2022年实验三定向耦合器推荐 .pdf

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1、南京邮电大学实验报告实验名称： _传输线参数（特征阻抗）的分析与综合威尔金森功分器设计 _ 定向耦合器（ 90/180均可） _ 无源滤波器设计 _ 课程名称 : 微波技术 EDA 姓名：_赵玉蓉 _ 学号：_B10020504_ 小组成员：韩倩（ B10020404 ）丁耀慧（ B10020501 ）开课时间 2012 /2013 学年，第2 学期名师资料总结 - - -精品资料欢迎下载 - - - - - - - - - - - - - - - - - - 名师精心整理 - - - - - - - 第 1 页，共 11 页 - - - - - - - - - 实验三定向耦合器一：实验名称：

2、定向耦合器（ 90/180均可）二：实验目的1. 了解微波 EDA软件的类型和用途；2. 掌握 ADS软件并进行定向耦合器的建模，仿真，优化和调试等任务；3. 了解微波电路仿真软件IE3d 的应用范围和使用方法；4. 分析 ADS中有耗传输线和无耗传输线仿真的异同；5. 分析 ADS Momentum和 IE3d 建模结果的异同。三：实验原理在射频微波电路中， 经常用到多端口网络， 分支定向耦合器是最常用的多端口网络， 它在电路中起到了十分重要的作用， 它能够在固定的参考相位的条件下，分开和组合射频微博端口。（一） 、定向耦合器的基本功能和参数指标定向耦合器是一个4 端口网络，它有输入端口、

3、直通端口、 耦合端口和隔离端口，分别对应图中的1、2、3、4 端口：1 2 4 3 定向耦合器定向耦合器的主要技术指标有耦合度、隔离度、定向性、输入驻波比及工作带宽等，下面介绍上述各指标。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：1210lg()PCdBP引入网络散射参量，耦合度又可以表示为：11233113/ 2110lg10lg20lg()/ 2iilUPCdBPSS U名师资料总结 - - -精品资料欢迎下载 - - - - - - - - - - - - - - - - - - 名师精心整理 - - - - - - - 第 2 页，

4、共 11 页 - - - - - - - - - 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 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、隔离性隔离度 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：1441110lg()20lg()PIdBdBPS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

5、的分贝数来表示定向耦合器的定向性，定向性D表示为：23131324414110lg10lg20lg()SSPDdBPSS隔离端口输出越小，定向性越好，在理想情况下，40P, 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， 输入端的驻波比为定向耦合器的驶入驻波比。输入驻波比为：11111+=1SS5、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。（二）理想微带分支定向耦合器的散射参量为：01000111002010jjSjj由上式可以得出如下结论：因为112233440SSSS, 所以理想

6、情况下在中心频率他的4 个端口是完全匹配的。因为213111,22SjS所以在端口 1 有输入而其他端口匹配时， 端口 2和端口 3 有等幅不同相输出，端口2 输出比端口 1 输人信号滞后90，端口名师资料总结 - - -精品资料欢迎下载 - - - - - - - - - - - - - - - - - - 名师精心整理 - - - - - - - 第 3 页，共 11 页 - - - - - - - - - 3 输出比端口 1 输入信号滞后180。 端口 2 输出和端口 3 输出相位相差90，这是一个90正交 3dB耦合器。因为440S，所以在端口 1 有输入而其他端口匹配时，端口4 无输

7、出。分支线耦合器具有很好的对称性，4 端口中任何一端口均可作为输入端口。因为有/ 4段，所以分支线耦合器不是宽带器件。四：实验任务利用 ADS设计一个 90o正交 3dB 耦合器，这个微带分支定向耦合器的设计技术指标如下：1. 中心频率选为 2.4GHz ；2. 在 2.3GHz 到 2.5GHz 的范围内， S11的取值小于 -20dB；3. 在 2.3GHz 到 2.5GHz 的范围内， S21的取值大于 -3.2dB；4. 在 2.3GHz 到 2.5GHz 的范围内， S31的取值大于 -3.2dB；5. 在 2.3GHz 到 2.5GHz 的范围内， S41的取值小于 -20dB；6

8、. 系统特性阻抗选为50? ；7. 微带线基板的厚度选为0.5mm，基板的相对介电常数选为4.2。五：实验内容1、基于理想传输线模型的原始模型的设计、仿真；2、微带分支定向耦合器原理图的设计、仿真和优化；3、微带分支定向耦合器版图的仿真。六、实验过程描述及分析对比1、基于理想传输线模型的原始模型。如下图：图 1 基于理想传输的模型S11、S21、S31、S41的仿真图如下：名师资料总结 - - -精品资料欢迎下载 - - - - - - - - - - - - - - - - - - 名师精心整理 - - - - - - - 第 4 页，共 11 页 - - - - - - - - - 图 2

9、 理想传输线模型 S参数仿真2、基于有耗传输线模型的微带线模型。利用 ADS微带线的计算工具完成对微带线的计算，在【LineCale 】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4.2 。Mur=1，表示微带线的相对磁导率为1。H=0.5mm ，表示微带基板的厚度为0.5mm 。Hu=1.0e+033mm ，表示微带线的封装高度为1.0e+033mm 。T=0.005mm ，表示微带线的导体层厚度为0.005mm 。Cond=4.1E+7 ，表示微带线的电导率为4.1E+7。TanD=0.0003，表示微带线的损耗角正切为0.00

10、03。Rough=0mm，表示微带线的表面粗糙度为0mm 。Freq=2.4GHz，表示计算时采用频率2.4GHz。Z0=50Ohm ，表示计算时特性阻抗采用50。E_Eff=90deg, 表示计算时微带线的长度时，采用90相移。上述设置完成后， 单击【LineCale 】 计算窗口的 Synthesize 按钮，在 【LineCale 】窗口中显示出计算结果如下W=0.982mm，表示微带线的宽度为0.982mm。L=17.458mm，表示微带线的长度为17.458mm。用同样的方法计算频率为2.4GHz、特性阻抗为 35.355?、相移为 90o时微带线的宽度和长度，微带线基板的参数保持不

11、变，在【LineCale】窗口中显示计算结果如下。W=1.674mm，表示微带线的宽度为1.674mm。L=17.034mm，表示微带线的长度为17.034mm。设计原理图。经过计算，原理图如下所示：名师资料总结 - - -精品资料欢迎下载 - - - - - - - - - - - - - - - - - - 名师精心整理 - - - - - - - 第 5 页，共 11 页 - - - - - - - - - 图 3 微带线模型其中 MSUB 控件的 Rough=0mm，表示微带线表面粗糙度为0mm 。基于原理图的矩量法仿真仿真结果如下图所示：图 4 微带线模型 S 参数仿真由图可知， S

12、11、S21、S31、S41在中心频率处曲线满足技术指标。名师资料总结 - - -精品资料欢迎下载 - - - - - - - - - - - - - - - - - - 名师精心整理 - - - - - - - 第 6 页，共 11 页 - - - - - - - - - 图 5 微带线模型 S 参数仿真但是由上图可知，S11在 2.5GHz处的值为 -16.847dB，S21在 2.3GHz处的频率为-3.098dB ，均不满足技术指标。需要重新调整原理图，然后重新仿真，直到满足技术指标为止。即需要优化。微带分支定向耦合器的优化将微带线段 TL3、TL4的长度设为 L1mm 、TL7、TL

13、8的长度设为 L2mm ，插入控件【 VAR 】 ，将 L1、L2 设置为变量。其中L1 的范围为 15to19，L2 的范围为15.5to19.5 。插入 4 个目标控件 Goal，对其进行设置，使其依次的期望值为用dB表示的 S11、S21、S31、S41。插入优化控件Optim，设置器优化方式为Random ，优化次数为 50 次。现在对原理图进行仿真，单击【Simulate 】图标，运行仿真，仿真过程中弹出了仿真状态窗口， 记录了频率扫描范围、 变量取值和仿真花费的时间等。仿真结束后，选择【 Simulate 】菜单的【 Update Optimization Values】命令，将优

14、化后的结果保存在原理图中。仿真状态窗口如下图：图 6 状态窗口参数名师资料总结 - - -精品资料欢迎下载 - - - - - - - - - - - - - - - - - - 名师精心整理 - - - - - - - 第 7 页，共 11 页 - - - - - - - - - 从图中可以得出，优化后的微带线值如下：L1=16.28mm ，L2=17.14mm 。优化花费的时间为 1.84 秒。单击原理图工具栏中的【Tuning】按钮，可以调整变量的值，如图所示：图 7 Tuning 键调整窗口S11、S21、S31、S41的曲线如下图：图 8 优化后的 S 参数曲线名师资料总结 - -

15、-精品资料欢迎下载 - - - - - - - - - - - - - - - - - - 名师精心整理 - - - - - - - 第 8 页，共 11 页 - - - - - - - - - 图 9 S 参数曲线由图可以看出， S11、S21、S31、S41的值满足设计指标，优化完成。3. 基于版图 (Layout) 的矩量法仿真将上述的原理图做如下调整，如图所示：图 10 原理图选择【 Layout 】菜单的【 Generate/Update Layout】, 完成版图的生成过程。版图中的实际微带线模型如下图所示：名师资料总结 - - -精品资料欢迎下载 - - - - - - - -

16、- - - - - - - - - - 名师精心整理 - - - - - - - 第 9 页，共 11 页 - - - - - - - - - 图 11 版图选择版图视窗中的【 Momentum 】菜单中的【 Simulate 】下的【 S-Paramate】命令，进行相关设置。单击仿真控制【Simulate Control】窗口中的Simulate按钮，开始仿真，此次仿真花费时间较长。S11、S21、S31、S41的曲线如下图：图 12 版图 S参数仿真曲线名师资料总结 - - -精品资料欢迎下载 - - - - - - - - - - - - - - - - - - 名师精心整理 - -

17、- - - - - 第 10 页，共 11 页 - - - - - - - - - 图 13 S 参数仿真曲线由图可以看出， S11、S21、S31、S41的值满足设计指标。4. 结果对比整体来说，理想传输线的 S 参数仿真曲线更为完美， 但实际应该以矩量法的仿真结果为准。理想传输线模型下S11的值在 2.4GHz频率下取得最小值， 矩量法也是在中心频率下得到最小值。S21参数在理想传输线下的情况的值是-3dB，而在微带线模型下， S21的值接近于-3dB，这与我们的设计思路相符合。S31的值在理想传输线模型下和微带线模型下的值都接近于-3dB，不同的是理想情况下跟接近一点，并且曲线更平滑。S41的值在理想传输线模型下于中心频率下降的最低，而在微带线模型下，讲的最低的值不在中心频率下，而是有点偏离。七：心得体会经过此次实验，我已经能较为熟练掌握ADS等相关软件，对于微波电路EDA这门课也有了更深的认识。 作为一名电磁场专业的学生， 我深深体会到这个软件的重要性，这也激励了我更加努力的学习。名师资料总结 - - -精品资料欢迎下载 - - - - - - - - - - - - - - - - - - 名师精心整理 - - - - - - - 第 11 页，共 11 页 - - - - - - - - -