ADS设计定向耦合器

<<ADS>>课程设计分支线耦合器目 录1概述11.1 微波技术产生的背景及发展趋势11.2 微波电路仿真软件ADS简介21.3定向耦合概念及分类31.3.1概念31.3.2分类41.3.3 主要技术指标62工作原理72.1 传输线理论72.2 输入阻抗82.3 特性及测量92.3.1网络特性92.3.2测量方法（定向耦合器的特性参量）102.4 定向耦合器的用途113.微带分支电路的分析与设计123.1 分支线耦合器123.2 分支线耦合器的奇偶模分析134设计过程174.1 建立工程174.2 原理图的设计184.3微带线参数的设置194.4 VAR控件的设置204.5 S参数仿真设计204.6 参数的优化224.7分支线耦合器版图的生成235.总结与展望2525<<ADS>>课程设计分支线耦合器1概述 1.1 微波技术产生的背景及发展趋势 微波技术是无线电电子学的一个重要分支，已成为现代通信、雷达、导航和遥感等领域最为敏感的课题之一，发展至今已经有比较久的历史了，无论在理论上还是在实践上，微波科学技术逐渐成熟，并拥有很多的从业人员。微波波段的电磁波能穿透电离层,因而卫星通信与卫星电视广播、宇宙通信及射电天文学的研究等均需利用微波来实现，在通信、雷达、导航、遥感、天气、气象、工业、农业、医疗以及科学研究等方面得到越来越广泛的应用，成为了无线电电子学的一个重要的分支趋向。随着通信技术的迅速发展，为了便于携带和移动,无线电设备的小型化是未来的发展趋势，而移动通信所使用频段处于微波范围,因此实现微波电路的更高频率化, 小型化,固体化,不仅在实用方面,而且在学术方面均有重要的研究价值。定向耦合器通常有两种实现方式: Lange耦合器和带线耦合器。Lange耦合器具有结构紧凑,便于集成的优点,但一般使用陶瓷基板, 电路制作要求较高,加工工艺和成本限制了它的应用。带线耦合器虽然对电路制作工艺要求相对较低,但存在结构复杂、体积较大以及集成困难等缺点。传统的定向耦合器虽然具有设计成任意功率分配比例的优点，但是体积较大，不利于微波集成化方向发展，因此寻找性能更好和功能独特的小型定向耦合器，一直是人们去研究的课题之一。而微带定向耦合器由于具有结构紧凑、制作简单、便于和其他电路集成等优点,目前已引起人们的极大研究兴趣，未来的耦合器必然会向着集成化和小型化方向发展。同时,用微带线设计的微波元器件,可以直接做在电路板上,具有所占空间小、易于和其它电路元件连接的特点。因为微带线具有上述特点,所以用它来做微波电路。这将有助于提高微波集成电路的集成度。然而，微带定向耦合器也有自身的不足，主要体现在耦合度较低和方向性差等方面。为了克服上述缺陷,研究者提出了多种补偿方法，本文也将结合微波理论知识和先进的仿真软件技术，来实现对微带定向耦合器的耦合度和方向性等性能的改善和提高。1.2 微波电路仿真软件ADS简介ADS，即Advanced Design System 的简称，它是 Agilent Technoligyies（安捷伦）公司推出的一套电路设计软件。 Agilent Technoligyies公司把HP MDS（Microwave Design System）和HP EEsof IV(Electronic Engineering Software )两者的精华有机地结合起来，并增加了许多新的功能，便构成了ADS软件。 自从Agilent Technoligyies 公司推出ADS软件后，很快被广大电子工程技术人员所接受，因为它与以前的微波仿真软件相比，具有更全面的功能，而且它的应用也变得更加广泛，它具有多种仿真软件的优点，仿真手段丰富，可实现包括时域和频域，数字与模拟，线性与非线性，高频与低频，噪声等多种仿真分析手段，范围涵盖小到元器件，大到系统级的仿真分析设计，ADS能够同时仿真射频（RF），模拟（Analog），数字信号处理（DSP）电路，并可对数字电路和模拟电路的混频电路进行协同仿真，由于其强大的功能，很快成为全球内业界流行的EDA设计工具。（1）ADS的特点 在可操作性方面，ADS灵活使用了窗口技术，工具栏、工具栏、快捷键、模版以及菜单等使人机界面更美观、方便。 ADS使用了器件图例、库浏览以及即时浏览各分层次器件的实际电路等功能。 提供多种获得帮助文件的途径（用户手册、自带设计举例、各种模版、因特网），用户可以获得详细的、最新的帮助文件。（2）ADS的应用ADS的应用非常广泛，它的应用场合主要包括射频和微波电路的设计、DSP设计、通信系统的设计、向量仿真，其在微波电路的CAD设计部分主要包括以下几个方面： 微波器件的建模和参数提取 包括各种微波半导体器件的建模和参数提取、微波分布参数和集总参数元件的实验建模、标准工艺加工线元件数据库等。 微波系统仿真 对各种不同规模的微波系统进行仿真，以便得到系统的各种特性指标，这是微波系统设计的重要手段。 微波电路的优化设计 用户给定电路的拓扑结构、各元件初始值和电路的设计指标目标，EDA软件自动改变元件值，直到满足电路的设计指标目标。 微波电路的容差分析和容差设计 计算电路元件的允许公差、分析元件公差的各种分布形式和元件公差对微波电路特性的影响以及通过改变元件的中心值来使所生产的电路达到最高的成品率。 微波部件和电路的电磁仿真 采用电磁场数值计算方法，配以方便的用户界面，用于一些微波部件和电路的仿真。 微波集成电路的布线和版图设计 自动或交互式将微波电路的电原理图转换成微波集成电路的工艺版图，进行设计规则检查。1.3定向耦合概念及分类 1.3.1概念定向耦合器是具有方向性的功率耦合和功率分配元件，其结构形式多种多样，但它们都是四端口元件，通常由主传输线、副传输线、和耦合结构三部分组成，主、副线通过耦合结构（通常耦合结构有耦合缝、耦合孔和耦合传输线等结构）连接，主线传输的电磁波能量经耦合结构进入副线中，并在副线的某一端口输出，在副线的另一端口应无输出。所有的定向耦合器的方向性都是通过两个独立的波（或波的分量）产生的，它们在耦合端口同向相加，在隔离端口则反相抵消来实现方向性，定向耦合器的示意图如图1-1所示。（a）正向定向耦合器（b）反相定向耦合器图1-1定向耦合器示意图1.3.2分类 定向耦合器的种类繁多，其结构形式多种多样，但本文只对以下四种进行简单的介绍： 波导定向耦合器这种耦合器是最早实现是耦合器，它通常在波导的共用边上用小孔（或小槽）来实现耦合。实现这中耦合最简单的方法是在两个波导之间的宽壁上开一个小孔，这种耦合器称为Bathe孔耦合器，主要有两种耦合形式，如图1-2所示，在图（a）中，耦合是通过小孔偏离波导边壁的距离s来控制的。在图2-2（b）中，耦合是通过两波导之间的角度q来控制的。图1-2 两种Bathe孔耦合器 耦合线定向耦合器这种定向耦合器是用耦合传输线（两根无屏蔽的传输线紧靠在一起时，由于各根线电磁场的相互作用，线之间可能产生功率耦合）制作的定向耦合器。单节耦合线定向耦合器结构和端口定义如图1-3所示，这种类型的耦合器最适合于弱耦合，原因在于紧耦合要求线很紧地靠在一起很难实现，还有偶模和奇模特性阻抗的数值过大或过少而不实际。图1-3 单节定向耦合器结构和端口定义 lange定向耦合器这种耦合器最常见的有微带形外观和不能折叠的Lange耦合器两种形式，如图1-4所示，图（a）所示的是四根耦合线采用相互连接以提供紧耦合，这种耦合器和容易做到3耦合度；图（b）是不能折叠的lange耦合器，基本原理同图（a）所示耦合器，不过这种很容易用一个等效电路模型化。 图（a）微带形外观 图（b）不能折叠的lange耦合器图1-4 Lange 耦合器 铁氧体定向耦合器 铁氧体定向耦合器是用高强度漆包线绕在铁氧体高频磁环或磁芯上做成。这种定向耦合器实质上是用电感线圈代替分布参数的电感，用电容器代替分布电容，有时也称其为集中参数定向耦合器。在定向耦合器设计中，使用铁氧体能有效增加带宽，减小尺寸和生产成本，同时提高了功率。在微波测量仪器中使用这种定向耦合器可以降低成本，提高测量精度，有着广阔的应用前景。1.3.3 主要技术指标定向耦合器是微波技术中广泛使用的部件之一，通常可以将它看成一个四端口网络，如图1-5所示，设端口1到4为主线、端口2到3为副线，当电磁波从端口1输入时，端口3无输出，端口2有输出，故端口3是隔离端，端口2为耦合端。如果电磁波从其它端口输入，其输出情况类似。图1-5 定向耦合器网络衡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。 耦合度当端口1接信号源，端口2、3、4均接匹配负载时，端口1的输入功率与端口2的输出功率之比的分贝数为该定向耦合器的耦合度，则 () （1.1） 方向性系数端口2的输出功率与端口3的输出功率之比的分贝为定向耦合器的方向性系数，则 (dB) (1.2)对于一个理想的定向耦合器，。 隔离度端口1的输入功率与端口2的输出功率之比的分贝数为该定向耦合器的隔离度，则 () (1.3) 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都接匹配负载时，在输入端口测量到的驻波系数。输入驻波系数反映了在输入端观察到的反射大小。频带宽度频带宽度是指当耦合度、隔离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器，,。由（1.1）、（1.2）、（1.3）可以得出它们之间具有如下关系： (2.4)2工作原理 2.1 传输线理论 传输线可用来传输电磁信号能量和构成各种微波元器件。微波传输线是一种分布参数电路，线上的电压和电流是时间和空间位置的二元函数，它们沿线的变化规律可由传输线方程来描述。传输线方程是传输线理论中的基本方程。对于均匀无损耗传输线，传输线方程为 （2.1a） (2.1b)当已知终端条件时，它的解可以表示 （2.2a） （2.2b）其中为终端电压与电流，为传播常数, ,（为衰减系数,为相移常数）。对于无耗传输线，它的常用参量有相移常数 (2.3)相速度 (2.4)相波长 (2.5)特性阻抗 (2.6) 2.2 输入阻抗传输线上任意一点的输入阻抗定义为该点电压与电流之比。即由式(2.6)得 (2.7)式中，对于无耗传输线，有，代入上式得 (2.8)即传输线上任意一点的输入阻抗与位置和负载阻抗有关。当线的长度为时，便得传输线的输入阻抗为 （2.9）因为阻抗与导纳互为倒数的关系，即输入导纳，特性导纳，负载导纳，等关系式代入（2.9）可得 （2.10）由于是周期函数，所以无耗传输线上的阻抗成周期性变化，即具有的变换性和的重复性。 （1）变换性 传输线上相距两点的输入阻抗的乘积等于常数的这一特性，称为阻抗的的变换性，由 （2.11）即常数。利用该特性可以进行阻抗变换，所以传输线具有阻抗变换的作用，可将容性阻抗经变成感性阻抗，或反之。（2）的重复性 传输线上相距两点的输入阻抗相等的这一特性，称为阻抗的重复性， 因为 (2.12)所以。即传输线具有的重复性。2.3 特性及测量 2.3.1网络特性定向耦合器可被看作为四端口网络，其特性可用散射矩阵表示，即 （2.13）其中各端口的反射系数 (i=1、2、3、4)的值很小（理想值为零），表示各端口的匹配情况；衰减系数的值也很小（理想值为零）。表示隔离情况是耦合系数，其值根据需要而设计。定向耦合的主要技术指标是耦合度C（分贝）、定向性D（分贝）和工作频带，其中 （2.14） (2.15)理想定向耦合器的散射矩阵为 （2.16）两个输出信号有90°的相位差。上述双孔或双分支线耦合的单节定向耦合器工作频带较窄。若采用多孔或多分支线耦合结构的多节定向耦合器（几个单节的级联），可借助综合设计方法展宽工作频带。 定向耦合器是微波测量和其它微波系统中的常用元件，是近代扫频反射计的核心部件。它是一种有方向性的微波功率分配器件，常见类型有：波导同轴线、带状线及微带线等。定向耦合器包含主线和副线两部分，在主线中传输的微波功率经过小孔或间隙耦合元件，将一部分功率耦合至副线中，由于波的干涉及叠加，使功率仅沿副线的一个方向传输（称为“正方向”），而在另一方向几乎没有（或极少）功率传输（称为“反方向”）。常见的波导定向耦合器有波导十字孔定向耦合器、波导双定向耦合器。2.3.2测量方法（定向耦合器的特性参量）（1） 耦合度 根据定义，只要首先测量出主波输入端的功率电平，然后将定向耦合器的征象接入测量系统，测量出副波导正向输出端的功率电平，则可以有上述公式求得耦合度。在实际测量中。可以利用功率衰减法来测量C，改变精密衰减器的衰减量，使测量主波导输入端的检波电流与定向耦合器正向接入系统中时，副波导正向输出端的检波电流相等，则衰减器的读数之差就是定向耦合器的耦合度C。（2） 方向性 反向连接定向耦合器，主波导输出端接匹配负载，使副波导在图2-5端“3”输出的检波电流指示读数合适（主要取决于信号源的功率及定向耦合器的方向性的大小），读取精密衰减器的衰减量。然后正向连接定向耦合器，加大精密衰减器的衰减量，直至“3”端的检波电流指示与刚才的相同，读取精密衰减器的衰减量，那么二次衰减量之差即为定向耦合器的方向性。 2.4 定向耦合器的用途在微波系统中，定向耦合器是一种应用广泛的微波元件，例如信号发生装置中的功率监视装置及信号接收机中的混频装置都要用到定向耦合器。此外，自动增益控制、平衡放大器、调相器以及反射计和微波阻抗电桥等测量仪器也要用到定向耦合器。图 2-1是微波信号发生器，它的输出功率电平是由内附功率计监视的，送入功率计的功率只应占信号发生器输出功率的小部分，让大部分的功率从信号发生器的输出端输出。因此在信号发生器装置的内部需要一只把功率分成两部分的装置，在图2-2中这一作用就是由定向耦合器完成的。从路输出的微波功率大部分由路输出，小部分功率通过耦合口路输出至功率计或检波器，由于路输出的功率与路成一定比例关系，故从功率计数可以知道输入功率的大小。图2-1 信号发生器图2-2是微波接收机中单端混频器示意图。图中虚线方框代表一只波导定向耦合器，它由两段宽壁形成的矩形波导组成，在公共宽壁上开两个耦合小孔，故两段波导之间有电磁耦合，使主波导中的功率能够耦合到副波导，副波导的功率也能够耦合到主波导，但是耦合有方向性从路输入的功率只能耦合到路的输出，从路进入的功率只能到路的输出。故、两路彼此隔离。如果路接天线或者低噪声放大器，路接本机振荡器，则本机振荡不会耦合到天线。当路接混频器时，作用于混频器两端的电压，既含有信号频率，又含有本振频率，故经混频作用后有中频信号的输出。图2-2 单端混频器3.微带分支电路的分析与设计3.1 分支线耦合器 分支线耦合器的结构图如图3-1所示，定向耦合器的耦合机构由一系列的分支线组成，在图1-5中的偶和机构由分支线组成，则构成了分支线耦合器。由于同步型分支线定向耦合器结构紧凑, 有较少的分支线,且其特性可以预示和调整得相当准确, 所以其应用较为广泛，本文就对其进行了理论分析及实现。图3-1 分支线耦合器的结构图3.2 分支线耦合器的奇、偶模分析图3-2 定向耦合器的电路图 图3-2 所示出一个将定向耦合器看成传输线的电路。设激励信号从端口1输入, 电压为2U , 各端口电压、电流参考方向如图示。按奇、偶模激励原则,单口激励情况可以转化为图3-3 A、B 所示的奇、偶模双口激励叠加而成。图3-3 （A）奇模激励电路图图3-3 （B）偶模激励电路图定向耦合器是一个四端口网络, 设计这种部件会遇到很大困难，但定向耦合器的设计可以分解成两个带通滤波器的设计。这样, 一个四端口网络的设计就转化为二端口网络的设计, 不但简化了设计过程, 而且可以沿用现有的带通微波滤波器的综合方法。端口1的输入阻抗为 （3.1）其中和分别从端口1看入的奇模和偶模阻抗。由传输线阻抗方程有: （3.2） （3.3）其中，分别为奇、偶模特性阻抗。将（3.2）（3.3）待入（3.1）可得，并指考虑匹配情况，即令,即可得到 （3.4）又从图4-2得出， （3.5）由网络对称性知：，显然，即 （3.6） （3.7）由（3.4）（3.7）代入（3.6）得： （3.8）又由图（3-2）（3-3）得： （3.9）将（3.7）（3.8）（3.9）可得： （3.10）又知 （3.11） （3.12）由（3.10）式，当时，达最大值，此时记,即 ，显然 （3.13）将K代入（3.10）（3.12）式得： （3.14） （3.15）在（3.13）中，令，则,则（3.14）（3.15）式变成 （3.16） （3.17）式中。如令,且取时，则有，这时，。这正是一个定向耦合器的特性, 从而证明了分解设计方法的正确性，接下来的工作就是在微波仿真软件ADS上进行原理图的绘制，并对其仿真和优化，最后得到分支线耦合器的版图。4设计过程 4.1 建立工程(1)运行ADS，会弹出ADS开始运行的画面，随后会打开了ADS主窗口如4-1所示。图4-1 ADS主窗口选择【File】【New Project】命令，在图4-2中命名为coupler，选择mm为单位，单击OK，在工具栏中单击【save】命令后新的工程建立完成。图4-2 新建coupler工程 4.2 原理图的设计 （1）建立工程后，ADS会自动弹出原理图设计窗口，可直接在绘图区进行设计，首先在原理图设计窗口的元件面板列表中选择“TLines-Microstrip”元件面板，从中选择3个MIL和2个MTEE插入到原理图中，调整它们的放置方式，按图4-3的形式连接起来，组成分支线耦合器的一条支路。图4-3 分支线耦合器的一条支路 （2）同上面方法一样，再选择3个MLIN和2个MTEE插入到原理图中，如图4-4所示将他们连接成分支线耦合器的另外一条支路。图4-4 分支线耦合器的另一条支路（3）同样的再选择2个MLIN插入到原理图中，作为两个支路的微带线，并将两条支路连接起来，组成如图4-5所示的分支线耦合器原理图。图4-5 分支线耦合器原理图4.3微带线参数的设置 在微带线参数的设置中，需要对尺寸参数和电器参数这两种参数进行设置，设置的过程如下：（1）从“TLines-Microstip”元件面板列表中选择一个微带线参数设置控件MSUB插入到原理图中，双击后将其各个参数设置成如图4-6所示。图4-6 MSUB控件设置（2）点击【Tools】【LineCalc】【Start Linecalc】命令，弹出微带线计算工具菜单，在其中输入与MSUB控件相同内容微带线的宽度和长度计算出来。（3）将原理图的各个参量设置成计算出来的参数值，原理图的设计完成。4.4 VAR控件的设置计算出分支线耦合器中微带线的理论尺寸参数后，可以通过“VAR”控件将这些参数应用到微带耦合器的隔断传输线上。 （1）单击【insert】【VAR】命令插入VAR控件图标。 （2）双击VAR控件图标，在弹出的设置窗口中，依次可以添加和修改W、L参数值。这样修改好微带耦合器的隔断微带线的参数值。4.5 S参数仿真设计 在设计好分支线耦合器原理图后，对其进行S参数仿真，观察四个端口的S参数，即观察S参数的幅度和相位。 （1）单击insert GROUD图标和终端负载图标，在原理图中插入4个“地”和4个负载Term，并连接号原理图，如图4-7所示。图4-7 S参数仿真原理图（2）在原理图上放置如图4-8所示的S参数仿真控制器“Simulation-S_Param”，并将其开始频率、终止频率和频率间隔分别设为3.2GHz、4.4GHz、0.02GHz。图4-8 S参数仿真控制器（3）单击工具栏中的【Simulate】命令执行仿真，仿真结束后可得到和的参数曲线，如图4-9所示。图4-9 、参数曲线 从图中可以看出，参数曲线和参数曲线在3.65处的值都在-38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还没有达到预计结果。同样的可以得到和参数曲线如图4-10所示，得到的、相位参数曲线如图4-11所示。图4-10 、参数曲线图4-11 、相位曲线 由图4-14看出，1端口到3端口以及从1端口到4端口的都有3左右的衰减，可以接受这个结果；由图4-11可以看出，相位曲线是线性的，符合要求。4.6 参数的优化 （1）选择优化设置控件Optim，设置优化类型为Random及优化次数为100次。 （2）选择优化目标控件Goal，设置其参数；可以设置多个优化目标。设置完优化目标后先把原理图存储一下，然后就可以进行参数优化了。 （3）点击工具栏中【simulate】命令开始优化。（4）在优化过程中会打开一个状态窗口显示优化的结果，其中的CurrentEF表示与优化目标的偏差，数值越小表示越接近优化目标，0表示达到了优化目标，下面还列出了各优化变量的值，当优化结束时还会打开图形显示窗口。（5）几秒钟之后，优化完成得到的S参数曲线如4-12所示。（a）、仿真结果图（b）、参数曲线（c）、相位曲线图4-12 S参数曲线 从优化的结果看，参数曲线和参数曲线在3.8处的值都在-40以下，1端口到3端口以及从1端口到4端口的都有3左右的衰减，相位曲线是线性的，完全符合要求，达到预计效果。4.7分支线耦合器版图的生成当各个S参数基本上达到技术指标要求后，就可以进行版图的生成，步骤如下：（1）在原理图设计窗口中点击【layout】【Gnerate/Uapdte Layout】即打开了版图生成状态窗口，单击OK即生成了版图。（2）在这里需要设置微带电路的基本参数(即原理图中MSUB里的参数)，方法是点击版图窗口菜单中的【Momentum】【Substrate】【 Update From Schematic】从原理图中获得这些参数，点击【Momentum 】【 Substrate】 【 Create/Modify】可以修改这参数。图4-16所示即为由原理图生成的分支线耦合器版图。图4-13 由电路原理图生成的分支线耦合器版图5.总结与展望 本文在熟悉微波基本理论的基础上，用分解的设计方法进行设计的，将一个四端口网络的设计就转化为二端口网络的设计, 不但简化了设计过程, 而且可以沿用现有的带通微波滤波器的综合方法,随着微波技术的发展和研究的深度逐渐深入，微波集成电路的更高频率化、小型化和固体化是发展的一个必然趋势，这种方法也是可取的，也有待我们更进一步去研究。本文只在理论上进行可行性的分析，在ADS上进行原理图的绘制和仿真并优化，最后得到分支线耦合器的版图。但在设计过程中学到了很多的东西，认识到了ADS在系统和射频仿真中的无比优越性，以及其强大的数据后处理功能和清晰优美的显示界面。在仿真过程中，我主要有下面几点启发和在以后的设计过程中需要注意的地方：第一，要对自己设计的系统或电路的性能有一定的把握，要不然不能理解仿真出来的曲线体现了哪些特性，在仿真中必须带着问题去仿真。第二，要对仿真器有一个比较明了的认识。只有对各个仿真器的功能及仿真原理有了认识，才可以应用自如，很快搭出仿真电路，得到自己想要的特性曲线。 第三，在仿真的过程中，如果对各个模型或者仿真不理解，都可以看help，学习ADS，一定要看里面自带的例子，从里面学习如何设置仿真，如何充分利用ADS的强大功能，里面的例子往往是经过精心设计的，在里面可以学到扎实的仿真基础知识。 第四，ADS软件的功能很强大，还可以进行通信系统仿真、CDMA、数字电视等等。