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1、 2013-2014学年第一学期学生报告学生作业 实验报告 课程设计报告 学习心得报告课程名称： 电磁理论，计算与应用 教学班号： 份 数： 1 授课教师： 吕昕、吴昱明 本科实验报告实验名称： 平行耦合微带线定向耦合器设计 课程名称：电磁理论计算与应用实验时间：2013.12任课教师：吕昕实验地点：宿舍，教室实验教师：吴昱明实验类型： 原理验证 综合设计 自主创新学生姓名：高畅学号/班级：/组 号：学 院：信息与电子学院同组搭档：专 业：信息工程本硕博成 绩：平行耦合微带线定向耦合器一、 实验目的1. 掌握微带定向耦合器的工作原理、用途。定向耦合器各端口电压驻波比或者回波损耗，传输损耗、耦合
2、度、隔离度等基本概念。2. 熟悉微波设计两大软件，ADS,HFSS的使用二、实验内容用矢量网络分析仪测试定向耦合器在一定频率范围内的各端口S参数。三、基本原理定向耦合器又称为方向耦合器，因为这种器件的输入和输出信号之间除了幅度关系外，还有一定的方向性关系，在微波集成电路中往往将侧边耦合的传输线型耦合器叫做定向耦合器。可用于信号的隔离、分离和混合，如功率的监测、源输出功率稳幅、信号源隔离、传输和反射的扫频测试等。定向耦合器由传输线构成，同轴线、矩形波导、圆波导、带状线和微带线都可构成定向耦合器，所以从结构来看定向耦合器种类繁多，差异很大。但从它的耦合机理来看主要分为四种，即小孔耦合、平行耦合、分
3、支耦合以及匹配双T。耦合口 隔离口 输入口 直通口 图1本实验采用的设计模型是耦合微带线定向耦合器模型，结构如图1所示，如果信号功率自端口1输入，则端口2为直接输出端口，端口3为耦合输出端口，端口4是隔离端口，理想状态下此端口应该没有功率输出。此种定向耦合器由于耦合输出功率的传递方向和输入功率传输方向相反。耦合器的几个重要指标是耦合度C、方向性D（或者隔离度I），输入端电压驻波比和工作带宽等，定义分别为：1、耦合度耦合度C定义为输入端口的输入功率P1和耦合端口P3之比的分贝数，耦合度C表示为： 耦合度的分贝数越大耦合越弱，通常把耦合度为0dB10dB的定向耦合器称为强耦合定向耦合器，把耦合度为
4、10dB20dB的定向耦合器称为中等耦合定向耦合器，把耦合度大于20dB的定向耦合器称为弱耦合定向耦合器。2、隔离度隔离度I定义为输入端口的输入功率P1和隔离窗口的输出功率P4之比的分贝数，隔离度I表示为：理想状态下，隔离度为无穷大。3、定向性D 在理想情况下，隔离端口应没有输出功率，但由于设计公式及制作精度的限制，使隔离端口有一些功率输出。通常采用耦合端口与隔离端口输出功率之比的分贝数来表示定向耦合器的定向性，定向性D表示为：隔离端口输出越小，定向性越好，在理想情况下，,定向性D无穷大，实际使用中常对定向性提出一个最小值。4、输出驻波比定向耦合器除输入端口外，其余各端口均接上匹配负载时，输入
5、端的驻波比为定向耦合器的驶入驻波比。输入驻波比为：5、工作频带宽度满足定向耦合器技术指标的频率范围，为工作频带宽度，简称为工作带宽。四、技术指标要求1.中心频率选为3.7GHz，工作频带宽度为200MHz；2.耦合度为10dB;3.在3.6GHz3.8GHz范围内，方向性D的取值大于25dB;4.在3.6GHz3.8GHz范围内，插入损耗小于0.5dB;5.在3.6GHz3.8GHz范围内，端口驻波比小于2。五、设计步骤1.参数指标的计算。由各参数指标公式算得：s11-10dBs22-10dBs33-10dBs21-0.5dBs31=-10dBs41-15dB2.利用ADS进行粗略的仿真，优化
6、。（1）在原理图Schematic文件上，选择【Tools】【LineCalc】【Start LineCalc】命令，在【LineCalc】计算窗口，在已知传输线的特性阻抗和相移的前提下，可以计算出微带线的宽度和长度。在【LineCalc】计算窗口选择如下。Type选择为MLIN，意为计算微带线。Er=4.2，表示微带线基板的相对介电常数为2.65。Mur=1，表示微带线的相对磁导率为1。H=0.8mm，表示微带基板的厚度为0.8mm。Hu=1.0e+033mm，表示微带线的封装高度为1.0e+033mm。T=0.035mm，表示微带线的导体层厚度为0.035mm。Cond=4.1E+7，表示
7、微带线的电导率为5.8E+7。TanD=0.0003，表示微带线的损耗角正切为0.0003。Rough=0mm，表示微带线的表面粗糙度为0mm。Freq=3.7GHz，表示计算时采用频率3.7GHz。Z0=50Ohm，表示计算时特性阻抗采用50欧姆。E_Eff=90deg, 表示计算时微带线的长度时，采用90度相移。上述设置完成后，单击【LineCalc】窗口中的【Synthesize】，显示出计算结果如下所示：W=2.1393mm，表示微带线的宽度为2.1393mm。L=13.7057mm，表示微带线的长度为13.7057mm。（2）使用ADS计算出微带定向耦合器的参数根据微带耦合器奇模和偶
8、模特性阻抗计算公式：因为耦合度为10dB，所以c=10，得到微带耦合器的奇模、偶模分别为：Zoe=69.3715Zoo=36.038计算得到耦合区长度L=14.1068mm耦合区间距S=0.1479mm微带线线宽w=1.7482mm（3）在ADS上搭建平行耦合微带线模型，如图2： 图2（4）在ADS上对模型进行仿真，优化，最后得到与符合设计指标要求的各参数图，如图33.利用HFSS进行进一步的仿真，优化（1）在新建工程中建立耦合微带线定向耦合器模型，如图5。微带线选用copper材料，基板选择自己根据freq4材料clone的介电常数为2.65；tan los为0的60.5mm*39.5mm的
9、材料；空气盒子选为真空，距离各个基板面20mm。a. 激励选择波端口激励，边界条件为理想磁导体边界。b. 将微带线宽度，长度，耦合区长度，宽度，间距设为变量。具体值如图4。 图4 图5（2） 对模型进行仿真，优化。a.扫描频率为3.3GHz-4.1GHz，中心频率为3.7GHz，步进频率为0.01GHz。b.优化参数设置如图5。 图5最后优化得到最符合设计指标要求的值： l1=13.7057mm l2=14.3068mm w1=2.13973mm w2=1.7482mm s2=0.mm优化后得到的各参数指标如图6,7,8,9,10 图6 图7 图8 图9 图10 图11七、实验分析1.由于AD
10、S和HFSS基于的仿真原理不同，所以两软件的仿真结果会有一些差异。另外，ADS的条件设置并不如HFSS周密，严谨，没有边界条件，端口激励，求解方式等条件的设置，是一个过于理想化的界面，所以得到的数据也会过于理想化，与现实差距较大。而HFSS相对来说考虑的因素比ADS多，所以数据与ADS有一定差异。相比较之下，HFSS是较更严谨的软件，所以一般情况下，先用ADS进行粗略的优化，然后再用HFSS进行进一步的优化。2.因为我做的耦合器频率较高，所以设计的指标可能会与要求的有一点误差，比如S21会有一点不能达到要求。八、实验心得本次实验可以说我自认为我个人下的功夫是比较大的。最开始先设计了滤波器，然后
11、由于滤波器的频率有一些问题，吴老师说可能实物会做不出来，于是改成可定向耦合器。最开始，我是按照老师给的参考书来设计定向耦合器的，但是我发现分支定向耦合器的插损一直无法达到设计指标的要求，而且相差很多，无法优化。于是我查阅了很多相关资料，发现利用这种模型设计的耦合器它的耦合度是固定的，为3dB，而耦合度与插损也是有关，且相对应的，耦合度为3dB的耦合器对应的插损为大约3.5dB,于是我发现这个模型是不能用的。这样只能重新找新的模型。经过老师指导，我发现平行耦合微带线定向耦合器模型可以自己设置耦合度进行计算耦合区的参数，于是我参考了网上的一些文章和老师给的实物图，又建立了新的模型。但是这里又遇到了
12、新的问题，按理说我设计的耦合度为10dB的定向耦合器插损是在0.7dB左右，但我在优化的过程中始终是1.1dB，不能达到规定的0.5dB，我以为是由于我设计的频率太高，不能达到要求。但在课上通过与老师和同学交流，我发现我忽略了基板材料损耗值的设计问题，我的损耗值设置的过大，于是我又将这里改正，进行优化，这次，终于全部都达到的指标。总体来说，这次实验我收获还是很大的，从对软件的一无所知，无从下手，到对两个软件的熟练应用，从对原理的不理解，到逐渐对理论知识有了感性深入的认识，我想，这对于我来说都是有很大帮助的。我个人是一个比较独立，什么事都想做好的人，所以当老师一布置下任务，就开始咨询学长，当然这期间也麻烦了很多学长和老师。我认为，这个实验的安排还是很有意义的，但是我觉得这学期学习的相关理论知识有一点少，例如耦合微带线，特性阻抗等还没有系统学习，这让我在实验最开始理解起来非常困难，通过自己学习和学长讲解才能够勉强理解，我想，如果再多上一阵课，做这个实验的话，我可能会受益更多，理解更透彻，也不会出现最开始的慌乱状态。九、致谢十分感谢给我们提供参考资料的11级本硕博学长邓云开。以及微波所的热心肠的孙正阳学长，特别积极的帮我们联系，关心我们的问题和进展。还有最开始在百忙
