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基于ADS的分支耦合器的设计与仿真（重庆大学 通信工程学院电子与通信工程 ，重庆400044） 摘要：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。本文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。关键字：分支耦合器，S参数，ADS中图分类号：TN622 文献标志码：ADesign and Simulation of branch coupler based on ADS Qiao Zishi( Communication Engineering College of Chongqing university,Electronics and communication engineering,Chongqing 400044,P.R.China)Abstract:With the development of microwave technology and the depth of the research gradually thorough, the microwave integrated circuits of higher frequency, miniaturization and solid is an inevitable trend of development, this method is desirable.This article will combine microwave theory knowledge and the advanced simulation software technology, to realize the micro strip directional coupler coupling and directional performance improvement and improve.Keywords: branch coupler,S parameters,ADS1 前言 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，微波波段的电磁波能穿透电离层,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，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。 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。（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。2 定向耦合概念及分类 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。 定向耦合器的种类繁多，其结构形式多种多样，但本文只对以下三种进行简单的介绍： 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。 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。 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。3 微带分支电路的分析与设计（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，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（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3.2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 ADS设计与仿真4.1原理图的设计 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MIL和MTEE插入到原理图中，调整它们的放置方式，组成如图4.1所示的分支线耦合器原理图。图4.1分支线耦合器原理图4.2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：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4.2所示。图4.2 MSUB控件设置点击【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，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。4.3参数仿真设计 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4-3所示。图4.3 S参数仿真原理图（2）在原理图上放置如图4.4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4.4 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4-5所示。图4.5 、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4.6所示，得到的、相位参数曲线如图4.7所示。 图4.6、参数曲线图4.7、相位曲线 由图4.6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4.7可以看出，相位曲线是线性的，符合要求。5 总结 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，得出结果。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。参考文献：1清华大学“微带电路”编写组.微带电路M.北京 ：人民邮电出版社，1976.2 王新稳，李萍.微波技术与天线M. 北京：电子工业出版社，2006.3 Cheng K K M，Wong F L A novel approach to the designand implementation of dual-band compact planar 90 branch-line coupler J IEEE Transactions on Microwave Theory and Techniques，2004，52( 11) : 2458-24634 Zhang H L，Chen K J A stub tapped branch-line coupler for dual-band operations J IEEE Microwave and Wire-less Components Letters，2007，17( 2) : 106-1085 Cheng K K M，Wong F L A novel rat-race coupler design for dual-band applications J IEEE 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