微波毫米波Project论文.docx

正交混合网络的设计姓名：学号：学院：电子工程与光电技术学院指导老师：李兆龙正交混合网络的设计摘要随着通信技术的迅猛开展，微带定向耦合器作为微波、毫米波系统中的重要器件也得到了更大的关注。本文先介绍了343定向耦合器的研究背景，又通过将输入鼓励分解成偶模鼓励和奇模鼓励的叠加的偶一奇模分解技术从理论上分析了3”3定向耦合器的工作过程。通过AOS软件，对该正交混合网络结构进行原理图仿真，再生成幅员。调整原理图中的微带线参数，使得朋而皿M初中的仿真结果满足设计指标：回波损耗>6%,完善隔离>6%,以及在端口2和端口3处的3dB功率匹配的不平衡度<dBo分别设计343定向耦合器在5.8GHZ低频和60G"z高频上微带线结构，并对其进行优化,改善其性能指标。对于工作频率为5.8G"z的定向耦合器，得到如下性能指标：中心频率f0=5.85Gz；20dBreturnlossbandwidth为1639%；20dBisolationbandwidth为13.64%；Amplitudeimbalance<OAdB<XdB,Insertionimbalance<OAdB<XdBo对于工作频率为60G4z的定向耦合器，得到如下性能指标：中心频率60.04GHz；20dBreturnlossbaMwidfh为15.01%；20d8isolationbandwidth为14.31%；Amplitudeimbalance=0.876<dB,Insertionimbalance=0.907<dB。最后，本文分析了所得到的定向耦合器的性能，验证其性能。关键字：ADS3四定向耦合器微带线优化仿真一、研究背景移动通信技术迅猛开展,通信频率资源紧张的趋势就日益凸显,通信频率逐渐向高频段开展。在开展高频率通信技术的过程中,微波、毫米波技术开展的战略意义更为突出。微带定向耦合器作为微波、毫米波系统中的重要器件,制约着系统性能和技术水平,其性能的优劣将直接影响到整个系统的质量。正交混合网络是3d3定向耦合器，它在播送电视发射系统中有着广泛的应用。3的定向耦合器可将一路射频信号分配成幅度相等、相位差为90度的信号，也可将两路幅度相等、相位差为90度的信号合为一路，因此3四定向耦合器具有功率合成和功率分配的性能。二、原理分析3四定向耦合器，其直通和耦合臂的输出之间有.90相位差。这种类型的混合网络通常做成微带线或带状线形式，如下列图所示：(InPUf)Z0/2ZQ-Zq0Z屋Z。(OWPM(OILtPUf):Pgurel下面我们利用偶一奇模分解技术来分析正交混合网络的工作过程。参考figvrel,分支线耦合器的根本运作如下：所有端口是匹配的，从端口1输入的功率对等地分配给端口2和端口3,这两个端口之间有90相移，没有功率耦合到端口4（隔离端）。所以S矩阵有如下形式：j101.o1joj其中，分支线混合网络有高度的对称性，任意端口都可以作为输入端口，输出端口总是在与网络的输入端口相反的一侧，而隔离端是输入输出端口同侧的余下端口。对称性反映在散射矩阵中是每行可从第一行互换位置得到。首先用归一化形式画出正交混合微带线的电路示意图，如加忆2所示。假定在端口1输入单位幅值的波。figure!归一化的正交混合微带线电路忆2可分解为偶模鼓励和奇模鼓励的叠加，如“%3所示。因为该电路是线性的,所以实际的响应可从偶模和奇模鼓励响应之和获得。r»>x-r»>l.©Line of symmclr> /=OV= IlM PAArI- Pvv-I- 一©L 竺 LWH.c<<- I令1 I 2 I8 Open-<irctied sbs (2 separate 2-p<>rts)l«£- 令I /128 Short-circuited stubs (2 scpa(c 2-ports>figured正交混合微带线分解为偶模和奇模：3)偶模(e);(b)奇模(o)因为鼓励的对称性和反对称性，四端口网络能分解为一组两个无耦合的二端口网络,如阚所示。因为这两个端口的输入波振幅为±1/2,所以在正交混合微带线网络每个端口处的振幅可表示为式中，仇。和几,是y"e3所示二端口网络的偶模和奇模的反射系数和传输系数。奇模二端口网络的和，可通过将电路中的每个级联器件的ABCD矩阵相乘得到:1 O-J 172给出反射系数和传输系数为X =-J)同样，对于偶模可以得到"0T"亲+力可以得到如下结果:4=0（端口1是匹配的）员=B2 =（半功率，-90相移）-J=（半功率，T80相移） 24=0（无功率）结合上述表达式可得到理想正交混合微带线网络的散射参数为:SIIS12S3S4-OJIoFqI$21S22S23邑4一17001ISJ=$31S32S33S34100jS4iS42S43S44OljO三、仿真设计（一）Tcsk现在我们要使用20/777/厚的RTduroid6m2介质作为底层材质，设计一个工作频率在5.8G"z的微带线结构。为了用Az）S仿真出符合指标的朋5三W"m结构，考虑先设计出原理图结构。在ADS中画出正交混合网络结构如下列图：MLlNTL1Subs(="M SubVW=25.0 mil - L=IOOOmIIMTEE ADS 1ee1 Subst=wMSubi' W125.0ml W2=25.0mll - W3=5Q.0mil.MLIN',''TL2Subst='M SubKW.=25.0.milL=100 0mllMTEE ADSTee2Subsf="MSubI-W1=25.0mllW2=25.0mll -W3=50.0mil .MUN , , , , TL3 Subst=wMSubV . W =25.0 mil L=100 OnillMLINTL7 SUbSt= M SubTW,=25.0 milL=100.0 milMUN. 7L8Subst=eMSubT W= 25. OmH L= 100. OmllMLINTL4Subst=fcMSubT W=25,0rrtl - L=IOOOmiIMTEE,rADSMUNMTEE_ADSMLIN7ee4、，tl57ee3TL6SUbst= "MSubTSubst= 1Sub14SUbst=MSUt>rSUbSt="MSljbVW125.0mllW=25, Omil- W 1=25 0 mHN=250mlW2-25.0 mil.- L= 100 Omil- - W,225.0 mil.L=IOOO mlI-W 3=50.0 milW 3=50.0 mil并设置介质参数:IISUBInstance Nse (nae(<start stop>JMSublSelect ParameterH=20.0 mil Er=2.94 Mur=I Cond=l0E÷50 Hu=3.9e+034 mil T=0.08 mm TanD=0.0012 RoUgh=O mil20 OEqUatig Edi tor.Tune0pt/St&tDOE Setup.，Display parameter on schematicComponent Options.Substrate thicknessOKApplyCaricclRezet j I Help使用罗杰斯公司的RT/应"iQd6002作为微带线的介质材料，通过查阅罗杰斯公司的官网，可以查阅到RT/d"Wd6002的参数：PropertyTypicalValueRTZduroid6002DirectionDielectricConstant,rProcess2.94±0.04Z121DieIectricConstant,rDesign2.94DissipationFactor,TAN0.0012Z为了求得正交混合网络各支臂的尺寸，利用ADS中的L%eCRc功能：将所用介质的参数导入LineCalC中,并设置电参数：特性阻抗ZO为50,电长度处为90和结构参数：中心频率0为5.8GHz。ValuesveM)sist«nt对其进行综合，可知对于上述参数条件，适宜的物理尺寸为：微带线的宽度W为47.896063加/,长度L为332.839764加/。同样对于特性阻抗为电，电长度夕d为2的微带线，同样可以综合得到适宜的物理尺寸为：微带线的宽度W为81.343701"?，长度L为324.917323加/。将通过ADS的L力Ga/c得到的各支臂微带线的尺寸导入原理图中，并在正交混合网络的四个端口处接入负载。接入S参数仿真元件S-Q4K4M£7E/?S,设置扫描频率：FrequencySweepTypeLinear原理图如下:MSubMUNTLISiitaf-TU SubVW«47 89WC3 EL332839764 miMTEEDS eiSUbSt V SubTW1>479603MlW281 M3701 milW3=47> a96O63 milTU Subst=eMSubi: W 81.343701 m« L=3249i7323fnilMTEE.APS Tee2 SubeMSub W181 343T01 ml W2-47 896063 mlW347.896061miS-PAR AMETE RSMSUB * * * M8ublfmlH=SmEHNUfEl£产2“Z=50 0Mur1 Cond1.CE5O Ho39e*034ml T00mm Tanooo012 Rough=O mil,MLMTL7Subst*MSub IW47 896063 mLW2 839764 mCZ)-MUNTL5 swtMs0)r W81.3<3701 milL324 917323 m<点击仿真按钮，在弹出的窗口中绘制S(l,l),5(1,2),S(l,3),SQ4)曲线:从上图可以看出，仿真结果并不令人满意。于是，对电路图中各支臂的尺寸进行调节。当网络结构的2=298如7,支臂长度L=300m时，可得到S参数的曲线走向如下：4从上图中可以得到，中心频率fo=5.800GHZ20dBreturnlossbandwidth=AI=612°5.51°=10.52%5.800,oj.jj.j1I-I6.1105.510.o1120dBisolationbandwidth=10.33%Zo5.810Amplitudeimbalance<dBInsertionimbalance<XdB将原理图中的负载TeGrOgd,S-PAWMETERS无效化,由原理图直接生成幅员，有:选择Momentum中Substrate菜单中的UpdateFromSchematic以导入原理图中的数据，选择中的S队位S-parametersf设置幅员仿真中的扫描频率:StimulusS«l«ctafrequencyPlMfronlisttoOditOrdefineanwoneFrequency PlansTypeF start F atop Npts/StepAdaptive4.0000 GHz 7.6000 GHz 10 maxEdiUDefineFrequencyPlanSweepTyPaAdaptiveStart4CHr'S537.6IGHZSftnplPointsLimit10CUtPasteUpdatej Add to Frequency Plan ListProcess mode： locdlSolution FilesData DisplayReuse files fro<n the prviou Sinulfttion可 Open data display when Sinxilation conpltesForegroxmd Datasatsch«n&tic_mom d Browse.TnpltPresentation! Brwse.SiimlateAPPlyjCancelJHelp对其进行仿真，有:在其中做出SU)，S(l,2),S(l,3),S(l,4)的曲线，如下:m3, I L , freq=5.791GHz dB(S(1.1)=-30 571 Min4.0m2freq=619GHzdB(S(1,1)=-20 085m5freq=6 119GHz dB(S(O)=-Z799m4freq =5.4 91 GHz dB(S(12)=3044eDS>8p50805.05.50.0657.075freq. GHz1 , I , , 1 , I 1 , 1 , I 1 , 1 1 I , )5.56.0657.0freq, GHzm10freq=5 772GHz B(S(1,4)=-32.551于是在幅员仿真中有:中心频率4=5.79 IGHz20dB return loss bandwidthm9 freq=6.081GHz dB(S(1,4)=20.0928ffeq=5.472GHzdBfS(1,4)=-20 059556.0657。7.58。freq. GHz_ M-4 6.119 5.4915.791= 10.84%CCJDj.j.j.fg6.0815.472ICUUZo5.77220dBisolationbandwidth=-=10.55%Amplitudeimbalance<dBInsertionimbalance<dB和原理图仿真结果有些偏差。为了在幅员中得到4=5.8G"z的中心频率，对原理图中各支臂微带线的尺寸进行微调，在Momentum中观察结果。当原理图如下时，我们得到更优的仿真结果。IMsUDIMSUB-*H20.Qnlg.94UueICond10650Hu-3034*rooemDOOO12Rou9h-imSUba*Subi;W×stf1.L0miMTIEeADSeiSUg玉591'Wi-XEW2W1-三rW3»W2.«t.OJN,TUSUOI25S1'W-WlnilLL1m.ADS.Te2SbHSubfww三wrW2XffUl.W3W2iIMUN.,.U3SutohaUSubI,WXmtLL0<n*SPl$WV4GMZSOP-70H2SMoOTGHZ0-1.0三28G,24e,R61.÷,1W2'AR41.2-29其在MW三/加加中S(l,l),5(1,2),5(1,3),S(l,4)的曲线为:m5m2freq =5 361GHz dB1 1)=-20.085mlfreg=6313GHz dE1,1)=20.241m4361GHz12)=-2.5284 ilO，2 5l4 5 s! ! !z !4 6% 7048 j! 5、5!4 5! !2 64 ! ! 7>IieaGHzfreq.GHz其中：中心频率j=5.808Gz20dBreturnlossbandwidth=Al=63135.361=6.39%5.80820dBisolationbandwidth="=13.64%Zo5.797Amplitudeimbalance<QAdB<dBInsertionimbalance<0.4tB<dB同时可以得到S(l,2),S(l,3)的相位曲线:Ctc一方)雷显在中心频率为=5.8GHZ处，有大约90(106.55-16.539=90.011)的相位差。(二)Taskl如果同样的介质应用在高频上，考察其性能指标是否可以满足。将工作频率由低频的5.8GHZ改为高频的60Gaz,那么各支臂微带线的尺寸也要发生变化。当特性阻抗Z°=50,电长度小/=90时，由L%eChc计算得到的适宜物理尺寸为：微带线宽度为59.578346帆，长度为30.189882m/：当特性阻抗Zo=5时，微带线宽度为97.2303157,长度为29.635354帆。将这些尺寸值导入到原理图中进行原理图仿真，可以得到在5(1,1),5(1,2),S(l,3),S(l,4)的曲线为从上图可以看出，在60G"z附近，S(l,l)(W6“假设在端口1处接入信号源，那么几乎全部的_工功率都从端口1处反射回来(10一面=1)。而在60GHZ的频率附近，从端口1向其他端口的传递系数非常小，5(1,2),5(1,3),5(1,4)<40,也就是说从其余三个端口输出的功率不到总功率的1/1000040(10一百=0.0001)。于是，可以得到结论，RT/或。OH6002这种材料作为正交混合微带线网络的介质，不能传输高频信号。如果将微带线的介质改为陶瓷结构，相对介电常数%=9.9,介质厚度H=127加，工作频率为60GHZ,同样利用ADS中的LineCalc对其各支臂微带线尺寸进行综合。当特性阻抗Z0=50。，电长度/d=90时，由Li/昭Ch/c计算得到的适宜物理尺寸为：微带线宽度为3.476870”，长度为20.315118机；当特性阻抗Zo=我"C时，微带线宽度为7.914134根，长度为18.884488加/°此时，各支臂微带线的长宽尺寸在一个数量级上，且相对的两支臂也非常接近。微带线之间的相互耦合会产生分布电容和寄生电容，影响3期定向耦合器的功率传输。另外存在的一个实际问题是，在分支耦合器节点处存在不连续效应，会对仿真结果造成一定的影响。如果将并联臂的电长度增加10-20,将会减小这种影响，因此，在用L%eCHc综合微带线尺寸时，两条特性阻抗为ZO的微带线使用100的电长度。当特性阻抗Zo=50。,电长度为100时，由L%e(Zc计算得到的适宜物理尺寸为：微带线宽度为3.476874m",长度为22.572362加/。同样将这些参数导入到原理图中。为了方便调整原理图中各支臂的长宽尺寸，定义%R变量。只需要改变必IR的值，便可以改变相应的长度或宽度。不妨假设特性阻抗为ZO的微带线的宽度为Wl,特性阻抗为"的微带线的宽度为W2,长度为Z的微带线长度L,其余微带线长度记为为4。4在原理图的S-PARAMEm?S中设置扫描频率：FrequencySweepTypeLinear粗略调节各个长宽参数值，并在原理图中仿真并得到S(1,1),S(l,2),S(l,3),S(l,4)的曲线如下:ml喃阳。3S2竹 62»GHZ d8g.1)尸20.106r,3X 280GHN里(S(IJ)Y2 7147 fq5 7.1 OGHz 二二二二1 二；m4freq5720GHdBSU.4D23.l32TOfre0三2.4OGHzCESIT4A20A3mfreqW3OGHzdBp(1.4)-45.4O1将原理图中的负载7n,Ground,S-PARAMETERS无效化,由原理图直接生成幅员，得到如下结构：从上图也可以看出，各支臂之间的距离非常小。选择Momentum中Substrate菜单中的UpdateFromSchenuitic以导入原理图中的数据，选择Momentum中的SunulationS-parameters，设置幅员仿真中的扫描频率:StiBQlus7r4ieiuey MtnsTyp«F acrc F ttop NpcStpAdaptive 55.OOOO GHz 5.0000 GHz 10 kSl<ctfrCiuwxyPIgfr*list“<d>tOr4f>n*tBditZDtfiMFr<uavcyMgF"”Start55Iq(IHSup65三tSpKF«int«UitPattU4atIMitorr9MncPlanListFroctsoi<1«<«1S4¼tl4DFilDtD)(yl«yRra«fil£r«atieprriggiiwol«tic«q0>4td24iplyvhatiolion<4plltF".rgndDatvtTplatd113y4SIPr.5tRi.ZIrE.Siz3.Cncli对其进行仿真，有:S1160FrequencyS11frq (5500G to 65 G)m1freq=56 60GHzd B(d ian IUtU mom a .S( 1,1 )=-20.068m2freq=64.38GHzdB(dianlutu mom a S( 1.1 )=-20.069m3freq=60.OOGHzd B(d ian Iutu _mom_aS(1,1 )=-30 262Min【B«P-seu.S1-60 54565860626466Frequency那么其20"B回波损失=T=*=37%：作出S(l,4)的曲线：m4freq=58.06GHz dB(S(1.4)>=-32.686 Min由上图可以看出，在S(l,4)曲线上，中心频率偏移较大，此时需要在原理图中对微带线尺寸进一步地调整。当Wl=4加/,W2=7.914134,L=4)=16.75相时，在帆。7例加中可以得到S(l,l),S(l,2),S(l,3),SQ4)的曲线如下:m5freq=57 36GHz dB(S(1,3)=3 387freq=63 44GdB(S(1.3)X073m7freq=57 36GHzdB(S(1,2)=3 083r freq=63 44G dB(S(L2):24¾7freq=6021G dB(S(1.4)=-27 105Min其中，中心频率/=60G"z20dB return loss bandwidthJZl 一41 - 63.44-57.3660.00= 10.13%20dBisolationbandwidth>6%Amplitudeimbalance=-3.387+4.0731=0.686<IdBInsertionimbalance=-2.487+3.0831=0.596<1dB为了使得回波损耗带宽更大，对于原理图中的微带线长宽参数再次进行优化调整。当Wl=4.5mi/,W2=7.9mil,L=I0=16.768?时，可以得到更加优化的S参数指标。原理图如下:MSubMSUBTL1 Subst=eMSubr T=W1 mH LsLml团 1 AR1W14.5MTEDS -VAR?VARJW2=7.9L16.768,MIEEeADS- ,H=127mEr=9 9Mur1Ccnd=1 CC50Hu=3 9e*4 mlT0.08mmQnD=OO012Rough=O milTU5 . Sub9t'MSuMW=Wl mi LeLmiTL3 Subst=eMSuM"VT=W1 M L*LrWTefln . Tem2 NUnl=2 Z=50hmMLlN_MUNuiSubstaMSb Wl=WImH W2=W2mil FWImpTL2 Subst=-MSibr W=W2 mil L>LrlSitost=eMSubr Wl=W2 Cl W2=W1 mil .竺产叫TennlNuw1* MUN . . . ZSSOOhmn 4.Subet=aMSublI I'W=WfmiI ' M, LLmt jMTEEsADSMLINMTeE.ADSMUNjlriTL7 Subst=vMSubT W=Wlmfl LLmil 63 Subst=-MSubi- W1W2ml W2Wlmil W3=W.lmH .TL6Subst=wMSubr WW2mi1 LLmilee4Sutet=-MSubr WI:Wlmn. W2=W2mil .W3=wirni .TL8Sut>st=',MSubr W=Wtmii LMLmilTenn3 NUg3 Z50 Obm由之生成幅员,对其仿真,得到S(1,1),S(1,2),S(1,3),S(1,4)的曲线如下:S11S11由此可得：4=60.04GHz20dBreturnlossbandwidthUJ_65.08-56.07=-60.0415.01%20dBisolationbandwidth=AI=M5561=4.3%Zo59.81Amplitudeimbalance=-2.664+3.5401=0.876<1dBInsertionunbalance=-2.962+3.8691=0.907<1dB满足我们的设计指标。S(l,2),S(1,3)的相位曲线如下:Um111.CMGHzPhaSe(S(1,2)AIoa440Ly)-仞110100908070(GLa,w830204S4JS,59l0&&&&&&44JSbJ由6l14A4A6S*,GHzfrq.GH2在中心频率工)=60.04GHZ处，观测S(1,2),S(1,3)的相位，可以得知S(1,2),S(1,3)的相位相差90(103.440-14.662=88.778)。分析在中心频率处的传输系数：-2 6CP (espJS(S(L2)=-2.933JB(S(1,3)=-3.375那么2.933S(l,2)=10=0.509S(1.3)=10-=0.460可以看出，大概一半的功率从端口1分别传递到端口2和端口3。而在中心频率处，d8(S(l,l)v-2OdBd8(S(l,4)<-20dB所以2020S(LI)VlO-而=0.01S(l,4)<10=0.01功率几乎不会从端口1和端口4处传出，因此这个结构被称为3e定向耦合器。四、心得体会我感觉这次Project和以往做实验最大的不同是，这次Project的完成更加要依靠自己的自学能力。以往也有接触过使用一个新学的软件完成一个工程这样的工作，但是根本上都是老师先演示-遍这个软件该如何使用，这个结构该如何设计。这一次，无论是从软件上来说，还是从PrOjeCt涉及到的知识内容来说，都是更加让人冲动的挑战。当老师把ProjeCt需要完成的内容和指标告诉我们的时候，我们都是茫然的，因为对这些指标我们一点概念都没有。我大概花了一个礼拜的时间在网上看ADS软件的视频教程，翻阅图书馆的软件教程指导书，也按着书上的步骤做了一些小的工程。在准备开始做老师布置的Project是，真的感到万事开头难啊！好在老师在课堂上给了一些关于Project的提示,总算是磕磕绊绊地完成任务。在最后一个礼拜,大家都开始非常积极地完善自己的Project,我也尝试使自己设计的3dB定向耦合器的性能指标更加优化。因为老师说过，这个ProjeCt的主要作用是为了让我们了解ADS的使用，所以他给的指标要求都非常容易满足，所以我试着调试了很久，最后做出让我觉得比拟满意的结果。我个人很快乐能有这样一个体验的时机，有种将课本上的理论只是通过软件虚拟地应用在实际生活中的感觉。进入大学以来做实验或者使用一些软件的时机比我想象的少的多，所以每一次这种实际动手或仿真的时机都会让人欢呼。也许在做Project的过程中会有很多困难，或是软件出现问题，或是指标无法满足，但是完成后的成就感绝对不是做出一道题目所能产生的。我感觉如果能让学生真正接触这些电路仿真软件或是电磁仿真软件，会提高我们的电子工程师素养。我以成为一名优秀的工程师为目标在这里学习，非常感谢老师提供一个学习ADS软件，完成根底Project的时机。五、参考文献1DavidM.Pozar<微波工程(MiCroWaVeEngineering)>电子工艺出版社