原理

环行器是4端口网络，可以由微带线制成，环行器的结构如图2-1所示，环的全部长度为3

/2，4个分支并联在环上，将环分成4段，各段的长度如下图所示

2.1环行器的S参数

环行器具有两个端口相互隔离，另外两个端口平分输入功率的特性，因此可以看做是一个3dB的定向耦合器。

当环行器的1端口输入信号时，2、3、4端口的输出如下：

到达2端口的两路信号等幅同相，2端口有输出，相位滞后90。

到达3端口的两路信号等幅同相，3端口有输出，相位滞后90。

到达4端口的两路信号等幅反相，4端口无输出。

其中2端口和3端口输出振幅相同，因此有如下关系式：

S21=

（-j）S31=

（-j）S41=0

当环行器的2端口输入信号时，1，3，4端口的输出如下：

到达1端口的两路信号等幅同相，1端口有输出，相位滞后90。

到达4端口的两路信号等幅同相，4端口有输出，相位滞后270。

到达3端口的两路信号等幅反相，3端口无输出。

其中1端口和4端口输出振幅相同，因此有如下关系式：

S12=

（-j）S32=0S42=

（j）

当环行器的3端口输入信号时，1，2，4端口的输出如下：

到达1端口的两路信号等幅同相，1端口有输出，相位滞后90。

到达2端口的两路信号等幅反相，2端口无输出。

到达4端口的两路信号等幅同相，4端口有输出，相位滞后90.

其中1端口和4端口输出振幅相同，因此有如下关系式：

S13=

（-j）S23=0S43=

（-j）

当环行器的4端口输入信号时，1，2，4端口的输出如下：

到达1端口的两路信号等幅反相，1端口无输出。

到达2端口的两路信号等幅反相，2端口有输出，相位滞后270。

到达3端口的两路信号等幅同相，3端口有输出，相位滞后90。

其中2端口和3端口输出振幅相同，因此有如下关系式：

S14=0S24=

（j）S34=

（-j）

在理想情况下，中心频率上它的4端口是完全匹配的。

由上面的分析可以得到环行器的散射矩阵如下：

[S]=

由环行器的散射矩阵可以知道，理想环行器为3dB定向耦合器。

2.2环行器的设计指标

中心频率f0=24.125GHz；

②20dBreturnlossbandwidth>6%；

③20dBisolationbandwidth为>6%；

④Amplitudeimbalance<1dB，Insertionloss<1dB

微带线介质基片的厚度为20mil。

微带线使用的介质基片为RT6002。

各个端口传输线的特性阻抗采用50

。

三、环行器的设计与仿真

3.1.创建项目

创建一个环行器项目，具体步骤如下：

启动ADS软件。

选择主视窗【File】菜单>【NewProject】,弹出【NewProject】对话框，在【NewProject】对话框中输入项目名称和这个项目默认的长度单位,默认的长度单位为mill。

【NewProject】对话框如下图所示，单击【NewProject】对话框中的【OK】按钮，完成创建环行器项目，同时一个未命名的原理图（untitled1）自动打开，然后再将其另存为并取个名字。

3.2利用ADS设计原理图

3.2.1原理图搭建

在原理图的元件面板上，选择微带线【TLines-Microstrip】,元件面板上出现与微带线对应的元件图标，在微带线元件面板上选择MTEE,4次插入原理图的画图区，MTEE是微带线的T形结，可以将电路由一路分为两路,我们可以设置其宽度W1、W2、W3。

如下图示：

在微带线元件面板上，选择Mcurve元件三次插入原理图的画图区。

Mcurve如下图示：

Mcurve是一段弧形的微带线，可以设置这段微带线的宽度W、半径Radius和所张开的角度Angle。

用导线将4个MTEE和三个Mcurve连接起来，这构成环行器的半个环，如下图示：

在微带线元件面板上选择MLIN和Mcurve,放入原理图的画图区，MLIN使用2次，Mcurve使用3次。

用导线将2个MLIN和3个Mcurve连接起来，这构成环行器的另半个环，如下图示：

所以最后搭建的原理图如下：

3.2.2设置微带线参数控件

使用罗杰斯公司的RT/duriod6002作为微带线的介质材料，查阅到RT/duriod6002的参数如下：

并设置介质参数如下：

3.2.3参数的计算及设置

为了求得环形器各支路的尺寸，利用ADS中的LineCalc功能：

将所用介质的参数导入LineCalc中，并设置电参数：

特性阻抗Z0为50

，电长度为

d=90deg和结构参数：

中心频率f0为24.125GHz。

由上图可得：

与50

特性阻抗匹配的微带线的W=1.328120mm，L=1.973210mm，所以W3=W=1.328120mm;同样对于特性阻抗为

Z0，电长度

d=540。

的环形微带线W=0.732833mm,L=12.145400,所以Mcurve的Radius=0.6647mm,W=W1=W2=0.732833mm。

要注意各个器件之间宽度和长度的匹配，如上述的原理图中所示。

将通过ADS的LineCalc得到的各微带线的尺寸导入原理图中，并在四个端口处接入Term和Ground。

再插入S参数仿真元件S-PARAMETERS，设置扫描频率如下图：

最后的原理图如下示：

3.3原理图仿真

点击仿真按钮“

”，在弹出的窗口中绘制S（1,1），S（1,2），S（1,3），S（1,4）曲线,矩形图的横坐标为频率，矩形图的纵轴为S（1,1）、S（1,2）、S（1,3）、S（1,4），单位用dB表示。

结果如下图示：

从上图看出，仿真结果不是特别好，尤其是S（1,1）的中心频率与要求的24.125GHz相差较大，所以我考虑设当调整矩形微带线的W、L或者环形微带线的W、R。

但是经过手动的调整，我始终无法看到让我满意的曲线，所以我查阅资料，发现并使用了ADS中的GOAL和OPTIM,如下图示：

经由ADS强大的优化功能和不断的调整，我最终看到了比较满意的S参数曲线，结果如下示：

由以上四幅图可知：

中心频率f0=24.00GHz

20dBreturnlossbandwidth=

%=30.83%>6%

20dBisolationbandwidth=

%=30.83%>6%

Amplitude imbalance<1dB 

Insertion loss<1dB

同时绘制相位曲线如下：

由此可知：

端口2和端口3同相位，且在中心频率处大概有90度的相位滞后。

因此此次仿真参数均符合要求指标。

3.4版图仿真

3.4.1生成版图

在原理图视窗上，去掉4个端口的Term和Ground，不让其在生成的版图中出现，去掉的方法是单击原理图工具栏中的【DeactiveandShortorActiveComponent】按钮，然后单击4个端口的Term和Ground，若Term和Ground打了红叉，表示已经被关掉，如下图所示：

选择原理图上的【Layout】菜单中的【Generate/UpdateLayout】,弹出【Generate/UpdateLayout】设置窗口，单击窗口上的【OK】按钮，默认它的设置。

这时又会弹出【StatusofLayoutGeneration】版图生成状态窗口，单击【OK】按钮，完成版图的生成过程。

完成版图的生成过程后，版图视窗会自动打开，画图区会显示刚刚生成的版图，版图如下图所示：

后来经过老师指导，我知道了要手动在版图上画环形器，于是在版图上画出的结果如下：

选择版图工具栏上的端口Port,插入版图，端口Port的设置保持与原理图的标号一致。

下面设置微带线的基本参数。

为了使版图的仿真结果有效，必须使版图中微带线的基本参数与原理图中微带线的参数保持一致。

具体设置如下：

选择版图视窗中的【Momentum】菜单>【Substrate】>【UpdateFromSchematic】命令，从原理图视窗得到微带线的基本参数。

3.4.2版图仿真

选择版图视窗中的【Momentum】菜单>【Simulation】>【S-Parameter】命令，出现【SimulationControl】窗口。

在【SimulationControl】窗口设置如下：

扫描类型SweepType设置为Adaptive。

频率扫描起始值为18GHz。

频率扫描终止值为28GHz。

采样点为10个。

然后单击【Update】按钮，将上面设置填到频率计划表中。

单击仿真控制【SimulationControl】窗口中的Simulate按钮，开始仿真。

仿真结束后，生成的仿真曲线自动弹出。

可能是参数设置的比较恰当，第一次出来的S参数曲线就已经符合指标要求了。

S参数曲线如下示：

由以上四幅图以及图中显示的数据可知：

中心频率f0=24.13GHz

20dBreturnlossbandwidth=

%=26.56%>6%

20dBisolationbandwidth=

*100%=29.25%>6%

Amplitude imbalance<1dB 

Insertion loss<1dB

因此此次仿真参数均符合要求指标。

四、心得体会

当我第一次在李兆龙老师的课上看到这个Project的时候，我完全不知道这是个什么东西，连英文都看不懂。

我觉得这次肯定做不出来。

但是随着对课堂知识的了解以及李兆龙老师在课上对此次Project的讲解指导，我感觉似乎有了点头绪。

于是长达一个月的Project开始了。

此次Project和以往实验最大的不同是，这次Project的完成几乎完全要依靠自己的自学能力。

虽然以往也有接触过各式各样的新软件，但是以前老师都会进行详细的演示，而现在关于软件ADS老师只是简单的为我们演示了一下；而且关于微带混合环的知识我们只有通过自己翻书查阅才能知道。

因此完成一个这样的工程，无论是从软件上来说，还是从Project涉及到的知识内容来说，都是一项更为艰巨的挑战。

当老师把Project需要完成的内容和设计指标要求告诉我们的时候，我都不知道这些代表什么，因为对这些指标我一点概念都没有。

我大概花了一个礼拜的时间在网上看了看ADS软件的视频教程，去图书馆借了相关书籍，也按着书上的步骤仿了一个简单的微带线。

做完这些之后，我对完成这项工作增加了一些信心，同时也感到万事开头难啊！

好在在老师和同学的帮助下，我总算是磕磕绊绊地设计了一个微带混合环。

在最后一个礼拜，大家都开始非常积极地完善自己的Project，我也尝试优化自己的环形器，所以我试着调试了很久，最后得出了比较满意的结果。

我非常感谢李兆龙老师给我这个机会让我增强了对新事物的学习能力以及对ADS和环形器的了解。

作为一名工科学生，设计实践是必不可少的，因此我们要在今后的学习生活中不断提升自己的综合素质。

最后，由衷地感谢李兆龙老师的指导和同学的帮助。

五、参考文献

DavidM.Pozar《微波工程》电子工业出版社

冯新宇车向前穆秀春《ADS2009射频电路设计与仿真》电子工业出版社