微波毫米波Project论文.docx

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正交混合网络的设计

姓名：

学号：

学院：

电子工程与光电技术学院

指导老师：

李兆龙

正交混合网络的设计

摘要

随着通信技术的迅猛发展，微带定向耦合器作为微波、毫米波系统中的重要器件也得到了更大的关注。

本文先介绍了定向耦合器的研究背景，又通过将输入激励分解成偶模激励和奇模激励的叠加的偶—奇模分解技术从理论上分析了定向耦合器的工作过程。

通过软件，对该正交混合网络结构进行原理图仿真，再生成版图。

调整原理图中的微带线参数，使得中的仿真结果满足设计指标：

回波损耗，完善隔离，以及在端口和端口处的功率匹配的不平衡度。

分别设计定向耦合器在低频和高频上微带线结构，并对其进行优化，改善其性能指标。

对于工作频率为的定向耦合器，得到如下性能指标：

①中心频率；②为；③为；④，。

对于工作频率为的定向耦合器，得到如下性能指标：

①中心频率；②为；③为；④，。

最后，本文分析了所得到的定向耦合器的性能，验证其性能。

关键字：

定向耦合器微带线优化仿真

一、研究背景

移动通信技术迅猛发展,通信频率资源紧张的趋势就日益凸显,通信频率逐渐向高频段发展。

在发展高频率通信技术的过程中,微波、毫米波技术发展的战略意义更为突出。

微带定向耦合器作为微波、毫米波系统中的重要器件,制约着系统性能和技术水平,其性能的优劣将直接影响到整个系统的质量。

正交混合网络是定向耦合器，它在广播电视发射系统中有着广泛的应用。

定向耦合器可将一路射频信号分配成幅度相等、相位差为度的信号，也可将两路幅度相等、相位差为度的信号合为一路，因此定向耦合器具有功率合成和功率分配的性能。

二、原理分析

定向耦合器，其直通和耦合臂的输出之间有相位差。

这种类型的混合网络通常做成微带线或带状线形式，如下图所示：

下面我们利用偶—奇模分解技术来分析正交混合网络的工作过程。

参考，分支线耦合器的基本运作如下：

所有端口是匹配的，从端口输入的功率对等地分配给端口和端口，这两个端口之间有相移，没有功率耦合到端口（隔离端）。

所以矩阵有如下形式：

其中，分支线混合网络有高度的对称性，任意端口都可以作为输入端口，输出端口总是在与网络的输入端口相反的一侧，而隔离端是输入输出端口同侧的余下端口。

对称性反映在散射矩阵中是每行可从第一行互换位置得到。

首先用归一化形式画出正交混合微带线的电路示意图，如所示。

假定在端口1输入单位幅值的波。

归一化的正交混合微带线电路

可分解为偶模激励和奇模激励的叠加，如所示。

因为该电路是线性的，所以实际的响应可从偶模和奇模激励响应之和获得。

正交混合微带线分解为偶模和奇模：

（a）偶模（e）;（b）奇模（o）

因为激励的对称性和反对称性，四端口网络能分解为一组两个无耦合的二端口网络，如所示。

因为这两个端口的输入波振幅为，所以在正交混合微带线网络每个端口处的振幅可表示为

式中，和是所示二端口网络的偶模和奇模的反射系数和传输系数。

奇模二端口网络的和可通过将电路中的每个级联器件的ABCD矩阵相乘得到：

给出反射系数和传输系数为

同样，对于偶模可以得到

可以得到如下结果：

结合上述表达式可得到理想正交混合微带线网络的散射参数为：

三、仿真设计

（一）

现在我们要使用厚的介质作为底层材质，设计一个工作频率在的微带线结构。

为了用仿真出符合指标的结构，考虑先设计出原理图结构。

在中画出正交混合网络结构如下图：

并设置介质参数：

使用罗杰斯公司的作为微带线的介质材料，通过查阅罗杰斯公司的官网，可以查阅到的参数：

为了求得正交混合网络各支臂的尺寸，利用中的功能：

将所用介质的参数导入中，并设置电参数：

特性阻抗为，电长度为和结构参数：

中心频率为。

对其进行综合，可知对于上述参数条件，合适的物理尺寸为：

微带线的宽度为，长度为。

同样对于特性阻抗为，电长度为的微带线，同样可以综合得到合适的物理尺寸为：

微带线的宽度为，长度为。

将通过的得到的各支臂微带线的尺寸导入原理图中，并在正交混合网络的四个端口处接入负载。

接入参数仿真元件，设置扫描频率：

原理图如下：

点击仿真按钮，在弹出的窗口中绘制，，，曲线：

从上图可以看出，仿真结果并不令人满意。

于是，对电路图中各支臂的尺寸进行调节。

当网络结构的，支臂长度时，可得到参数的曲线走向如下：

从上图中可以得到，

中心频率

将原理图中的负载，，无效化，由原理图直接生成版图，有：

选择中菜单中的以导入原理图中的数据，选择中的——，设置版图仿真中的扫描频率:

对其进行仿真，有：

在其中做出，，，的曲线，如下：

于是在版图仿真中有：

中心频率

和原理图仿真结果有些偏差。

为了在版图中得到的中心频率，对原理图中各支臂微带线的尺寸进行微调，在中观察结果。

当原理图如下时，我们得到更优的仿真结果。

其在中，，，的曲线为：

其中：

中心频率

同时可以得到，的相位曲线：

在中心频率处，有大约的相位差。

（二）

如果同样的介质应用在高频上，考察其性能指标是否可以满足。

将工作频率由低频的改为高频的，那么各支臂微带线的尺寸也要发生变化。

当特性阻抗，电长度时，由计算得到的合适物理尺寸为：

微带线宽度为，长度为；当特性阻抗时，微带线宽度为，长度为。

将这些尺寸值导入到原理图中进行原理图仿真，可以得到在，，，的曲线为

从上图可以看出，在附近，。

假设在端口处接入信号源，则几乎全部的功率都从端口处反射回来。

而在的频率附近，从端口向其他端口的传递系数非常小，，也就是说从其余三个端口输出的功率不到总功率的。

于是，可以得到结论，这种材料作为正交混合微带线网络的介质，不能传输高频信号。

如果将微带线的介质改为陶瓷结构，相对介电常数，介质厚度，工作频率为，同样利用中的对其各支臂微带线尺寸进行综合。

当特性阻抗，电长度时，由计算得到的合适物理尺寸为：

微带线宽度为，长度为；当特性阻抗时，微带线宽度为，长度为。

此时，各支臂微带线的长宽尺寸在一个数量级上，且相对的两支臂也非常接近。

微带线之间的相互耦合会产生分布电容和寄生电容，影响定向耦合器的功率传输。

另外存在的一个实际问题是，在分支耦合器节点处存在不连续效应，会对仿真结果造成一定的影响。

如果将并联臂的电长度增加，将会减小这种影响，因此，在用综合微带线尺寸时，两条特性阻抗为的微带线使用的电长度。

当特性阻抗，电长度为时，由计算得到的合适物理尺寸为：

微带线宽度为，长度为。

同样将这些参数导入到原理图中。

为了方便调整原理图中各支臂的长宽尺寸，定义变量。

只需要改变的值，便可以改变相应的长度或宽度。

不妨假设特性阻抗为的微带线的宽度为，特性阻抗为的微带线的宽度为，长度为的微带线长度，其余微带线长度记为为。

在原理图的中设置扫描频率：

粗略调节各个长宽参数值，并在原理图中仿真并得到，，，的曲线如下：

将原理图中的负载，，无效化，由原理图直接生成版图，得到如下结构：

从上图也可以看出，各支臂之间的距离非常小。

选择中菜单中的以导入原理图中的数据，选择中的——，设置版图仿真中的扫描频率:

对其进行仿真，有：

则其回波损失；

作出的曲线：

由上图可以看出，在曲线上，中心频率偏移较大，此时需要在原理图中对微带线尺寸进一步地调整。

当，，时，在中可以得到的曲线如下：

其中，中心频率

为了使得回波损耗带宽更大，对于原理图中的微带线长宽参数再次进行优化调整。

当，，时，可以得到更加优化的参数指标。

原理图如下：

由之生成版图，对其仿真，得到的曲线如下：

由此可得：

满足我们的设计指标。

的相位曲线如下：

在中心频率处，观测的相位，可以得知的相位相差。

分析在中心频率处的传输系数：

则

可以看出，大概一半的功率从端口分别传递到端口和端口。

而在中心频率处，

所以

功率几乎不会从端口和端口处传出，因此这个结构被称为定向耦合器。

四、心得体会

我感觉这次Project和以往做实验最大的不同是，这次Project的完成更加要依靠自己的自学能力。

以往也有接触过使用一个新学的软件完成一个工程这样的工作，但是基本上都是老师先演示一遍这个软件该如何使用，这个结构该如何设计。

这一次，无论是从软件上来说，还是从Project涉及到的知识内容来说，都是更加让人激动的挑战。

当老师把Project需要完成的内容和指标告诉我们的时候，我们都是茫然的，因为对这些指标我们一点概念都没有。

我大概花了一个礼拜的时间在网上看ADS软件的视频教程，翻阅图书馆的软件教程指导书，也按着书上的步骤做了一些小的工程。

在准备开始做老师布置的Project是，真的感到万事开头难啊！

好在老师在课堂上给了一些关于Project的提示，总算是磕磕绊绊地完成任务。

在最后一个礼拜，大家都开始非常积极地完善自己的Project，我也尝试使自己设计的3dB定向耦合器的性能指标更加优化。

因为老师说过，这个Project的主要作用是为了让我们了解ADS的使用，所以他给的指标要求都非常容易满足，所以我试着调试了很久，最后做出让我觉得比较满意的结果。

我个人很高兴能有这样一个体验的机会，有种将课本上的理论只是通过软件虚拟地应用在实际生活中的感觉。

进入大学以来做实验或者使用一些软件的机会比我想象的少的多，所以每一次这种实际动手或仿真的机会都会让人欢呼。

也许在做Project的过程中会有很多困难，或是软件出现问题，或是指标无法满足，但是完成后的成就感绝对不是做出一道题目所能产生的。

我感觉如果能让学生真正接触这些电路仿真软件或是电磁仿真软件，会提高我们的电子工程师素养。

我以成为一名优秀的工程师为目标在这里学习，非常感谢老师提供一个学习ADS软件，完成基础Project的机会。

五、参考文献

[1]DavidM.Pozar<微波工程（MicrowaveEngineering）>电子工艺出版社

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