基于ADS的分支耦合器的設(shè)計與仿真

1、 基于ADS的分支耦合器的設(shè)計與仿真（重慶大學(xué) 通信工程學(xué)院電子與通信工程 ，重慶400044） 摘要：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)展的一個必然趨勢，這種方法也是可取的。本文將結(jié)合微波理論知識和先進(jìn)的仿真軟件技術(shù)，來實現(xiàn)對微帶定向耦合器的耦合度和方向性等性能的改善和提高。關(guān)鍵字：分支耦合器，S參數(shù)，ADS中圖分類號：TN622 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：ADesign and Simulation of branch coupler based on ADS Qiao Zishi( Communication Engineering College o

2、f Chongqing university,Electronics and communication engineering,Chongqing 400044,P.R.China)Abstract:With the development of microwave technology and the depth of the research gradually thorough, the microwave integrated circuits of higher frequency, miniaturization and solid is an inevitable trend

3、of development, this method is desirable.This article will combine microwave theory knowledge and the advanced simulation software technology, to realize the micro strip directional coupler coupling and directional performance improvement and improve.Keywords: branch coupler,S parameters,ADS1 前言 微波技

4、術(shù)是無線電電子學(xué)的一個重要分支，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，微波波段的電磁波能穿透電離層,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越廣泛的應(yīng)用，成為了無線電電子學(xué)的一個重要的分支趨向。隨著通信技術(shù)的迅速發(fā)展，為了便于攜帶和移動,無線電設(shè)備的小型化是未來的發(fā)展趨勢，而移動通信所使用頻段處于微波范圍,因此實現(xiàn)微波電路的更高頻率化, 小型化,固體化,不僅在實用方面,而且在學(xué)術(shù)方面均有重要的研究價值。定向耦合器通常有兩種實現(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

5、制作要求較高,加工工藝和成本限制了它的應(yīng)用。帶線耦合器雖然對電路制作工藝要求相對較低,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、制作簡單、便于和其他電路集成等優(yōu)點(diǎn)，用微帶線設(shè)計的微波元器件,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)。因為微帶線具有上述特點(diǎn),所以用它來做微波電路。這將有助于提高微波集成電路的集成度。然而，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

6、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)合微波理論知識和先進(jìn)的仿真軟件技術(shù)，來實現(xiàn)對微帶定向耦合器的耦合度和方向性等性能的改善和提高。 ADS，即Advanced Design System 的簡稱，它是 Agilent Technoligyies（安捷倫）公司推出的一套電路設(shè)計軟件。 Agilent Technoligyies公司把HP MDS（Microwave Design System）和HP EEsof IV(Electronic Engineering Software )兩者的精華有機(jī)地結(jié)合起來，并增加了許多新的功能，便構(gòu)成了ADS軟件。（1）ADS

7、的特點(diǎn) 在可操作性方面，ADS靈活使用了窗口技術(shù)，工具欄、工具欄、快捷鍵、模版以及菜單等使人機(jī)界面更美觀、方便。 ADS使用了器件圖例、庫瀏覽以及即時瀏覽各分層次器件的實際電路等功能。 提供多種獲得幫助文件的途徑（用戶手冊、自帶設(shè)計舉例、各種模版、因特網(wǎng)），用戶可以獲得詳細(xì)的、最新的幫助文件。（2）ADS的應(yīng)用ADS的應(yīng)用非常廣泛，它的應(yīng)用場合主要包括射頻和微波電路的設(shè)計、DSP設(shè)計、通信系統(tǒng)的設(shè)計、向量仿真，其在微波電路的CAD設(shè)計部分主要包括以下幾個方面： 微波器件的建模和參數(shù)提取 包括各種微波半導(dǎo)體器件的建模和參數(shù)提取、微波分布參數(shù)和集總參數(shù)元件的實驗建模、標(biāo)準(zhǔn)工藝加工線元件數(shù)據(jù)庫等。

8、微波系統(tǒng)仿真 對各種不同規(guī)模的微波系統(tǒng)進(jìn)行仿真，以便得到系統(tǒng)的各種特性指標(biāo)，這是微波系統(tǒng)設(shè)計的重要手段。 微波電路的優(yōu)化設(shè)計 用戶給定電路的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)、各元件初始值和電路的設(shè)計指標(biāo)目標(biāo)，EDA軟件自動改變元件值，直到滿足電路的設(shè)計指標(biāo)目標(biāo)。2 定向耦合概念及分類 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)入副線中，并在副線的某一端口輸出，在副線的另一端口應(yīng)無輸出。所有的定向耦合器的方向性都是通過

9、兩個獨(dú)立的波（或波的分量）產(chǎn)生的，它們在耦合端口同向相加，在隔離端口則反相抵消來實現(xiàn)方向性。 定向耦合器的種類繁多，其結(jié)構(gòu)形式多種多樣，但本文只對以下三種進(jìn)行簡單的介紹： 波導(dǎo)定向耦合器這種耦合器是最早實現(xiàn)是耦合器，它通常在波導(dǎo)的共用邊上用小孔（或小槽）來實現(xiàn)耦合。實現(xiàn)這中耦合最簡單的方法是在兩個波導(dǎo)之間的寬壁上開一個小孔，這種耦合器稱為Bathe孔耦合器。 耦合線定向耦合器這種定向耦合器是用耦合傳輸線（兩根無屏蔽的傳輸線緊靠在一起時，由于各根線電磁場的相互作用，線之間可能產(chǎn)生功率耦合）制作的定向耦合器。 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

10、向耦合器實質(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，有時也稱其為集中參數(shù)定向耦合器。在定向耦合器設(shè)計中，使用鐵氧體能有效增加帶寬，減小尺寸和生產(chǎn)成本，同時提高了功率。在微波測量儀器中使用這種定向耦合器可以降低成本，提高測量精度，有著廣闊的應(yīng)用前景。3 微帶分支電路的分析與設(shè)計（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，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，本文就對其進(jìn)行了理論分析及實現(xiàn)。 圖3.1 分支線耦合

11、器的結(jié)構(gòu)圖（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 所示出一個將定向耦合器看成傳輸線的電路。設(shè)激勵信號從端口1輸入, 電壓為2U , 各端口電壓、電流參考方向如圖示。按奇、偶模激勵原則,單口激勵情況可以轉(zhuǎn)化為圖3.3 A、B 所示的奇、偶模雙口激勵疊加而成。 圖3.3 （A）奇模激勵電路圖 圖3.3 （B）偶模激勵電路圖定向耦合器是一個四端口網(wǎng)絡(luò), 設(shè)計這種部件會遇到很大困難，但定向耦合器的設(shè)計可以分解成兩個帶通濾波器的設(shè)計。這樣, 一個四端口網(wǎng)絡(luò)的設(shè)計就轉(zhuǎn)化為二端口網(wǎng)絡(luò)的設(shè)計, 不但簡化了設(shè)計過程, 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

12、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，并指考慮匹配情況，即令,即可得到 （3.4）又從圖3.2得出 （3.5）由網(wǎng)絡(luò)對稱性知：，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，達(dá)最大值，此時記,即 ，顯然 （3.13）將K代入（3.10）（3.12）式得： （3.14） （3.1

13、5）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，則有，這時，。這正是一個定向耦合器的特性, 從而證明了分解設(shè)計方法的正確性，接下來的工作就是在微波仿真軟件ADS上進(jìn)行原理圖的繪制，并對其仿真和優(yōu)化，最后得到分支線耦合器的版圖。4 ADS設(shè)計與仿真4.1原理圖的設(shè)計 建立工程后，ADS會自動彈出原理圖設(shè)計窗口，可直接在繪圖區(qū)進(jìn)行設(shè)計，首先在原理圖設(shè)計窗口的元件面板列表中選擇“TLines-Microstrip”元件面板，從中選擇MIL和MTEE插入到原理圖中，調(diào)整它們的放置方式，組成如圖4.1所示的分支線耦合器原理圖。圖4.1分支線耦

14、合器原理圖4.2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)置的過程如下：從“TLines-Microstip”元件面板列表中選擇一個微帶線參數(shù)設(shè)置控件MSUB插入到原理圖中，雙擊后將其各個參數(shù)設(shè)置成如圖4.2所示。圖4.2 MSUB控件設(shè)置點(diǎn)擊【Tools】【LineCalc】【Start Linecalc】命令，彈出微帶線計算工具菜單，在其中輸入與MSUB控件相同內(nèi)容微帶線的寬度和長度計算出來，將原理圖的各個參量設(shè)置成計算出來的參數(shù)值，原理圖的設(shè)計完成。4.3參數(shù)仿真設(shè)計 在設(shè)計好分支線耦合器原理圖后，對其進(jìn)行S參數(shù)仿真，觀察四個端口的S參數(shù)，即觀

15、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“地”和4個負(fù)載Term，并連接號原理圖，如圖4-3所示。圖4.3 S參數(shù)仿真原理圖（2）在原理圖上放置如圖4.4所示的S參數(shù)仿真控制器“Simulation-S_Param”，并將其開始頻率、終止頻率和頻率間隔分別設(shè)為3.2GHz、4.4GHz、0.02GHz。圖4.4 S參數(shù)仿真控制器（3）單擊工具欄中的【Simulate】命令執(zhí)行仿真，仿真結(jié)束后可得到和的參數(shù)曲線，如圖4-5所示。圖4.5 、參數(shù)曲線 從圖中可以看出，參數(shù)曲線和參數(shù)曲線在3.65處的值都在-38以下，說明該設(shè)計的分支線耦合器的

16、端口反射系數(shù)和端口間隔離度還沒有達(dá)到預(yù)計結(jié)果。 同樣的可以得到和參數(shù)曲線如圖4.6所示，得到的、相位參數(shù)曲線如圖4.7所示。 圖4.6、參數(shù)曲線圖4.7、相位曲線 由圖4.6看出，1端口到3端口以及從1端口到4端口的都有3左右的衰減，可以接受這個結(jié)果；由圖4.7可以看出，相位曲線是線性的，符合要求。5 總結(jié) 本文在熟悉微波基本理論的基礎(chǔ)上，用分解的設(shè)計方法進(jìn)行設(shè)計的，將一個四端口網(wǎng)絡(luò)的設(shè)計就轉(zhuǎn)化為二端口網(wǎng)絡(luò)的設(shè)計, 不但簡化了設(shè)計過程, 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)展的一個必然趨勢，這種方法也是

17、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，得出結(jié)果。但在設(shè)計過程中學(xué)到了很多的東西，認(rèn)識到了ADS在系統(tǒng)和射頻仿真中的無比優(yōu)越性，以及其強(qiáng)大的數(shù)據(jù)后處理功能和清晰優(yōu)美的顯示界面。在仿真過程中，我主要有下面幾點(diǎn)啟發(fā)和在以后的設(shè)計過程中需要注意的地方：第一，要對自己設(shè)計的系統(tǒng)或電路的性能有一定的把握，要不然不能理解仿真出來的曲線體現(xiàn)了哪些特性，在仿真中必須帶著問題去仿真。第二，要對仿真器有一個比較明了的認(rèn)識。只有對各個仿真器的功能及仿真原理有了認(rèn)識，才可以應(yīng)用自如，很快搭出仿真電路，得到自己想要的特性曲線。 第三，在仿真的過程中，如果對各個

18、模型或者仿真不理解，都可以看help，學(xué)習(xí)ADS，一定要看里面自帶的例子，從里面學(xué)習(xí)如何設(shè)置仿真，如何充分利用ADS的強(qiáng)大功能，里面的例子往往是經(jīng)過精心設(shè)計的，在里面可以學(xué)到扎實的仿真基礎(chǔ)知識。參考文獻(xiàn)：1清華大學(xué)“微帶電路”編寫組.微帶電路M.北京 ：人民郵電出版社，1976.2 王新穩(wěn)，李萍.微波技術(shù)與天線M. 北京：電子工業(yè)出版社，2006.3 Cheng K K M，Wong F L A novel approach to the designand implementation of dual-band compact planar 90 °branch-line coupler J IEEE Transactions on Microwave Theory and Techniques，2004，52( 11) : 2458-24634 Zhang H L，Chen K J A stub tapped branch-line coupler for dual-band operations J IEEE M