基于ADS的定向耦合器的設(shè)計(jì)..

1、ANHUISANLIANUNIVERSITY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：張振華學(xué)號：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：楊斌職稱/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)處制安徽三聯(lián)學(xué)院畢業(yè)論文基于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)是將微波信號按一定的

2、比例進(jìn)行功率分配。定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)成平衡混頻器和測量電橋，利用定向耦合器來測量反射功率系數(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2DesignofdirectionalcouplerbasedonADSAbstract:IntwentiethCentur

3、ythebeginningofthe50's,themicrowaveequipmentisusedbyalmostallmetalwaveguideandcoaxiallinedirectionalcouplercircuit,atthattimealsomanyforthewaveguideaperturecouplingdirectionalcoupler,itstheoreticalbasisistheBetheaperturecouplingtheory.Directionalcouplerisakindofmicrowavedevicesarewidelyusedinmic

4、rowavesystem,itistheessenceofthemicrowavesignalpowerdistributionaccordingtoacertainproportionofthedirectionalcoupler.Directionalcoupleriscomposedoftransmissionlines,coaxialline,rectangularwaveguide,circularwaveguide,striplineandmicrostriplinedirectionalcouplercanbeformed,sothestructureofdirectionalc

5、ouplervariety,differenceisverybig.Directionalcouplersarewidelyappliedinmicrowaveband,itsmainpurposeistomonitorthepower,frequencyandspectrum,thepowerdistributionandsynthesis,abalancedmixerandabridge,tomeasurethepowerreflectioncoefficientandpowerbyusingadirectionalcoupler.Thisdesignismainlyusingthemet

6、hodofsoftwaredesignofADS2011microstripbranchdirectionalcoupler,andtheuseofADSdesign,simulationofmicrostripbranchdirectionalcoupler,completestheschematicandlayout.Keywords:directionalcoupler;microstripbranch;ADS;microwave安徽三聯(lián)學(xué)院畢業(yè)論文目錄第一章緒論11.1微波技術(shù)產(chǎn)生的背景及發(fā)展趨勢11.2 ADS簡介21.2.1 ADS的特點(diǎn)21.2.2 ADS的設(shè)計(jì)方法21.3定向耦

7、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特性及測量102.3.1網(wǎng)絡(luò)特性102.3.2測量方法（定向耦合器的特性參量）112.4定向耦合器的用途11第三章微帶分支電路的分析與設(shè)計(jì)123.1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)27I安徽三聯(lián)學(xué)院畢業(yè)論文第一章緒論1.1微

8、波技術(shù)產(chǎn)生的背景及發(fā)展趨勢微波技術(shù)是無線電電子學(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越廣泛的應(yīng)用，成為了無線電電子學(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，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(shí)現(xiàn)微波電路的更高頻

9、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價(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(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

10、來的耦合器必然會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(shí)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。1.2ADS簡介ADS是安捷倫公司電子設(shè)計(jì)自動化部門(AgilentEEsofEDA)研發(fā)的高頻混合信號電子設(shè)計(jì)軟件，它能實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)、電路、全三維電磁場仿

11、真，并且可以和其他仿真軟件及安捷倫測試儀器進(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)用中通過集成電路、封裝和電路板進(jìn)行協(xié)同設(shè)計(jì)仿真平臺，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)并通過測試。例如，設(shè)計(jì)指南可以自動完成濾波器和多級匹配網(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，并對設(shè)計(jì)項(xiàng)目進(jìn)行管理。線性仿真器：頻域電路仿真器

12、，用于進(jìn)行s參數(shù)、直流和交流小信號仿真。射頻系統(tǒng)仿真器：使用精細(xì)的模塊級模塊對整個(gè)射頻系統(tǒng)進(jìn)行建模。B類優(yōu)化器：可對設(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。無緣濾波器設(shè)計(jì)指南：綜合了匹配網(wǎng)絡(luò)和無源電路的設(shè)計(jì)功能。連接管理器：用于與安捷倫測試儀器進(jìn)行雙向數(shù)據(jù)傳輸。REIP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)

13、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)、交流小信號仿真之前都要自動進(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交流小信號分析：交流小信號分析是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電路，進(jìn)而借助這些線性化的小信號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輸入狀態(tài)工作時(shí)，

14、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)設(shè)計(jì)系統(tǒng)中的諧波平衡仿真器是對諧波算法最有利的實(shí)施，適用于市場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)載和信號源牽引分析；在穩(wěn)定激勵期間進(jìn)行X參數(shù)、非線性模型仿真；功率放大器設(shè)置指南，對常見的放大器拓?fù)溥M(jìn)行合成、設(shè)計(jì)和仿真；混頻器設(shè)計(jì)指南，對常見的混頻器推普進(jìn)行合成、設(shè)計(jì)和仿真；振蕩器設(shè)計(jì)指南，對常見的振蕩器拓?fù)溥M(jìn)行合成、設(shè)計(jì)

15、和仿真；模擬模型開發(fā)套件可用于開發(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)者通過設(shè)定仿真時(shí)間，可以對各種線性何非線性電路進(jìn)行功能和性能模擬，并且在輸出波形輸出窗口中觀測電路的時(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)頻信號分析時(shí)采用瞬態(tài)小信號仿真進(jìn)行分析，而高頻載波信號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

16、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兩個(gè)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(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i-i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，但本文只對以下四種進(jìn)行簡單的介紹：1.波導(dǎo)定向耦合

17、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)來實(shí)現(xiàn)耦合。實(shí)現(xiàn)這中耦合最簡單的方法是在兩個(gè)波導(dǎo)之間的寬壁上開一個(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，在圖(a)中，耦合是通過小孔偏離波導(dǎo)邊壁的距離s來控制的。在圖2-2(b)中,耦合是通過兩波導(dǎo)之間的角度來控制的。輸人輸入圖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（兩根無屏蔽的傳輸線緊靠在一起時(shí)，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。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

18、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)值過大或過少而不實(shí)際。輸入11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的有微帶形外觀和不能折疊的Lange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3dB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1-4Lange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

19、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。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。耦合機(jī)構(gòu)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

20、標(biāo)有耦合度、定向性、隔離度、輸入電壓駐波6安徽三聯(lián)學(xué)院畢業(yè)論文比和頻帶寬度。1.耦合度C:當(dāng)端口1接信號源，端口2、3、4均接匹配負(fù)載時(shí)，端口1的輸入功率P與端口2的輸出功率P之比的分貝數(shù)為該定向耦合器的耦合度C，12C二101gf=10lg(dB)(1.1)19212.方向性系數(shù)D:端口2的輸出功率P與端口3的輸出功率P之比的分貝3為定向耦合器的方向性系數(shù)D，則D二10lg二10lgflSS312丿(dB)(1.2)對于一個(gè)理想的定向耦合器，P=0,S=0,Dg。3313隔離度I:端口1的輸入功率P與端口2的輸出功率P之比的分貝數(shù)為該3定向耦合器的隔離度I,則I=10lg=10lg(dB)(

21、1.3)31反向耦合端口2、隔離端口4.輸入電壓駐波比：指定向耦合器直通端口4、3都接匹配負(fù)載時(shí)，在輸入端口測量到的駐波系數(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。對于一個(gè)理想的定向耦合器，P=0，S=0，Ig。331由（1.1）、（1.2）、（1.3）可以得出它們之間具有如下關(guān)系：D=I-C（2.4）第二章工作原理2.1傳輸線理論傳輸線可用來傳輸電磁信號能量和構(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描述。傳

22、輸線方程是傳輸線理論中的基本方程。對于均勻無損耗傳輸線，傳輸線方程為dU(»=-ZI(z)d1zdi(z)()=YU(z)d1z當(dāng)已知終端條件時(shí)，它的解可以表示U(z')=Uchyz+ZIshyz202I(z')=U2shyz'+1chyz'0(2.1a)(2.1b)(2.2a)(2.2b)其中U、I為終端電壓與電流,22丫為傳播常數(shù),y=JZY=a+jp(2.3)衰減系數(shù)，P為相移常數(shù))。對于無耗傳輸線，它的常用參量有相移常數(shù)p相速度vP相波長九P特性阻抗Z0c(2.4)(2.5)、rZ0(2.6)2.2輸入阻抗傳輸線上任意一點(diǎn)Z'的輸入阻抗

23、Z(z')定義為該點(diǎn)電壓與電流之比。即由ininI'丿0式(2.6)(2.7)(2.8)(2.9)Z+Zthyz'L0Z+Zthyz'0L式中Z二U/I,對于無耗傳輸線，有丫二jp0，代入上式得乙('Iz0in0L22Zl+jZ°tanPzZo+jZLthy卩z即傳輸線上任意一點(diǎn)z'的輸入阻抗與位置z'和負(fù)載阻抗Z有關(guān)。L當(dāng)線的長度為l時(shí)，便得傳輸線的輸入阻抗為in(z')1特性導(dǎo)納Y二一，0Z0(2.10)Z(l)=Z0ZL+jZ0tan卩1in0Z0+jZLtanPl因?yàn)樽杩古c導(dǎo)納互為倒數(shù)的關(guān)系，即輸入導(dǎo)納Yin(z

24、')1負(fù)載導(dǎo)納Y二，等關(guān)系式代入(2.9)可得LZLY YY+jYtanpz'Y =Yl0in(z)0L由于tanpz'是周期函數(shù)，所以無耗傳輸線上的阻抗成周期性變化，即具有九/4的變換性和九/2的重復(fù)性。(1)九/4變換性傳輸線上相距九/4兩點(diǎn)的輸入阻抗的乘積等于常數(shù)的這一特性，稱為阻抗的九/4的變換性，由Z(z'+K4)=ZZLjZ0COtPz'=ZZ0+jZLtanPz'=經(jīng)(2.11)in/40Z-jZcotPz'0Z+jZtanpz'Z(z')0LL0in即Z(z'+九/；)-Z(z')=Z2=常

25、數(shù)。in/4in0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)九/4變成感性阻抗，或反之。（2）九/2的重復(fù)性(2.12)傳輸線上相距兩點(diǎn)的輸入阻抗相等的這一特性，稱為阻抗的重復(fù)性，因?yàn)椤癦+jZtan（pz'+兀）Z+jZtan卩z'加；Loz+jZtan®z'+兀0Z+jZtanPz'0L0L所以Z（z'+九/2）二Z（z'）。即傳輸線具有九/2的重復(fù)性。inin2.3特性及測量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s表示，即s11s12s13s14S=s21s22s23s2

26、4ssss31323334ssssL41424344(2.13)其中各端口的反射系數(shù)s（i=1、2、3、4）的值很?。ɡ硐胫禐榱悖韎i示各端口的匹配情況；衰減系數(shù)S=S=S=S的值也很?。ɡ硐胫禐榱悖?3312442表示隔離情況S=S=S=S是耦合系數(shù)，其值根據(jù)需要而設(shè)計(jì)。14412332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C=201g|S14(dB)（2.14）SD=201g礦1a(dB)(2.15)理想定向耦合器的散射矩陣為0t0j1t2S=e-i000jd1-120(2.16)0jj1-120t_jj1-120t0兩個(gè)輸出信號有90°

27、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。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有（或極少）功率傳輸（稱為“反方向”）。常見的波導(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

28、器。2.3.2測量方法（定向耦合器的特性參量）（1）耦合度根據(jù)定義，只要首先測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量系統(tǒng)，測量出副波導(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)際測量中?？梢岳霉β仕p法來測量C,改變精密衰減器的衰減量，使測量主波導(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

29、定向耦合器，加大精密衰減器的衰減量，直至“3”端的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，例如信號發(fā)生裝置中的功率監(jiān)視裝置及信號接收機(jī)中的混頻裝置都要用到定向耦合器。此外，自動增益控制、平衡放大器、調(diào)相器以及反射計(jì)和微波阻抗電橋等測量儀器也要用到定向耦合器。圖2-1是微波信號發(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)占信號發(fā)生器輸出功率的小部分，讓大部分的功率從信號發(fā)生器的輸出端輸出。因此在信號發(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

30、-2中這一作用就是由定向耦合器完成的。從路輸出的微波功率大部分由路輸出，小部分功率通過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。率計(jì)圖2-1信號發(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)振蕩不會耦合

31、到天線。當(dāng)路接混頻器時(shí)，作用于混頻器兩端的電壓，既含有信號頻率，又含有本振頻率，故經(jīng)混頻作用后有中頻信號的輸出。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所示出一個(gè)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

32、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3-3A、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(gè)四端口網(wǎng)絡(luò)，設(shè)計(jì)這種部件會遇到很大困難，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)，不但簡化了設(shè)計(jì)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的輸入阻抗為1e1o(z)=(3.1)in1o1e1o1e其中z和z分別從端口1看入的奇模和偶模阻抗。1o1e由傳輸線阻抗方程有：z二zo+jzootgz1oz+jztg0oooooz_z+jztgOzooe1ez+jz

33、tg0oeoeo(3.2)(3.3)其中z，z分別為奇、偶模特性阻抗。oooein1將（3.2）（3.3）待入（3.1）可得（z），并指考慮匹配情況，即令（Z）=Z,(3.4)in10即可得到又從圖4-2得出,U=2U1Z+0IzT=Uin1(3.5)由網(wǎng)絡(luò)對稱性知:U=U，U=U2e1e3e，U=-U，U=-U，2o1o3o4o顯然U=2eU1+ZoZ2e(3.6)JZZ+jZtgOZ=Zoooeoe2eoeZ+jJZZtg0oeoooe(3.7)由(3.4)(3.7)代入（3.6）得:Tzz+jZtgOU=oo_oeoe2e+j1oooeooj(z+Z)tgO(3.8)oe又由圖（3-2）

34、（3-3）得:將（3.7）又知U=U-U22e2o33e3oU=U+U44e4o2U2cosO+jsinO(3.9)(3.10)(3.11)(3.12)安徽三聯(lián)學(xué)院畢業(yè)論文二K，即K=U2-兀由（3.10）式，當(dāng)0=時(shí)，U達(dá)最大值，此時(shí)記2-21max顯然仝1ZZoo=oooeZ+ZoeooZ1o+1Zoo(3.13)將K代入（3.10）（3.12）式得:jKsin0U=U2<1K2cos0+jsin0(3.14)v1K2cos0+jsin0(3.15)Z在（3.13）中，令-oe沁1，Zoo則K1，則（3.14）（3.15）式變成U二jUKe-jsin0二Uje-j0sinasin02

35、(3.16)式中a=siniK。U=U<1K2e-j0=Ue-j0cosa4(3.17)兀如令U=1,且取0=時(shí)，則有U=sina，U=-jcosa,U=U-U=0，22433e3o這時(shí)L=-，Dg。Usina2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，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。安徽三聯(lián)學(xué)院畢業(yè)論文第四章設(shè)計(jì)過程4.1建立工程(1) 運(yùn)行ADS,會彈出ADS開始運(yùn)行的畫面，隨后會打開了ADS主窗口如4-1所示。圖4-1ADS主窗口選擇【File】【NewProject】命令，在圖4-2中命名為c

36、oupler，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會自動彈出原理圖設(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-Microstrip"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，組成分支線耦合器的一條支路。MLINL_lMLINL_lMLINTL1TL2TL3Subst="NlSu'blli-'EE_r?''Subst="

37、;MSub1li'-MTEE_ADS''-'Sutist="MSub'1W=0.98mm-Teel-W=1.67mm'-Tee2-W=0.98mm-L=2.5mm-.Subst="MSubi"-L=10：19min-.Subst="MSubi'!.L=2-.5mm-W1=0.98mm.W.1=1.69mm.'W2=1.69mm'W2=0.98mm'W3=0.9Smm'''W3=0.98mm''圖4-3分支線耦合器的一條支路（2）同上面方

38、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。MLINMTEE_ADSMLINMTEE_ADSMLINTL4Tee3TL5Tee4TL6Subst="MSub'1"'Sub3U"MSub1"'Sub'st="MSub'1"''Subst="MSub1,r''Subst="MSub'1W=0.98mm''-W-1=1.69mmW=1.69mm-W-1=0.9a

39、mm-'W=0.98mm-L=2-.5mm-.W2=0.98mm.-L=10.1-9mm-.W2=1.69mm.L=2-.5mm-W3=0.98mmW3=0.98mm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，組成如圖4-5所示的分支線耦合器原理圖。.MLIN.TL1'Subst"MSub1"''W=0.98mm''-L=2.5mm-ME亡丿-Teel.Sub|st=,MSub111.W1W2'W3MLIN.TL2'Subst=&qu

40、ot;MSub1"''W=1.67mm''L=10.-2mm-：0.98mm!：1.67mmi：0.98mm<'MLIN'-MTEiEADS-Tee.Sub|st=,MSub111.W1W2'W32-：1.67mm!：0.98mmi：0.98'mm<'MLIN'T丄了TL8-Subst="MSub1"Subst="MSub1"W=0.98mmW=0.98mm.L=10.46mmL=10.46mmfMLIN.TL3Subst=llMSub1W=0.98rn

41、m'L=2-.5mm陽l-MLINTL4'SubSt=nMSub1-W=0.98mm-L=2.5rnmMTEE_ADSTee3Subst="MSub1W1=1-.67mmW2=0.98.mmW3=0.98mmMLINTL5Subst="MSub1W=1.67rnm-L=1O.2-rnrn-MTEE_ADSThh4Subst=,lMSub1W1=0.98-mmW2=1.67.mmW3=0.98mmMLINTL6Subst="MSub1W=0.98rnm-L=2-.5mm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，需要對尺寸參

42、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：(1) 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。MSubMSBMSublH=0.5mmEr=4.2Mur=1Cond=4.1E+7圖4-6MSUB控件設(shè)置T=0.005mm(2) 點(diǎn)擊【Tools】t【LineCalc】t【StartLihecalc】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度計(jì)算出來。(3) 將原理圖的各個(gè)參量設(shè)置成計(jì)算出來的參數(shù)值，原理圖的設(shè)計(jì)完成。4.4VAR控件的設(shè)

43、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“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)。(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。4.5S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insertGR0UD圖標(biāo)和終端負(fù)載圖標(biāo)IWTerm，在原理圖中插入4個(gè)“地”和4個(gè)負(fù)載Term，并連接號原理圖，如圖4-7所示。.Term.Term3.MLIM.Num=1TL

44、4Z=50OhmSubst="MSub1W=0.98mmL=2.5mmMTIJE_ADS-Tee2-Sub5t="MSub1W1-1.67mmW2：0.98mmWch：il93'mmMLIN'''TL8'Subst="MSublW=0.98mm.L=10.46mmTL3Subst=''MSub1W=0.98mmL=2.5mm-T.errn.Term4.Num=4Z=50OhmTermTerm2Mum=3Z=50OhmTerrnTermlTL1Subst="MSub1MTEJTeelSub5t=&qu

45、ot;MSub1W1：0.98mmTL2'Subst="MSub1W=1.67mm'-L=1.-2mm-MLINMLINW2：1.67mm3：0.98'mm'''<'MLIN'''|TL7-Subst="MSublW=0.98mm.丁L=10.46mmMTEEADSMLINMTEEADSMLINTee3TL5Tee4TL6Subst="MSub1'r'sub'-MSubi"''Subst="MSub1,rW-1=1-.6

46、7-mm-W=1.67mm-W-1-0.9&rrirn-W=0.98mm-W2=0.98mmL=10.2-mmW-2=1-.67-mm-L=2-.5mmW3=0.98mmW3=0.98mm圖4-7S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”,并將其開始頻率、終止頻率和頻率間隔分別設(shè)為3.2GHz、4.4GHz、0.02GHz。25安徽三聯(lián)學(xué)院畢業(yè)論文常.S-PARAMETERS.S_ParamSP1'''Start=3.2GHzStop=4.4GHzStep=20MHz圖4-8S參數(shù)仿真控

47、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。-4IJ3.23.43.63.84.04.24.4freq,GHzo頁-30W-Lmmpzmffip-40.|3.23.43.63.84.04.24.4freq,GHz26圖4-9S“、S12參數(shù)曲線從圖中可以看出，S參數(shù)曲線和S2參數(shù)曲線在3.65GHz處的值都在-38dB以下，說明該設(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、S4i相位參數(shù)曲線如圖4-11所示。freq,GHzLcmmp-5

48、.5X1111113.23.43.63.84.04.24.4freq,GHz.5.06JJ6_-2.-3.呂44(LhmffipO-5圖4-10S31、S41參數(shù)曲線安徽三聯(lián)學(xué)院畢業(yè)論文-IIIII23.43.63.84.04.24.4freq,GHzooo141210freq,GHz圖4-11S31、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，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

49、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】命令開始優(yōu)化。（4）在優(yōu)化過程中會打開一個(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)還會打開圖形顯示窗口。（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。d汀mp31（a）S“、S12仿真結(jié)果圖(Ldlzlmp、/31231143.B3134104124.05050(Hgmp（b）S31、S41參數(shù)曲線18080-II

50、I1113.23.43.63.84.04.2freq,GHz4.41602000-1S0-IIIIII-80-100-120-140-1603.23.43.63.84.04.24.4freq,GHz（c）S31、S41相位曲線圖4-12S參數(shù)曲線從優(yōu)化的結(jié)果看，S參數(shù)曲線和S2參數(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】t【Gnerate/UapdteLayout】即打開了版圖生成狀態(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