畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）基于ADS的定向耦合器的設(shè)計(jì)

1、 本科畢業(yè)論文（設(shè)計(jì)、創(chuàng)作） 題目： 基于ads的定向耦合器的設(shè)計(jì) 學(xué)生姓名： 學(xué)號(hào)： 110102044 所在系院：電子電氣工程學(xué)院 專業(yè)： 電子科學(xué)與技術(shù) 入學(xué)時(shí)間： 2011 年 9 月導(dǎo)師姓名： 職稱/學(xué)位： 講師/學(xué)士 導(dǎo)師所在單位： 安徽三聯(lián)學(xué)院 完成時(shí)間： 2015 年 6 月 安徽三聯(lián)學(xué)院教務(wù)處 制 基于ads的定向耦合器的設(shè)計(jì)摘要：在20世紀(jì)50年代初，幾乎所有的微波設(shè)備都采用金屬波導(dǎo)和同軸線電路，那個(gè)時(shí)候的定向耦合器也多為波導(dǎo)小孔耦合定向耦合器，其理論依據(jù)是bethe小孔耦合理論。定向耦合器是微波系統(tǒng)中應(yīng)用廣泛的一種微波器件，它的本質(zhì)是將微波信號(hào)按一定的比例進(jìn)行功率分配。定

2、向耦合器由傳輸線構(gòu)成，同軸線、矩形波導(dǎo)、圓波導(dǎo)、帶狀線和微帶線都可構(gòu)成定向耦合器，所以從結(jié)構(gòu)來(lái)看定向耦合器種類繁多，差異很大。定向耦合器在微波波段有著廣泛的應(yīng)用，其主要用途有用來(lái)監(jiān)視功率、頻率和頻譜，把功率進(jìn)行分配和合成，構(gòu)成平衡混頻器和測(cè)量電橋，利用定向耦合器來(lái)測(cè)量反射功率系數(shù)和功率。本設(shè)計(jì)主要利用ads2011軟件設(shè)計(jì)微帶分支定向耦合器的方法，及利用ads設(shè)計(jì)、仿真微帶分支定向耦合器，完成原理圖和布局圖。關(guān)鍵詞：定向耦合器;微帶分支;ads;微波design of directional coupler based on adsabstract: in twentieth century

3、the beginning of the 50s, the microwave equipment is used by almost all metal waveguide and coaxial line directional coupler circuit, at that time also many for the waveguide aperture coupling directional coupler, its theoretical basis is the bethe aperture coupling theory. directional coupler is a

4、kind of microwave devices are widely used in microwave system, it is the essence of the microwave signal power distribution according to a certain proportion of the directional coupler. directional coupler is composed of transmission lines, coaxial line, rectangular waveguide, circular waveguide, st

5、ripline and microstrip line directional coupler can be formed, so the structure of directional coupler variety, difference is very big. directional couplers are widely applied in microwave band, its main purpose is to monitor the power, frequency and spectrum, the power distribution and synthesis, a

6、 balanced mixer and a bridge, to measure the power reflection coefficient and power by using a directional coupler. this design is mainly using the method of software design of ads2011 microstrip branch directional coupler, and the use of ads design, simulation of microstrip branch directional coupl

7、er, completes the schematic and layout.keywords: directional coupler; microstrip branch; ads; microwave目錄第一章 緒論11.1 微波技術(shù)產(chǎn)生的背景及發(fā)展趨勢(shì)11.2 ads簡(jiǎn)介21.2.1 ads的特點(diǎn)21.2.2 ads的設(shè)計(jì)方法21.3 定向耦合概念及分類31.3.1概念31.3.2分類41.3.3 主要技術(shù)指標(biāo)6第二章 工作原理82.1 傳輸線理論82.2 輸入阻抗92.3 特性及測(cè)量10 2.3.1網(wǎng)絡(luò)特性102.3.2測(cè)量方法（定向耦合器的特性參量）112.4 定向耦合器的用途11

8、第三章 微帶分支電路的分析與設(shè)計(jì)133.1 分支線耦合器133.2 分支線耦合器的奇、偶模分析13第四章 設(shè)計(jì)過(guò)程174.1 建立工程174.2 原理圖的設(shè)計(jì)184.3微帶線參數(shù)的設(shè)置194.4 var控件的設(shè)置204.5 s參數(shù)仿真設(shè)計(jì)204.6 參數(shù)的優(yōu)化224.7分支線耦合器版圖的生成23第五章 總結(jié)與展望25致謝26參考文獻(xiàn)27第一章 緒論1.1 微波技術(shù)產(chǎn)生的背景及發(fā)展趨勢(shì) 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，發(fā)展至今已經(jīng)有比較久的歷史了，無(wú)論在理論上還是在實(shí)踐上，微波科學(xué)技術(shù)逐漸成熟，并擁有很多的從業(yè)人員。微波波段的電磁波

9、能穿透電離層,因而衛(wèi)星通信與衛(wèi)星電視廣播、宇宙通信及射電天文學(xué)的研究等均需利用微波來(lái)實(shí)現(xiàn)，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),但一般使用陶瓷基板, 電路制作要求較高,加工工藝和成本限

10、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),目前已引起人們的極大研究興趣，未來(lái)的耦合器必然會(huì)向著集成化和小型化方向發(fā)展。同時(shí),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，

11、微帶定向耦合器也有自身的不足，主要體現(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。1.2 ads簡(jiǎn)介ads是安捷倫公司電子設(shè)計(jì)自動(dòng)化部門（agilent ees of eda)研發(fā)的高頻混合信號(hào)電子設(shè)計(jì)軟件，它能實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)、電路、全三維電磁場(chǎng)仿真，并且可以和其他仿真軟件及安捷倫測(cè)試儀器進(jìn)行連接仿真驗(yàn)證，是工業(yè)界為數(shù)不多支持在高頻高速應(yīng)用中通過(guò)集成電路、封裝和電路板進(jìn)行協(xié)同設(shè)計(jì)仿真平臺(tái)，可以使設(shè)計(jì)者在繁雜的系統(tǒng)、電路中快速完成電子設(shè)計(jì)并通過(guò)測(cè)試。例如，設(shè)計(jì)指南可以自

12、動(dòng)完成濾波器和多級(jí)匹配網(wǎng)絡(luò)的綜合，將設(shè)計(jì)時(shí)間從以往的幾小時(shí)縮短到現(xiàn)在的幾分鐘。使用ads仿真軟件，設(shè)計(jì)者還可以添加其他電路、系統(tǒng)和電測(cè)仿真組件，完成更具挑戰(zhàn)性的設(shè)計(jì)。1.2.1 ads的特點(diǎn)ads是射頻，模擬電路設(shè)計(jì)者建立設(shè)計(jì)和仿真的起點(diǎn)，它包括了以下許多功能強(qiáng)大的設(shè)計(jì)仿真特點(diǎn)。項(xiàng)目設(shè)計(jì)環(huán)境：可輸入原理圖，進(jìn)行電路、系統(tǒng)仿真，并對(duì)設(shè)計(jì)項(xiàng)目進(jìn)行管理。線性仿真器：頻域電路仿真器，用于進(jìn)行s參數(shù)、直流和交流小信號(hào)仿真。射頻系統(tǒng)仿真器：使用精細(xì)的模塊級(jí)模塊對(duì)整個(gè)射頻系統(tǒng)進(jìn)行建模。b類優(yōu)化器：可對(duì)設(shè)計(jì)進(jìn)行優(yōu)化，實(shí)現(xiàn)最佳的產(chǎn)品性能。濾波器設(shè)計(jì)指南：合成和分析集總濾波器何分布式濾波器的模型和設(shè)計(jì)方法。無(wú)緣濾

13、波器設(shè)計(jì)指南：綜合了匹配網(wǎng)絡(luò)和無(wú)源電路的設(shè)計(jì)功能。連接管理器：用于與安捷倫測(cè)試儀器進(jìn)行雙向數(shù)據(jù)傳輸。re ip編碼器：生成非常詳細(xì)且安全的ads設(shè)計(jì)電路模型，并可以與其他設(shè)計(jì)者進(jìn)行分享。1.2.2 ads的設(shè)計(jì)方法運(yùn)用ads軟件，電路設(shè)計(jì)者可以進(jìn)行模擬、射頻、微波等電路或系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與仿真，其設(shè)計(jì)方法主要包括直流分析、交流小信號(hào)分析、s參數(shù)分析、諧波分析、瞬態(tài)分析、包絡(luò)分析幾個(gè)大類。1.直流分析：直流分析是ads軟件的核心分析功能之一，通常在瞬態(tài)、交流小信號(hào)仿真之前都要自動(dòng)進(jìn)行直流分析。直流分析也可以單獨(dú)進(jìn)行或?qū)?shù)變量進(jìn)行掃描，打印出電路的節(jié)點(diǎn)電壓、支路電流及直流工作點(diǎn)等。2.交流小信號(hào)分析：

14、交流小信號(hào)分析是ads另一項(xiàng)重要功能，它可計(jì)算電路在某一頻率范圍內(nèi)的頻率響應(yīng)。交流小信號(hào)分析先計(jì)算出電流的直流工作點(diǎn)，再計(jì)算出電路中所有非線性元件的等效小信號(hào)電路，進(jìn)而借助這些線性化的小信號(hào)等效電路在某一頻率中進(jìn)行頻率響應(yīng)分析。該仿真的主要目的是要得到電路指定輸出端點(diǎn)的幅度或相位變化。因此，交流仿真的輸出變量帶有正弦波。3.s參數(shù)的分析：當(dāng)射頻和微波電路在小信號(hào)輸入狀態(tài)工作時(shí)，可認(rèn)為該電路是一個(gè)線性網(wǎng)絡(luò)。我們一般將其視為一個(gè)端口網(wǎng)絡(luò)，s參數(shù)便是對(duì)這個(gè)線性網(wǎng)絡(luò)最有利力的分析工具，它在直流工作點(diǎn)上將電路線性化，然后執(zhí)行仿真，分析該網(wǎng)絡(luò)的s參數(shù)、線性噪聲參數(shù)、傳輸阻抗及傳輸導(dǎo)納等。4.諧波分析：先進(jìn)

15、設(shè)計(jì)系統(tǒng)中的諧波平衡仿真器是對(duì)諧波算法最有利的實(shí)施，適用于市場(chǎng)上的飛線性電路和系統(tǒng)仿真，其功能包括：次數(shù)不限的多音頻域非線性仿真何優(yōu)化；相位噪聲分析；負(fù)載和信號(hào)源牽引分析；在穩(wěn)定激勵(lì)期間進(jìn)行x參數(shù)、非線性模型仿真；功率放大器設(shè)置指南，對(duì)常見(jiàn)的放大器拓?fù)溥M(jìn)行合成、設(shè)計(jì)和仿真；混頻器設(shè)計(jì)指南，對(duì)常見(jiàn)的混頻器推普進(jìn)行合成、設(shè)計(jì)和仿真；振蕩器設(shè)計(jì)指南，對(duì)常見(jiàn)的振蕩器拓?fù)溥M(jìn)行合成、設(shè)計(jì)和仿真；模擬模型開(kāi)發(fā)套件可用于開(kāi)發(fā)自定義的非線性特性模型。5.瞬態(tài)分析：瞬態(tài)仿真是ade最基本，也是最直觀的仿真方法。該仿真功能在一定程度上類似于一個(gè)虛擬的“示波器”，設(shè)計(jì)者通過(guò)設(shè)定仿真時(shí)間，可以對(duì)各種線性何非線性電路進(jìn)行

16、功能和性能模擬，并且在輸出波形輸出窗口中觀測(cè)電路的時(shí)域波形，分析電路功能6.包絡(luò)分析：電路包絡(luò)分析包含了時(shí)域何頻域的分析方法，主要應(yīng)用在具有調(diào)頻功能的電路或系統(tǒng)中。電路包絡(luò)分析綜合了瞬態(tài)分析和諧波平衡兩種仿真方法的功能，在低頻調(diào)頻信號(hào)分析時(shí)采用瞬態(tài)小信號(hào)仿真進(jìn)行分析，而高頻載波信號(hào)則以頻域的諧波平衡進(jìn)行分析。1.3 定向耦合概念及分類1.3.1概念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

17、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，定向耦合器的示意圖如圖1-1所示。（a）正向定向耦合器（b）反相定向耦合器圖1-1定向耦合器示意圖1.3.2分類 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)以下四種進(jìn)行簡(jiǎn)單的介紹： 1.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(kāi)一個(gè)小孔，這種耦合器稱為bathe孔耦合器，主要有兩種耦合形式，如圖1-2所示

18、，在圖（a）中，耦合是通過(guò)小孔偏離波導(dǎo)邊壁的距離s來(lái)控制的。在圖2-2（b）中，耦合是通過(guò)兩波導(dǎo)之間的角度q來(lái)控制的。圖1-2 兩種bathe孔耦合器 2.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。單節(jié)耦合線定向耦合器結(jié)構(gòu)和端口定義如圖1-3所示，這種類型的耦合器最適合于弱耦合，原因在于緊耦合要求線很緊地靠在一起很難實(shí)現(xiàn)，還有偶模和奇模特性阻抗的數(shù)值過(guò)大或過(guò)少而不實(shí)際。 圖1-3 單節(jié)定向耦合器結(jié)構(gòu)和端口定義 3.lange定向耦合器 這種耦合器最常見(jiàn)的有微帶形外觀和不能折疊的lange

19、耦合器兩種形式，如圖1-4所示，圖（a）所示的是四根耦合線采用相互連接以提供緊耦合，這種耦合器和容易做到3耦合度；圖（b）是不能折疊的lange耦合器，基本原理同圖（a）所示耦合器，不過(guò)這種很容易用一個(gè)等效電路模型化。 圖（a）微帶形外觀 圖（b）不能折疊的lange耦合器圖1-4 lange 耦合器 4.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

20、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。1.3.3 主要技術(shù)指標(biāo)定向耦合器是微波技術(shù)中廣泛使用的部件之一，通?？梢詫⑺闯梢粋€(gè)四端口網(wǎng)絡(luò)，如圖1-5所示，設(shè)端口1到4為主線、端口2到3為副線，當(dāng)電磁波從端口1輸入時(shí)，端口3無(wú)輸出，端口2有輸出，故端口3是隔離端，端口2為耦合端。如果電磁波從其它端口輸入，其輸出情況類似。圖1-5 定向耦合器網(wǎng)絡(luò)衡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：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的輸入功率與端口2的輸出功率之比的分貝數(shù)為該定向耦合器的耦合度，則 () （1.1

21、） 2. 方向性系數(shù)：端口2的輸出功率與端口3的輸出功率之比的分貝為定向耦合器的方向性系數(shù)，則 (db) (1.2)對(duì)于一個(gè)理想的定向耦合器，。 3.隔離度：端口1的輸入功率與端口2的輸出功率之比的分貝數(shù)為該定向耦合器的隔離度，則 () (1.3) 4.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都接匹配負(fù)載時(shí)，在輸入端口測(cè)量到的駐波系數(shù)。輸入駐波系數(shù)反映了在輸入端觀察到的反射大小。 5.頻帶寬度：頻帶寬度是指當(dāng)耦合度、隔離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)理想的定向耦合器，。由（1.1）、（1.2）、（1.3）可以得出它們之間具有如下關(guān)系：

22、 (2.4)第2章 工作原理2.1 傳輸線理論 傳輸線可用來(lái)傳輸電磁信號(hào)能量和構(gòu)成各種微波元器件。微波傳輸線是一種分布參數(shù)電路，線上的電壓和電流是時(shí)間和空間位置的二元函數(shù)，它們沿線的變化規(guī)律可由傳輸線方程來(lái)描述。傳輸線方程是傳輸線理論中的基本方程。 對(duì)于均勻無(wú)損耗傳輸線，傳輸線方程為 （2.1a） (2.1b)當(dāng)已知終端條件時(shí)，它的解可以表示 （2.2a） （2.2b）其中為終端電壓與電流，為傳播常數(shù), ,（為衰減系數(shù),為相移常數(shù)）。對(duì)于無(wú)耗傳輸線，它的常用參量有相移常數(shù) (2.3)相速度 (2.4)相波長(zhǎng) (2.5)特性阻抗 (2.6)2.2 輸入阻抗傳輸線上任意一點(diǎn)的輸入阻抗定義為該點(diǎn)電壓

23、與電流之比。即由式(2.6)得 (2.7)式中，對(duì)于無(wú)耗傳輸線，有，代入上式得 (2.8)即傳輸線上任意一點(diǎn)的輸入阻抗與位置和負(fù)載阻抗有關(guān)。當(dāng)線的長(zhǎng)度為時(shí)，便得傳輸線的輸入阻抗為 （2.9）因?yàn)樽杩古c導(dǎo)納互為倒數(shù)的關(guān)系，即輸入導(dǎo)納，特性導(dǎo)納，負(fù)載導(dǎo)納，等關(guān)系式代入（2.9）可得 （2.10）由于是周期函數(shù)，所以無(wú)耗傳輸線上的阻抗成周期性變化，即具有的變換性和的重復(fù)性。 （1）變換性 傳輸線上相距兩點(diǎn)的輸入阻抗的乘積等于常數(shù)的這一特性，稱為阻抗的的變換性，由 （2.11）即常數(shù)。利用該特性可以進(jìn)行阻抗變換，所以傳輸線具有阻抗變換的作用，可將容性阻抗經(jīng)變成感性阻抗，或反之。（2）的重復(fù)性 傳輸線上

24、相距兩點(diǎn)的輸入阻抗相等的這一特性，稱為阻抗的重復(fù)性， 因?yàn)?(2.12)所以。即傳輸線具有的重復(fù)性。2.3 特性及測(cè)量 2.3.1網(wǎng)絡(luò)特性定向耦合器可被看作為四端口網(wǎng)絡(luò)，其特性可用散射矩陣表示，即 （2.13） 其中各端口的反射系數(shù) (i=1、2、3、4)的值很?。ɡ硐胫禐榱悖?，表示各端口的匹配情況；衰減系數(shù)的值也很?。ɡ硐胫禐榱悖?。表示隔離情況是耦合系數(shù)，其值根據(jù)需要而設(shè)計(jì)。定向耦合的主要技術(shù)指標(biāo)是耦合度c（分貝）、定向性d（分貝）和工作頻帶，其中 （2.14） (2.15)理想定向耦合器的散射矩陣為 （2.16）兩個(gè)輸出信號(hào)有90的相位差。上述雙孔或雙分支線耦合的單節(jié)定向耦合器工作頻帶較窄

25、。若采用多孔或多分支線耦合結(jié)構(gòu)的多節(jié)定向耦合器（幾個(gè)單節(jié)的級(jí)聯(lián)），可借助綜合設(shè)計(jì)方法展寬工作頻帶。 定向耦合器是微波測(cè)量和其它微波系統(tǒng)中的常用元件，是近代掃頻反射計(jì)的核心部件。它是一種有方向性的微波功率分配器件，常見(jiàn)類型有：波導(dǎo)同軸線、帶狀線及微帶線等。定向耦合器包含主線和副線兩部分，在主線中傳輸?shù)奈⒉üβ式?jīng)過(guò)小孔或間隙耦合元件，將一部分功率耦合至副線中，由于波的干涉及疊加，使功率僅沿副線的一個(gè)方向傳輸（稱為“正方向”），而在另一方向幾乎沒(méi)有（或極少）功率傳輸（稱為“反方向”）。常見(jiàn)的波導(dǎo)定向耦合器有波導(dǎo)十字孔定向耦合器、波導(dǎo)雙定向耦合器。2.3.2測(cè)量方法（定向耦合器的特性參量）（1） 耦合

26、度 根據(jù)定義，只要首先測(cè)量出主波輸入端的功率電平，然后將定向耦合器的征象接入測(cè)量系統(tǒng)，測(cè)量出副波導(dǎo)正向輸出端的功率電平，則可以有上述公式求得耦合度。在實(shí)際測(cè)量中?？梢岳霉β仕p法來(lái)測(cè)量c，改變精密衰減器的衰減量，使測(cè)量主波導(dǎo)輸入端的檢波電流與定向耦合器正向接入系統(tǒng)中時(shí)，副波導(dǎo)正向輸出端的檢波電流相等，則衰減器的讀數(shù)之差就是定向耦合器的耦合度c。（2） 方向性 反向連接定向耦合器，主波導(dǎo)輸出端接匹配負(fù)載，使副波導(dǎo)在圖2-5端“3”輸出的檢波電流指示讀數(shù)合適（主要取決于信號(hào)源的功率及定向耦合器的方向性的大?。?，讀取精密衰減器的衰減量。然后正向連接定向耦合器，加大精密衰減器的衰減量，直至“3”端的

27、檢波電流指示與剛才的相同，讀取精密衰減器的衰減量，那么二次衰減量之差即為定向耦合器的方向性。2.4 定向耦合器的用途在微波系統(tǒng)中，定向耦合器是一種應(yīng)用廣泛的微波元件，例如信號(hào)發(fā)生裝置中的功率監(jiān)視裝置及信號(hào)接收機(jī)中的混頻裝置都要用到定向耦合器。此外，自動(dòng)增益控制、平衡放大器、調(diào)相器以及反射計(jì)和微波阻抗電橋等測(cè)量?jī)x器也要用到定向耦合器。 圖 2-1是微波信號(hào)發(fā)生器，它的輸出功率電平是由內(nèi)附功率計(jì)監(jiān)視的，送入功率計(jì)的功率只應(yīng)占信號(hào)發(fā)生器輸出功率的小部分，讓大部分的功率從信號(hào)發(fā)生器的輸出端輸出。因此在信號(hào)發(fā)生器裝置的內(nèi)部需要一只把功率分成兩部分的裝置，在圖2-2中這一作用就是由定向耦合器完成的。從路輸

28、出的微波功率大部分由路輸出，小部分功率通過(guò)耦合口路輸出至功率計(jì)或檢波器，由于路輸出的功率與路成一定比例關(guān)系，故從功率計(jì)數(shù)可以知道輸入功率的大小。圖2-1 信號(hào)發(fā)生器 圖2-2是微波接收機(jī)中單端混頻器示意圖。圖中虛線方框代表一只波導(dǎo)定向耦合器，它由兩段寬壁形成的矩形波導(dǎo)組成，在公共寬壁上開(kāi)兩個(gè)耦合小孔，故兩段波導(dǎo)之間有電磁耦合，使主波導(dǎo)中的功率能夠耦合到副波導(dǎo)，副波導(dǎo)的功率也能夠耦合到主波導(dǎo)，但是耦合有方向性從路輸入的功率只能耦合到路的輸出，從路進(jìn)入的功率只能到路的輸出。故、兩路彼此隔離。如果路接天線或者低噪聲放大器，路接本機(jī)振蕩器，則本機(jī)振蕩不會(huì)耦合到天線。當(dāng)路接混頻器時(shí)，作用于混頻器兩端的電

29、壓，既含有信號(hào)頻率，又含有本振頻率，故經(jīng)混頻作用后有中頻信號(hào)的輸出。第三章 微帶分支電路的分析與設(shè)計(jì)3.1 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，在圖1-5中的偶和機(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3-1 分支線耦合器的結(jié)構(gòu)圖3.2 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

30、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

31、況，即令,即可得到 （3.4）又從圖4-2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： （3.14） （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

32、，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。第四章 設(shè)計(jì)過(guò)程4.1 建立工程(1)運(yùn)行ads，會(huì)彈出ads開(kāi)始運(yùn)行的畫面，隨后會(huì)打開(kāi)了ads主窗口如4-1所示。圖4-1 ads主窗口選擇【file】【new project】命令，在圖4-2中命名為coupler，選擇mm為單位，單擊ok，在工具欄中單擊【save】命令后新的工程建立完成。圖4-2 新建coupler工程4.2 原理圖的設(shè)計(jì) （1）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-microstr

33、ip”元件面板，從中選擇3個(gè)mil和2個(gè)mtee插入到原理圖中，調(diào)整它們的放置方式，按圖4-3的形式連接起來(lái)，組成分支線耦合器的一條支路。圖4-3 分支線耦合器的一條支路 （2）同上面方法一樣，再選擇3個(gè)mlin和2個(gè)mtee插入到原理圖中，如圖4-4所示將他們連接成分支線耦合器的另外一條支路。圖4-4 分支線耦合器的另一條支路（3）同樣的再選擇2個(gè)mlin插入到原理圖中，作為兩個(gè)支路的微帶線，并將兩條支路連接起來(lái)，組成如圖4-5所示的分支線耦合器原理圖。 圖4-5 分支線耦合器原理圖4.3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：（1

34、）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4-6所示。圖4-6 msub控件設(shè)置（2）點(diǎn)擊【tools】【line calc】【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)。（3）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。4.4 var控件的設(shè)置計(jì)算出分支線耦合器中微帶線的理論尺寸參數(shù)后，可以通過(guò)“var”控件將這些參數(shù)應(yīng)用到微帶耦合器的隔斷傳輸線上。 （1）單擊【insert】【var】命令插入var控件圖標(biāo)。

35、（2）雙擊var控件圖標(biāo)，在彈出的設(shè)置窗口中，依次可以添加和修改w、l參數(shù)值。這樣修改好微帶耦合器的隔斷微帶線的參數(shù)值。4.5 s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)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4-7所示。 圖4-7 s參數(shù)仿真原理圖（2）在原理圖上放置如圖4-8所示的s參數(shù)仿真控制器“simulation-s_param”，并將其開(kāi)始頻率、終止頻率和頻率間隔分別設(shè)為3.2ghz、4.4ghz、0.02ghz。圖4-8 s參數(shù)仿

36、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s11和s12的參數(shù)曲線，如圖4-9所示。 圖4-9 s11、s12參數(shù)曲線 從圖中可以看出，s11參數(shù)曲線和s12參數(shù)曲線在3.65ghz處的值都在-38db以下，說(shuō)明該設(shè)計(jì)的分支線耦合器的端口反射系數(shù)和端口間隔離度還沒(méi)有達(dá)到預(yù)計(jì)結(jié)果。 同樣的可以得到s31和s41參數(shù)曲線如圖4-10所示，得到的、相位參數(shù)曲線如圖4-11所示。 圖4-10 s31、s41參數(shù)曲線圖4-11 s31、s41相位曲線 由圖4-14看出，1端口到3端口以及從1端口到4端口的都有3db左右的衰減，可以接受這個(gè)結(jié)果；由圖4-11可以看出，

37、相位曲線是線性的，符合要求。4.6 參數(shù)的優(yōu)化 （1）選擇優(yōu)化設(shè)置控件optim，設(shè)置優(yōu)化類型為random及優(yōu)化次數(shù)為100次。 （2）選擇優(yōu)化目標(biāo)控件goal，設(shè)置其參數(shù)；可以設(shè)置多個(gè)優(yōu)化目標(biāo)。設(shè)置完優(yōu)化目標(biāo)后先把原理圖存儲(chǔ)一下，然后就可以進(jìn)行參數(shù)優(yōu)化了。 （3）點(diǎn)擊工具欄中【simulate】命令開(kāi)始優(yōu)化。（4）在優(yōu)化過(guò)程中會(huì)打開(kāi)一個(gè)狀態(tài)窗口顯示優(yōu)化的結(jié)果，其中的currentef表示與優(yōu)化目標(biāo)的偏差，數(shù)值越小表示越接近優(yōu)化目標(biāo)，0表示達(dá)到了優(yōu)化目標(biāo)，下面還列出了各優(yōu)化變量的值，當(dāng)優(yōu)化結(jié)束時(shí)還會(huì)打開(kāi)圖形顯示窗口。（5）幾秒鐘之后，優(yōu)化完成得到的s參數(shù)曲線如4-12所示。（a）s11、s1

38、2仿真結(jié)果圖（b）s31、s41參數(shù)曲線 （c）s31、s41相位曲線圖4-12 s參數(shù)曲線 從優(yōu)化的結(jié)果看，s11參數(shù)曲線和s12參數(shù)曲線在3.8ghz處的值都在-40db以下，1端口到3端口以及從1端口到4端口的都有3db左右的衰減，相位曲線是線性的，完全符合要求，達(dá)到預(yù)計(jì)效果。4.7分支線耦合器版圖的生成當(dāng)各個(gè)s參數(shù)基本上達(dá)到技術(shù)指標(biāo)要求后，就可以進(jìn)行版圖的生成，步驟如下：（1）在原理圖設(shè)計(jì)窗口中點(diǎn)擊【layout】【gnerate/uapdte layout】即打開(kāi)了版圖生成狀態(tài)窗口，單擊ok即生成了版圖。（2）在這里需要設(shè)置微帶電路的基本參數(shù)(即原理圖中msub里的參數(shù))，方法是點(diǎn)擊

39、版圖窗口菜單中的【momentum】【substrate】【 update from schematic】從原理圖中獲得這些參數(shù)，點(diǎn)擊【momentum 】【 substrate】 【 create/modify】可以修改這參數(shù)。圖4-16所示即為由原理圖生成的分支線耦合器版圖。 圖4-13 由電路原理圖生成的分支線耦合器版圖第5章 總結(jié)與展望 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并優(yōu)化，最后得