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1、一、设计要求：设计 3dB 微带分支定向耦合器已知条件：微带线介质基片厚度h=0.5mm,sr=4.2。指标要求：1）通带：50MHz2）耦合度：3dB3）中心频率：1.8GHz4）输入输出阻抗：50Q二、理论分析：2.1 结构分析在一些电桥电路及平衡混频器等元件中，常用到分支线定向耦合器，微带二 分支定向耦合器如下图所示，图中的字母 G、H 和数字 1 是各线段特性导纳的 归一化值（对 50 欧姆阻抗对应的导纳值归一化），因各端口的导纳值相同，所 以又称为等阻二分支定向耦合器。Ag*l（G）H (Zb)Ag2/4(zG A1(3) 之_-当功率由(1)臂输入时，(2)、(3)两臂有输出；理想
2、情况下，(4)臂无 功率输出，故(4)臂是隔离臂，(2)、(3)两臂的输出可按一定的比例分配， 若(2)、(3)两臂的输出功率相同，都等于输入功率的一半，则成为3dB定向 耦合器或3dB分支电桥。利用奇偶模分析法，将上述电路在中心线 AA1 处切开，此时可将两条线(1) -(2)及(3)-(4)从A-A1面分开来考虑，这样将四端口网络转换为二端口网络，上下是对称的。所以利用各端口理想的匹配及( 1)(4)端口之间理想的隔离条件，得出下列公式u 3u 4 =- jC = 20 lg U Ju 3=20lg G 2 + 1GHG 2 + 1 = H 2其中c称为定向耦合器的耦合度,(1)(2)(3
3、)u1、u2、u3 分别为(1)口输入电压和2)(3)口输出电压，可见(2)口和(3)口的输出电相位垄95(度，对a Y aY a0Z = 35.30b Y bYb0与3dB定向耦合器(C = 3dB)代入上式得:G = 1,H 二、辽2.2 主要技术指标含量定向耦合器性能的主要技术指标有耦合度、定向性、隔离度、输入电压 驻波比和频带宽度。(1) 耦合度 C当端口 1接信号源，端口 2、3、4均接匹配负载时，端口 1的输入功率pl与端口 2的输出功率p2之比的分贝数为该定向耦合器的耦合度C,则(2) 方向性系数D端口 2的输出功率p2与端口 3的输出功率p3之比的分贝为定向耦合 器的方向性系数
4、D,贝I(3) 隔离度I端口 1的输入功率pl与端口 2的输出功率p3之比的分贝数为该定向 耦合器的隔离度I,贝I(4) 输入电压驻波比指定向耦合器直通端口4、反向耦合端口2、隔离端口3都匹配负载时, 在输入端口1测量到的驻波系数。(5) 频带宽度 频带宽度是指当耦合度及输入驻波比都满足指标要求时定向耦合器的工 作频带宽度。对于一个理想的定向耦合起器，p3=0, S31=0, I趋向于无穷大三、原理图设计及仿真分析：3.1 原理图设计(1)运行ADS,会弹出ADS开始运行的画面，随后会打开FADS主窗口选择【FILE】f【New Project命令，输入工程名BLCoupler_prj。单击
5、ok,在工具栏点击【save命令后新的工程建立完成。(2) 创建原理图BLCouplerl,并利用ADS微带线的计算工具完成对微带线 的计算。原理图BLCouplerl上，选择【tools】-【LineCalc】-【StartLineCalc】 就弹出如下计算窗口。微带基板参数设置H=0.5mm 微带基片厚度Er=4.2 基片相对介电常数Mur=1 相对磁导率为1Cond=4.1e+7 微带金属片导电率 Hu=15 mm 微带电路封装高lain TanrdMum=1TftmvTkni2Num=2Z=5DOimMUM .HISutat-MSutjrhT=8.0r3 mm；h微带金属厚度織anD=
6、0:0003损耗角正切期也箔羽38 min*1 c 0.98：Rough=0mmM-:z AD5MUN. * * .TL38utat=MSubr-I. TlE.ADSTLJ5WJr1 67447Dm(n一：1.67W7Q mmW2k 6826 m m微带线表面不平整度；:也SHlstMSufcrMTEE、负载终端Term,L =23.2877 mmTL7 SUbsl-Subl在原理图的元件面板列表上添加微带线MLIN按如下原理图设置各个元件的参数。Term-4 MUM TL2- Z-KOhm.能Q.982血 mmL-2.5 mm-Mi EE_ADSMUW -J . - 5ub5=M5ub1Su
7、teMSutjTW1=1.&74470 inm此 1呼冋 m.mW2=O.902a3fi mmL-22.726 mmW3-Q.983336 mmMTEE_AD号 IWIsuterusubr W1=0 BKZOmm W2=i 674470 mm W3=0.&82a36mm-MLIN- TbS - Sdb5t=,MSubT, W-D.S32&36 mm 1=25 mmTpth Tamil Num=3 - Z-50Ohm3.2 原理图仿真（1）对 S 参数仿真控件 SP 进行设置，设置如下S-R/kRAME Te FSS. Para m一.sniSt曰rt=1 .5 GFIntop=2. H GIn
8、Step=O.O1 GHn3）点击原理图工具栏上的按钮，进行仿真，初步得带如下波形t re q-= 1 .SOOCHz0 呂EDL-1 )=-26.063MslgpS11 参数值曲线m2fre口 = 1. SOOGHz丽. OHSII GIDS21 参数值曲线S31 参数值曲线S41 参数值曲线从图中可以看出，S11和S41参数曲线在1.8GHZ处的值都在-35dB以下, 说明该设计的分支线耦合器的端口反射系数和端口间隔离度达到了预计效果，但 是还不怎么足够。端口到3端口以及1端口到2端口的都有3dB左右的衰减, 可以接受这个结果；四、原理图优化、版图生成及仿真4.1 原理图优化(1)将微带线
9、(TL3、TL4)、(TL7、TL8)中L分别设置成变量L1，L2,加 入变量【VAR】控件进行设置L1为22.0331(18.726.7)，L2为 22.8295(19.227.2)具体如下：(2)在原理图上添加优化控件optim目标控件Goal，具体设置如下:GOL.GOAL .goal.QPT1MGoai Gci铀自GoaOpfimOpnmGoS2OptimGasJJlptnG0f14Opt ndDpf=,dES(1 1)EY-BdBl：S(2 1JBflfx-dBiSta iwBipBH印黑4JrGrtJHiTi,pe=RaridoniSmlnslaneNam&=SP 1BSiml n
10、sncaNan&,sp 1Slml n siarKRNan WSP1amlnslancaNlamQ=SPT,MffillHS=iODMln=Me 二30Mn=-30M|n=Cesir&dErr=D DMw=閘脳=20StatijsLeelilWeighsWeighl=Weight恤顾=FinalAn a lysis -NoneRangBVarflJ-TrBqRngeVar|1=Bteq!，RangeVarflJfreq斶lgeUErfl二怖 eq“Normal asi3oals=nflRan g&1ir1317GHz只日叩eMm牛1 7GHz讯叩 eMn1|=1 TWIzRancid ir(1
11、z1 7GHzSs9e5fvfelue5-y esRigeh1eii|i|= 1.9GHz.Seed 二Save妙5*5 . Ssr曲Go制护、乜 rOplffiiVa,i=noEawe Wm n# NOSa曲tons,二 n U&AJhjoals=arasSa&CurraritEF=no3）再点击原理图工具栏上的按钮，进行优化后的仿真。优化后S11参数值曲线mlfrq=1 800GHz dB(S(1J)=-46.867_二工巴BPm2fne 口 =1.300GH )=-3.G77aprirnr=7,i优化后S21参数值曲线mArreql .600 GHz dBS(斗日.却0 口 ptlter
12、79优化后S41参数值曲线优化后S31参数值曲线从优化的结果看，S11参数曲线和S41参数曲线在1.8GHZ处的值都 在-35dB（隔离度）以下，1端口到3端口以及从1端口到2端口都有3dB左右 的衰减，比优化前的参数更精确了，完全符合要求，达到预计效果。4.2版图生成及仿真（1）在微带分支定向耦合器原理图视窗上，去掉4个端口 Term、接地及优化 控件optim，不让它们生成在版图中。（2）选择原理图上的【Layout】f【Generate/Update Layout】弹出设置 窗口，默认它的设置，点击【OK】后即能生成版图窗口。3）在版图视窗中对版图进行仿真可得波形版图S11参数值曲线版图
13、S21参数值曲线版图 S31 参数值曲线版图 S41 参数值曲线所得参数曲线和优化后原理图的仿真完全一样，说明原理图和版图的生 XX 是能 达到设计的要求。五、心得体会为期一个学期的ADS设计已经结束，我们这次设计是建立在微波基本理论的 基础上，用分解的设计方法进行设计的，将一个四端口的网络设计转化为二端口网络的设计。设计过程中得到如下体会：（1）要对自己设计的系统或者电路的性能有一定的把握，不然我们无法理 解仿真出来曲线体现出来的特性。（2）要对仿真器有比较明了的认识，只有对仿真器的功能及仿真原理有认 识，才可以运用自如，才能较快的搭出仿真原理图，得到自己想要的特性曲线。（3）自在仿真过程遇到难题，我们要敢于去解决它，迎难而上。（4）通过这次仿真，对设计的定向分支耦合器的原理有了较深的理解。（5）仿真过程，了解FADS的功能，也体会到了它功能的强大，还可以进行通信系统仿真、CDMA等六、参考文献【1】黄玉兰编著，电磁场与微波技术。人民邮电，2010。【2】黄玉兰编著，ADS射频电路设计基础与典型应用。人民邮电，2010
