ADS设计定向耦合器

目录1概述0微波技术产生的背景及发展趋势 0微波电路仿真软件ADS简介0定向耦合概念及分类1概念1分类2主要技术指标32工作原理4传输线理论4输入阻抗5特性及测量6网络特性 6测量方法（定向耦合器的特性参量）7定向耦合器的用途73.微带分支电路的分析与设计8分支线耦合器9分支线耦合器的奇偶模分析94设计过程13建立工程13原理图的设计14微带线参数的设置15VAR控件的设置15S参数仿真设计16参数的优化18分支线耦合器版图的生成195.总结与展望201概述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。

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①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。

②ADS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。

③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：①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。

②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。

③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。

④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。

⑤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。

⑥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。

定向耦合概念及分类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3dB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④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。

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。

①耦合度CP与端口2的输当端口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1P之比的分贝数为该定向耦合器的耦合度C，则出功率212221110lg 10lg P C P S ⎛⎫⎛⎫== ⎪ ⎪ ⎪⎝⎭⎝⎭(dB ) （） ② 方向性系数D端口2的输出功率2P 与端口3的输出功率3P 之比的分贝为定向耦合器的方向性系数D ，则2212233110lg 10lg S P D P S ⎛⎫⎛⎫== ⎪ ⎪ ⎪⎝⎭⎝⎭(dB) 对于一个理想的定向耦合器，3310,0,P S D ==→∞。

③ 隔离度I端口1的输入功率1P 与端口2的输出功率3P 之比的分贝数为该定向耦合器的隔离度I ，则12331110lg 10lg P I P S ⎛⎫⎛⎫== ⎪ ⎪ ⎪⎝⎭⎝⎭ (dB ) 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①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。

⑤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，30P =，310S =,I →∞。

由（）、（）、（）可以得出它们之间具有如下关系：D I C =-2工作原理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()()1zdU z Z I z d =- （）()()1z dI z YU z d =-当已知终端条件时，它的解可以表示'''202()U z U chyz Z I shyz =+ （） '''220()U I z shyz I chyz Z =+ （） 其中22U 、I 为终端电压与电流，γ为传播常数,j γαβ==+ ,（α为衰减系数,β为相移常数）。

对于无耗传输线，它的常用参量有相移常数β 2pπβλ= 相速度p νpc ν= 相波长p λp λ= 特性阻抗0Z0Z =输入阻抗传输线上任意一点Z '的输入阻抗()in Z z '定义为该点电压与电流之比。

即由式得 ()()'''00''0()L in L Z Z thyz U z Z z Z Z Z thyz I z +==+ 式中22/L Z U I =，对于无耗传输线，有,0j γβα==，代入上式得()'tan '00'0Z jZ z L Z z Z in Z jZ thy z L ββ+=+ 即传输线上任意一点z '的输入阻抗与位置z '和负载阻抗L Z 有关。