微波毫米波Project论文
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正交混合网络的设计
：
学号：
学院：电子工程与光电技术学院
指导老师：兆龙
正交混合网络的设计
摘要
随着通信技术的迅猛发展，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3dB定向耦合器的研究背景，又通过将输入激励分解成偶模激励和奇模激励的叠加的偶—奇模分解技术从理论上分析了3dB定向耦合器的工作过程。
通过ADS软件，对该正交混合网络结构进行原理图仿真，再生成版图。调整原理图中的微带线参数，使得Momentum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1dB
<。
分别设计3dB定向耦合器在5.8GHz低频和60GHz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5.8GHz的定向耦合器，得到如
下性能指标：①中心频率
05.85
f GHz
=；②20dB return loss bandwidth为16.39%；③20dB isolation bandwidth为13.64%；④Amplitude imbalance 0.41
dB dB
<<，Insertion imbalance0.41
dB dB
<<。
对于工作频率为60GHz的定向耦合器，得到如下性能指标：①中心频率
060.04
f GHz
=；②20dB return loss bandwidth为15.01%；③20dB isolation bandwidth为14.31%；④Amplitude imbalance0.8761dB
=<，Insertion imbalance0.9071dB
=<。
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：ADS3dB定向耦合器微带线优化仿真
一、研究背景
移动通信技术迅猛发展,通信频率资源紧的趋势就日益凸显,通信频率逐渐向高频段发展。在发展高频率通信技术的过程中,微波、毫米波技术发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3dB 定向耦合器，它在广播电视发射系统中有着广泛的应用。3dB 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3dB 定向耦合器具有功率合成和功率分配的性能。
二、原理分析
3dB 定向耦合器，其直通和耦合臂的输出之间有90o 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，如下图所示：
1figure
下面我们利用偶—奇模分解技术来分析正交混合网络的工作过程。 参考1figure ，分支线耦合器的基本运作如下：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90o 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：
010001
1[]1
002010j j S j j ⎡⎤
⎢⎥-⎢⎥=⎢⎥⎢⎥⎣⎦
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2
figure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
2
figure所示。因为该电路figure可分解为偶模激励和奇模激励的叠加，如3
2
是线性的，所以实际的响应可从偶模和奇模激励响应之和获得。
figure正交混合微带线分解为偶模和奇模：（a)偶模（e);(b)奇模（o)
3
因为激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
，所以在正端口网络，如3
figure所示。因为这两个端口的输入波振幅为1/2
交混合微带线网络每个端口处的振幅可表示为
1 2 3 411 22 11 22
11
22
11
22
e o
e o
e o
e o
B
B T T
B T T
B
=Γ+Γ
=+
=-
=Γ-Γ
式中，
,e o
Γ和
,e o
T是3
figure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
o
Γ和
o
T可通过将电路中的每个级联器件的ABCD矩阵相乘得到：
给出反射系数和传输系数为
()j
o
o
-
=
T
=
Γ
1
2
1
同样，对于偶模可以得到
()j
e
e
+
-
=
T
=
Γ
1
2
1
可以得到如下结果：
1
2
3
4
0(1
90
2
180
2
B
B
B
B
=
=
=
=
o
o
端口是匹配的）
（半功率，-相移）
（半功率，-相移）
（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：