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1、微波/毫米波电路分析与设计课程设计Rat-race Ring Design姓名：吴星寒学号：912104220246专业:通信工程指导老师：李兆龙Rat-race RingMicrostrip 180 hybrid coupler(rat-race ring) is an important RF/microwave component in 4G/5G and WPAN wireless communication industry.Task & Requirements:Design such a component working at 24.125 GHz, using substra
2、te RT/duroid 6002, 20mil thickness.Requirements: 20dB return loss bandwidth 6% 20dB isolation bandwidth 6% Amplitude imbalance 1dB Insertion Loss 1dB实验设计原理:Rate-race ring即微带环形耦合器或者混合环，是四端口网络，可以由微带线 制成。整个环的周长为1.5九，四个分支线并联在环上，将环分为4段。混合环有两个端口相互隔离，另外两个端口平分输入功率的特性，因此可以 看作是一个3dB定向耦合器。当端口 1输入信号时，到达端口 2的两路信
3、号等幅同相，端口 2有输出，相 位滞后90；达到端口 4的两路信号等幅反相，端口 4无输出；达到端口 3的两 路信号等幅同相，端口 3有输出，相位滞后90o其中端口 2和端口 3输出振幅 相同。得到如下关系式：S31=S21= 1/曲S41=0_端口 2输入信号时，到达端口 1的两路信号等幅同相，端口 1有输出，相位 滞后90；到达端口 4的两路信号等幅同相，端口 4有输出，相位滞后70；到 达端口 3的两路信号等幅反相，端口 3无输出。其中端口 1和端口 4输出振幅相 同。得到如下关系式：S12= 1/畑)S42= Z j、亠、S32=0亠_、当端口4输入信号时，到达端口 1的两路信号等幅反
4、相，端口 1无输出； 到达端口 2的两路信号等幅同相，端口 2有输出，相位滞后270；到达端口 3 的两路信号等幅同相，端口 3有输出，相位滞后90o其中端口 2和端口 3输出 振幅相同。得到如下关系式：S14=0S24=l/2 jS34=1/2 (-j)号等当端口 3输入信号时，到达端口 1的两路信号等幅同相，端口 1有输出，相 位滞后90；到达端口 2的两路信号等幅反相，端口 2无输出；到达端口 4的两 路信号等幅同相，端口 4有输出，相位滞后90。其中端口 1和端口 4输出振幅 相同。得到如下关系式：S13= 1/畑)S23=0S43=l/2 (-j)实验设计步骤：1、创建 Projec
5、t创建一个混合环prj,我们所设计的原理图及仿真结果都将保存在这个项目 中，将此工程命名为ratracering，长度单位设为mil。创建完成及之后的路径如下：File View Froj ect Vi ew- p D:U sersSa ntiratra ceri ri g_pij葩 DA_RRCou pl er 1 _rat_r a ceri n g. d snrat_racering.dsn2、搭建混合环原理图在原理图元件面板列表上选择Tlines-Microstrip中的微带线参数设置控件MSub和Passive Circuit DG - Microstrip Circuits中的混合环
6、元件RRCplr,将他们插 入原理图，画图区参数设置如下：MSUBMSublH=20.0 milEr=2.94Mur=1Cond=1.0E+50Hu=3.9e+034 milT=0.6 mm1anD=0.0012RoughO milDA_RRCoupler1_rat_raceringDA_RRCoupler1 Subst=p,MSub1?F=24.125GHzZo=50 OhmDelta=0 milMSub注：Msub中H表示微带线基板厚度；Er表示基板相对介电常数;Mur表示相对磁导率； Cond表示相对电导率；Hu表示封装高度； T表示导体层厚度；TanD表示损耗角正切； Rough表示表
7、面粗糙度；RRCplr中Subst表示参数由Msub 1决定；F表示混合环中心频率；Z0表示四个端口传输线特性阻抗； Delta表示用于调谐的分支长度增加量3、利用设计向导生成混合环原理图选中RRcoupler电路，选择DesignGuid菜单中的Passive Circuit，弹出对话框, 选中对话框中的 Microstrip Control Window，弹出 Passive Circuit DesignGuid，选 择Design Assistant中的Design，系统将自动完成设计过程所得结果如下：MITEE Tee2 SubstMSubr W1 =29.387 mil . W2=2
8、9.387 milW3= 52.797 mil MCURVE.Cuive2 Subst=MSubr W =29.387 mil - Angle=6D -Radius25.47 mil .MCURVE.CurvelSubst=*MSub1 W =29.387 mil - Angle=60 -Radius=25.407 mil .MTEE Teel Subst=-MSubr .W 1=29.387 mil .W2=29.387milW 3=52.797 mil MCURVECurves SubstMSubd- W =29.387 mil Angle=fi0.Radius=25.407 milMTE
9、E 1ee3 Subst=MSubr .W 1=29.387 mil . W2=29.387 milW 3=52.797 mil Port.I R3Num=3 Port1 P4 .Num=4. Port P2 .Num=2VPort -P1 .Num=1Ml CURVE.CurvesSubst=M Sub1*-W=29.387mil -Angle=60 .Radius=25.4D7.miLMTEE fee4 -SubstMSubr- .W1=29.3B7mil. _W2=29.3S7mil.W 3=52.797 milMLIN -TL2.SubstMSublW =29.387* mi i1=5
10、1797 milMCURVE- Cuive5. Subst=M Sub.r . W =29.387 mil Angle=6D Radius=254O7 mil MLIN -.TL1.Subst=；MSubrW =29.337 mil11 二5279了 mil MCURVECiifve4 SubstM Subr W=29.387mil .Angle=6D .Radius=25.4D7 mil4、选择MLIN、Term和Ground , 4次插入原理图画图区。将4个Port部分删除，在此电路图中插入微带线参数控件MSub，和S参数仿 真元件并设置如图所示参数：S参数扫描控件参数意思如下：Start
11、=20.125 GHz,表示频率扫描的起始频率; Stop=28.125GHz，表示频率扫描的终止频率； Step=0.05 GHz，表示频率扫描的频率间隔。5、计算微带线参数W和L并完成最终原理图选中MLIN,选择Tool中的LineCalc,选择Start LineCalc将MSub中的参数及 中心频率填入弹出框中并计算，所得结果如图所示：将所得W=40.715748mil和L=207.199606参数赋给原理图中的MLI N,但仿真出的中心频率偏离要求的24.124较远，经反复调试参数，得到最终原理图： S_P ara ms_Quad_d B_S mithAngle=60Radius25
12、.407 milS-PARAME.TERS.MTEE 1ee2 -Subst =.MSub1. yv 1=29.387 mil . W2=29.387 milVV3=52.797 niil *MCURVE. Curve2 Subst=MSub1 W =29.387 milMTEE -Iee3 - Subst=：MSubF vy 1=29.387 mjlW2=29.387 mil W 3=52797 milTermTerm1Num=1 Z=5Q Ohm -MCURVE.Curvel Subst=taMSubr W=29.387 milAngle=60Radius.=25.4Q7 milMLIN
13、TL3Subst=MSub1.VV=66.5 mil zZL=238 mil flT-*MCURVE半巳NCurve3TL4 Siibst=-MSub1* 级豐二MSubT *=29387 mil -=66.5 mil. . Ang|e=60 .)L=238 mil Radius=25.407.mil-Teel 广7ee4. W 1=29.387 mil_J:W 1=29.387 mil.W2=29.387 milW 3=52.797 milTerm&_HaramSP1Start=20.125 GHzl .Stop=28.125GHzTerm2Step=0.05GHzNum=2Z=50 OhmJerm Jerm3.Nurn=3W 2=29.387 milSubSt=-MSubrW3=5Z797milW =66.5 milZ=50 Ohm L=238 milMCURVECurvesSubst=-MSub1W=29.387 milAngle=?6D.Radius=25.407 milMLIN MCURVE -TL2 .Curve5.Subst=；MSub1 . Subst=M Sub.1W=29.387 mil W =29.387 milMLIN TL1 . Subst=MSubr W =29.387 milMCURVECirve4 Subst =MSub1*W=29.387
