微带线定向分支线耦合器

设计仿真微带线分支线定向耦合器
一、设计要求：
设计3dB微带分支定向耦合器
已知条件：微带线介质基片厚度h=0.5mm，εr＝4.2。

指标要求：
1）通带：50MHz
2）耦合度：3dB
3）中心频率：1.8GHz
4）输入输出阻抗：50Ω
二、理论分析：
2.1 结构分析
在一些电桥电路及平衡混频器等元件中，常用到分支线定向耦合器，微带二分支定向耦合器如下图所示，图中的字母G、H和数字1是各线段特性导纳的归一化值（对50欧姆阻抗对应的导纳值归一化），因各端口的导纳值相同，所以又称为等阻二分支定向耦合器。

H（Zb）
当功率由（1）臂输入时，（2）、（3）两臂有输出；理想情况下，（4）臂无功率输出，故（4）臂是隔离臂，（2）、（3）两臂的输出可按一定的比例分配，若（2）、（3）两臂的输出功率相同，都等于输入功率的一半，则成为3dB定向耦合器或3dB分支电桥。

利用奇偶模分析法，将上述电路在中心线A－A1处切开，此时可将两条线（1）－（2）及（3）－（4）从A－A1面分开来考虑，这样将四端口网络转换为二端口网络，上下是对称的。

所以利用各端口理想的匹配及（1）、（4）端口之间理想的隔离条件，得出下列公式：
2221(1)3
(2)4
11
20lg 20lg
(3)
3G H u jG u u G C u GH
+==-+== 其中C 称为定向耦合器的耦合度，u1、u2、u3分别为（1）口输入电压和（2）、
（3）口输出电压，可见（2）口和（3）口的输出电压相位差90度，对与3dB 定向耦合器（C ＝3dB ）代入上式得：
1,G H =2.2 主要技术指标 含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C
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p1与端口2的输出功率p2之比的分贝数为该定向耦合器的耦合度C ，则
（2）方向性系数D
端口2的输出功率p2与端口3的输出功率p3之比的分贝为定向耦合器的方向性系数D ，则
（3）隔离度I 端口1的输入功率p1与端口2的输出功率p3之比的分贝数为该定向耦合器的隔离度I ，则
（4）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都匹配负载时，在输入端口1测量到的驻波系数。

（5）频带宽度 频带宽度是指当耦合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起器，p3=0，S31=0，I 趋向于无穷大
三、 原理图设计及仿真分析： 3.1 原理图设计
Ω===
Ω===3.351150110
bY Y Z aY Y Z b b a a
（1）运行ADS,会弹出ADS开始运行的画面，随后会打开了ADS主窗口选择【FILE】→【New Project】命令，输入工程名BLCoupler_prj。

单击ok，在工具栏点击【save】命令后新的工程建立完成。

（2）创建原理图BLCoupler1，并利用ADS微带线的计算工具完成对微带线的计算。

原理图BLCoupler1上，选择【tools】→【LineCalc】→【StartLineCalc】就弹出如下计算窗口。

微带基板参数设置
H=0.5mm 微带基片厚度
Er=4.2 基片相对介电常数
Mur=1 相对磁导率为1
Cond=4.1e+7 微带金属片导电率Hu=15 mm 微带电路封装高度
T=0.03 mm 微带金属厚度TanD=0.0003 损耗角正切
Rough=0mm 微带线表面不平整度
（3）在原理图的元件面板列表上添加微带线MLI N、MTEE、负载终端Term，按如下原理图设置各个元件的参数。

3.2 原理图仿真
（1）对S参数仿真控件SP进行设置，设置如下：
（3）点击原理图工具栏上的按钮，进行仿真，初步得带如下波形，
S11参数值曲线S21参数值曲线
S31参数值曲线S41参数值曲线
从图中可以看出，S11和S41参数曲线在1.8GHZ处的值都在-35dB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达到了预计效果，但是还不怎么足够。

1端口到3端口以及1端口到2端口的都有3dB左右的衰减，可以接受这个结果；
四、原理图优化、版图生成及仿真
4.1 原理图优化
（1）将微带线（TL3、TL4）、（TL7、TL8）中L分别设置成变量L1，L2，加入变量【V AR】控件进行设置L1为22.0331(18.7—26.7)，L2为22.8295(19.2—27.2)具体如下：
（2）在原理图上添加优化控件optim目标控件Goal，具体设置如下：
（3）再点击原理图工具栏上的按钮，进行优化后的仿真。

优化后S11参数值曲线优化后S21参数值曲线
优化后S31参数值曲线优化后S41参数值曲线
从优化的结果看，S11参数曲线和S41参数曲线在1.8GHZ处的值都在-35dB(隔离度）以下，1端口到3端口以及从1端口到2端口都有3dB左右的衰减，比优化前的参数更精确了，完全符合要求，达到预计效果。

4.2版图生成及仿真
（1）在微带分支定向耦合器原理图视窗上，去掉4个端口Term、接地及优化控件optim，不让它们生成在版图中。

（2）选择原理图上的【Layout】→【Generate/Update Layout】弹出设置窗口，默认它的设置，点击【OK】后即能生成版图窗口。

（3）在版图视窗中对版图进行仿真可得波形
版图S11参数值曲线版图S21参数值曲线
版图S31参数值曲线版图S41参数值曲线
所得参数曲线和优化后原理图的仿真完全一样，说明原理图和版图的生成都是能达到设计的要求。

五、心得体会
为期一个学期的ADS设计已经结束，我们这次设计是建立在微波基本理论的基础上，用分解的设计方法进行设计的，将一个四端口的网络设计转化为二端口网络的设计。

设计过程中得到如下体会：
（1）要对自己设计的系统或者电路的性能有一定的把握，不然我们无法理解仿真出来曲线体现出来的特性。

（2）要对仿真器有比较明了的认识，只有对仿真器的功能及仿真原理有认识，才可以运用自如，才能较快的搭出仿真原理图，得到自己想要的特性曲线。

（3）自在仿真过程遇到难题，我们要敢于去解决它，迎难而上。

（4）通过这次仿真，对设计的定向分支耦合器的原理有了较深的理解。

（5）仿真过程，了解了ADS的功能，也体会到了它功能的强大，还可以进行通信系统仿真、CDMA等
六、参考文献
【1】黄玉兰编著，电磁场与微波技术。

人民邮电出版社，2010。

【2】黄玉兰编著，ADS射频电路设计基础与典型应用。

人民邮电出版社，2010。