南京郵電大學(xué)實(shí)驗(yàn)報(bào)告實(shí)驗(yàn)名稱：傳輸線參數(shù)(特征阻抗)的分析與綜合威爾金森功分器設(shè)計(jì)定向耦合器(90/180。均可)無源濾波器設(shè)計(jì)―課程名稱：微波技術(shù)EDA姓名：趙玉蓉學(xué)號(hào)：B10020504小組成員:韓倩(B10020404)丁耀慧(B10020501)開課時(shí)間2012/2013學(xué)年，第2學(xué)期

實(shí)驗(yàn)三定向耦合器一：實(shí)驗(yàn)名稱：定向耦合器（90/180°均可）二：實(shí)驗(yàn)?zāi)康牧私馕⒉‥DA軟件的類型和用途；掌握ADS軟件并進(jìn)行定向耦合器的建模，仿真，優(yōu)化和調(diào)試等任務(wù)；了解微波電路仿真軟件IE3d的應(yīng)用范圍和使用方法；分析ADS中有耗傳輸線和無耗傳輸線仿真的異同；分析ADSMomentum和IE3d建模結(jié)果的異同。三：實(shí)驗(yàn)原理在射頻微波電路中，經(jīng)常用到多端口網(wǎng)絡(luò)，分支定向耦合器是最常用的多端口網(wǎng)絡(luò)，它在電路中起到了十分重要的作用，它能夠在固定的參考相位的條件下，分開和組合射頻微博端口。（一）、定向耦合器的基本功能和參數(shù)指標(biāo)定向耦合器是一個(gè)4端口網(wǎng)絡(luò)，它有輸入端口、直通端口、耦合端口和隔離端口，分別對(duì)應(yīng)圖中的1、2、3、4端口：定向耦合器定向耦合器的主要技術(shù)指標(biāo)有耦合度、隔離度、定向性、輸入駐波比及工作帶寬等，下面介紹上述各指標(biāo)。1、耦合度耦合度C定義為輸入端口的輸入功率P1和耦合端口P3之比的分貝數(shù)，耦合度C表示為：C=10lgP（dB）2U]/2

S13"』2/2=20lg—U]/2

S13"』2/2=20lg—(dB)S31PC=10lg1=10lg3

耦合度的分貝數(shù)越大耦合越弱，通常把耦合度為0dB?10dB的定向耦合器稱為強(qiáng)耦合定向耦合器，把耦合度為10dB~20dB的定向耦合器稱為中等耦合定向耦合器，把耦合度大于20dB的定向耦合器稱為弱耦合定向耦合器。2、隔離性隔離度I定義為輸入端口的輸入功率P1和隔離窗口的輸出功率P4之比的分貝數(shù)，隔離度I表示為：I=10lg3（dB）=20lg4（dB）P4也1理想狀態(tài)下，隔離度為無窮大。3、定向性D在理想情況下，隔離端口應(yīng)沒有輸出功率，但由于設(shè)計(jì)公式及制作精度的限制，使隔離端口有一些功率輸出。通常采用耦合端口與隔離端口輸出功率之比的分貝數(shù)來表示定向耦合器的定向性，定向性D表示為：…P…D=101g節(jié)=…P…D=101g節(jié)=101g4I41'隔離端口輸出越小，定向性越好，在理想情況下，P4=0，定向性D無窮大，2S41實(shí)際使用中常對(duì)定向性提出一個(gè)最小值。4、輸出駐波比定向耦合器除輸入端口外，其余各端口均接上匹配負(fù)載時(shí)，輸入端的駐波比為定向耦合器的駛?cè)腭v波比。輸入駐波比為：P二中1-S1115、工作頻帶寬度滿足定向耦合器技術(shù)指標(biāo)的頻率范圍，為工作頻帶寬度，簡(jiǎn)稱為工作帶寬。（二）理想微帶分支定向耦合器的散射參量為：0

j

1

0j0

j

1

0j001100j01j0由上式可以得出如下結(jié)論:二七4=0，所以理想情況下在中心頻率他的4個(gè)端口是完?因?yàn)镾21=—j%,S31二七4=0，所以理想情況下在中心頻率他的4個(gè)端口是完?因?yàn)镾21=—j%,S31-L,所以在端口1有輸入而其他端口匹配時(shí)，端口2<2和端口3有等幅不同相輸出，端口2輸出比端口1輸人信號(hào)滯后900，端口

3輸出比端口1輸入信號(hào)滯后1800。端口2輸出和端口3輸出相位相差90。這是一個(gè)90o正交3dB耦合器。因?yàn)镾44=0，所以在端口1有輸入而其他端口匹配時(shí)，端口4無輸出。分支線耦合器具有很好的對(duì)稱性，4端口中任何一端口均可作為輸入端口。因?yàn)橛腥?4段，所以分支線耦合器不是寬帶器件。四：實(shí)驗(yàn)任務(wù)利用ADS設(shè)計(jì)一個(gè)90°正交3dB耦合器，這個(gè)微帶分支定向耦合器的設(shè)計(jì)技術(shù)指標(biāo)如下：中心頻率選為2.4GHz；在2.3GHz到2.5GHz的范圍內(nèi)，S11的取值小于-20dB；在2.3GHz到2.5GHz的范圍內(nèi)，S21的取值大于-3.2dB；在2.3GHz到2.5GHz的范圍內(nèi)，S31的取值大于-3.2dB；在2.3GHz到2.5GHz的范圍內(nèi)，S41的取值小于-20dB；系統(tǒng)特性阻抗選為50；微帶線基板的厚度選為0.5mm，基板的相對(duì)介電常數(shù)選為4.2。五：實(shí)驗(yàn)內(nèi)容1、基于理想傳輸線模型的原始模型的設(shè)計(jì)、仿真；2、微帶分支定向耦合器原理圖的設(shè)計(jì)、仿真和優(yōu)化；3、微帶分支定向耦合器版圖的仿真。六、實(shí)驗(yàn)過程描述及分析對(duì)比1、基于理想傳輸線模型的原始模型。如下圖：圖1基于理想傳輸?shù)哪Ｐ?1、21、31、11、21、31、41nfreqGHz圖2理想傳輸線模型S參數(shù)仿真2、基于有耗傳輸線模型的微帶線模型。利用ADS微帶線的計(jì)算工具完成對(duì)微帶線的計(jì)算，在【LineCale】計(jì)算窗口選擇如下：Type選擇為MLIN，意為計(jì)算微帶線。Er=4.2,表示微帶線基板的相對(duì)介電常數(shù)為4.2。Mur=1，表示微帶線的相對(duì)磁導(dǎo)率為1。H=0.5mm，表示微帶基板的厚度為0.5mm。Hu=1.0e+033mm，表示微帶線的封裝高度為1.0e+033mm。T=0.005mm，表示微帶線的導(dǎo)體層厚度為0.005mm。Cond=4.1E+7，表示微帶線的電導(dǎo)率為4.1E+7。TanD=0.0003，表示微帶線的損耗角正切為0.0003。Rough=0mm，表示微帶線的表面粗糙度為0mm。Freq=2.4GHz，表示計(jì)算時(shí)采用頻率2.4GHz。Z0=50Ohm，表示計(jì)算時(shí)特性阻抗采用50Q。E_Eff=90deg,表示計(jì)算時(shí)微帶線的長(zhǎng)度時(shí)，采用900相移。上述設(shè)置完成后，單擊【LineCale】計(jì)算窗口的Synthesize按鈕，在【LineCale】窗口中顯示出計(jì)算結(jié)果如下W=0.982mm，表示微帶線的寬度為0.982mm。L=17.458mm，表示微帶線的長(zhǎng)度為17.458mm。用同樣的方法計(jì)算頻率為2.4GHz、特性阻抗為35.355、相移為90°時(shí)微帶線的寬度和長(zhǎng)度，微帶線基板的參數(shù)保持不變，在【LineCale】窗口中顯示計(jì)算結(jié)果如下。一W=1.674mm，表示微帶線的寬度為1.674mm。L=17.034mm，表示微帶線的長(zhǎng)度為17.034mm。設(shè)計(jì)原理圖。經(jīng)過計(jì)算，原理圖如下所示：hEusI.kMSrranCqmi-4.i￡^7'Hj"75rr,m'，TZQQSwhTam匚rd.oocarL__1呻■片瞄由中1TfcJ????sjNi-MSuairW?1rcn■<r■-而「jV"l■^2Sko-SLBGHzSimkClMETaoZI卬LHcertp■供1田?W-DffiZfnr-■L?35,Htl"'W-fi.atChwfiIL.-TT.￡?tmtNTCEAD=內(nèi)1頊出幣rwn^￡>HHEnvn^3."HpS!mTiIL-tW-tE+fL?H(H*WTLDAwUE-MSIbM13UKntb凸W-TEGMMTW1-llfr^rrniWE-1.B74tFEW,XPgf?EnLhTU?VT-0敏m-L.3f?--Ti^O'i.IWm3可如3.Z-SOdhm圖3微帶線模型其中MSUB控件的Rough=0mm，表示微帶線表面粗糙度為0mm。基于原理圖的矩量法仿真仿真結(jié)果如下圖所示：FT'IEW.-MGHz:必舊Cl，『舟3融倡:=:_一一FT'IEW.-MGHz:必舊Cl，『舟3融倡:=:_一一esm2F=Wd<XX3HZ布叫⑴gT3Wrri3frq-24ODSHzdBi：Sr3.l]>-31EB?￡念.圖4微帶線模型S參數(shù)仿真由圖可知，SSSS在中心頻率處曲線滿足技術(shù)指標(biāo)。11、21、31、41■5L—iiI1|1111|1111|11iiI11i1I1'11I1111I111'2D2.1222.3242.52.6212.8|iiii|iiii11iii|iiii|iiii|iiii11iii|iiiiIE21222.32J25262.72.B血m3freq*,300GHzdBSRI”-S.Q時(shí)m?freq=2.500GHzdB削11B=-1flB47mlfreq=2.3D0G-zdB(S(11)U35(W500GHz。裝￡1上33齡freq,GHZhrq.GHz圖5微帶線模型S參數(shù)仿真但是由上圖可知，S11在2.5GHz處的值為-16.847dB,S21在2.3GHz處的頻率^-3.098dB，均不滿足技術(shù)指標(biāo)。需要重新調(diào)整原理圖，然后重新仿真，直到滿足技術(shù)指標(biāo)為止。即需要優(yōu)化。④微帶分支定向耦合器的優(yōu)化將微帶線段TL3、TL4的長(zhǎng)度設(shè)為L(zhǎng)1mm、TL7、TL8的長(zhǎng)度設(shè)為L(zhǎng)2mm，插入控件【VAR】，將L1、L2設(shè)置為變量。其中L1的范圍為15to19，L2的范圍為15.5to19.5。插入4個(gè)目標(biāo)控件Goal，對(duì)其進(jìn)行設(shè)置，使其依次的期望值為用dB表示的S”、S21、S%、S41。插入優(yōu)化控件Optim，設(shè)置器優(yōu)化方式為Random，優(yōu)化次數(shù)為與0次。3141現(xiàn)在對(duì)原理圖進(jìn)行仿真，單擊【Simulate】圖標(biāo)，運(yùn)行仿真，仿真過程中彈出了仿真狀態(tài)窗口，記錄了頻率掃描范圍、變量取值和仿真花費(fèi)的時(shí)間等。仿真結(jié)束后，選擇【Simulate】菜單的【UpdateOptimizationValues】命令，將優(yōu)化后的結(jié)果保存在原理圖中。仿真狀態(tài)窗口如下圖：甲：工：二二.Ml二：工北三?二二?二;二1土;二?:二c：-Ryr<[?ec:2j-:-：?f[teration/riial二jjmotlF0^tiinatia]irariahlsIm二11=工三：l::.ir.<Optinizatinti::ozinitialErrorFunction::heeehonrles:;十.逐at二:二廠H：.iiZlir：：.!；TrytoLightenspecificatinn.Optnlfl]redcbedthegoals二;3lirF-7:;：1stappatchtiifl1Useomds從圖中可以得出，優(yōu)化后的微帶線值如下：L1=16.28mm,L2=17.14mm。優(yōu)化花費(fèi)的時(shí)間為1.84秒。單擊原理圖工具欄中的【Tuning】按鈕，可以調(diào)整變量的值，如圖所示：圖7Tuning鍵調(diào)整窗口S、S、S、S的曲線如下圖：11213141rrejq=2.30lJGHzd改卜由.及9牌對(duì)芷"UDm21raq-Z5flOGHL2&MlllHr=0m—)EJm口wesmlii5q-2.2^3GHzWtilE。m6feq-2.&MGHz曰愚野」）＞3141m3neq=2.'3DDGHzd由寂?」｝卜點(diǎn)195「4rrejq=2.30lJGHzd改卜由.及9牌對(duì)芷"UDm21raq-Z5flOGHL2&MlllHr=0m—)EJm口wesmlii5q-2.2^3GHzWtilE。m6feq-2.&MGHz曰愚野」）＞3141m3neq=2.'3DDGHzd由寂?」｝卜點(diǎn)195「4rEq]=2.5WGHzdB：歟21加T.倡EW.G*m7fFKj-23D0GHLzdB4；S（4l1：!）=-27200iTfeSfeq-2.&3OGHz^3（4,15）=^250DpItiS^Cl'基于版圖(LayoUt)面矩量法仿真將上述的原理圖做如下調(diào)整，如圖所示:[GCW,]1*1KW.|.AmJ2csJXU^t.C^AS?2網(wǎng)g淵.E碎冷.聽?.EjSLT：即.?:「沖詢9卻「EiEHWw朝-MH[GCW,]1*1KW.|.AmJ2csJXU^t.C^AS?2網(wǎng)g淵.E碎冷.聽?.EjSLT：即.?:「沖詢9卻「EiEHWw朝-MH：二心?HkP-U.-劇°MUF-.■-..ymRj呻F村停煩［卜頓k時(shí)ftrf?yn11-2SjGH.A時(shí)?F.：I9土Rk悶Sk齡to汕....E^'<E1^.13?..SnhspiqeHyrc--^,"MiS=-WfflTp二:agrg]Ln-a吉Z&Ki.=limIKUEIE如霍Cwr41E-i]■■T"DDKce■、El?】呷R■心：E時(shí)Svt!>USl丁kF4TTL惟gn-n-fcViafifilrrrIH1L2-EhhliEiiiTZ祁e■L=L2win---LI=?IT.小隊(duì)MSL3F.VSL-.附EWX-bUIW心IM2e凸、mu：gSutfFlfiiubl'-也WEe-Ng瞄m-e??而..EjkfIIEisT：JHPULh**5.InTEEt￡￡iS￡^F~VS￡￡1WT.BKmnW^'.JJIrrn圖11版圖選擇版圖視窗中的【Momentum】菜單中的【Simulate］下的【S-Paramate】命令，進(jìn)行相關(guān)設(shè)置。單擊仿真控制【SimulateControl】窗口中的Simulate按鈕，開始仿真，此次仿真花費(fèi)時(shí)間較長(zhǎng)。S、S、S、S的曲線如下圖：11213141Hz：］日制L1E-2ZWm2F戶W.MOGHx勺田辱：1.「虹-22.日疏圖12版圖Hz：］日制L1E-2ZWm2F戶W.MOGHx勺田辱：1.「虹-22.日疏圖12版圖S參數(shù)仿真曲線D由圖可以看出，4.結(jié)果對(duì)比整體來說，11213141理想傳輸線的S參數(shù)仿真曲線更為完美，但實(shí)際應(yīng)該以矩量法的仿真結(jié)果為準(zhǔn)。理想傳輸線模型下S11的值在2.4GHz頻率