混合环设计

微波/毫米波电路分析与设计课程设计

——Rat-race Ring Design

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学号：************

专业：通信工程

指导老师：***

Rat-race Ring

Drawn by Photoshop

Microstrip 180° hybrid coupler(rat-race ring) is an important RF/microwave component in 4G/5G and WPAN wireless communication industry.

Task & Requirements:

Design such a component working at 24.125 GHz, using substrate RT/duroid 6002, 20mil thickness.

Requirements:

♦20dB return loss bandwidth > 6%

♦20dB isolation bandwidth > 6%

♦Amplitude imbalance < 1dB

♦Insertion Loss < 1dB

实验设计原理：

Rate-race ring即微带环形耦合器或者混合环，是四端口网络，可以由微带线制成。整个环的周长为1.5λ，四个分支线并联在环上，将环分为4段。

混合环有两个端口相互隔离，另外两个端口平分输入功率的特性，因此可以看作是一个3dB定向耦合器。

当端口1输入信号时，到达端口2的两路信号等幅同相，端口2有输出，相位滞后90°；达到端口4的两路信号等幅反相，端口4无输出；达到端口3的两路信号等幅同相，端口3有输出，相位滞后90°。其中端口2和端口3输出振幅相同。得到如下关系式：

S31=S21= 1/√2(-j)

S41=0

端口2输入信号时，到达端口1的两路信号等幅同相，端口1有输出，相位滞后90°；到达端口4的两路信号等幅同相，端口4有输出，相位滞后70°；到达端口3的两路信号等幅反相，端口3无输出。其中端口1和端口4输出振幅相同。得到如下关系式：

S12= 1/√2(-j)

S42= 1/√2 j

S32=0

当端口4输入信号时，到达端口1 的两路信号等幅反相，端口1无输出；到达端口2的两路信号等幅同相，端口2有输出，相位滞后270°；到达端口3的两路信号等幅同相，端口3有输出，相位滞后90°。其中端口2和端口3输出振幅相同。得到如下关系式：

S14=0

S24=1/√2 j

S34=1/√2 (-j)

当端口3输入信号时，到达端口1的两路信号等幅同相，端口1有输出，相位滞后90°；到达端口2的两路信号等幅反相，端口2无输出；到达端口4的两路信号等幅同相，端口4有输出，相位滞后90°。其中端口1和端口4输出振幅相同。得到如下关系式：

S13= 1/√2(-j)

S23=0

S43=1/√2 (-j)

实验设计步骤：

1、创建Project

创建一个混合环prj，我们所设计的原理图及仿真结果都将保存在这个项目中，将此工程命名为ratracering，长度单位设为mil。

创建完成及之后的路径如下：

2、搭建混合环原理图

在原理图元件面板列表上选择Tlines-Microstrip中的微带线参数设置控件MSub和Passive Circuit DG - Microstrip Circuits中的混合环元件RRCplr，将他们插入原理图，画图区参数设置如下：

注：Msub中 H表示微带线基板厚度；

Er表示基板相对介电常数；

Mur表示相对磁导率；

Cond表示相对电导率；

Hu表示封装高度；

T表示导体层厚度；

TanD表示损耗角正切；

Rough表示表面粗糙度；

RRCplr中 Subst表示参数由Msub1决定；

F表示混合环中心频率；

Z0表示四个端口传输线特性阻抗；

Delta表示用于调谐的分支长度增加量

3、利用设计向导生成混合环原理图

选中RRcoupler电路，选择DesignGuid菜单中的Passive Circuit，弹出对话框，选中对话框中的Microstrip Control Window，弹出Passive Circuit DesignGuid，选择Design Assistant中的Design，系统将自动完成设计过程所得结果如下：

4、选择MLIN、Term和Ground ，4次插入原理图画图区。

将4个Port部分删除，在此电路图中插入微带线参数控件MSub，和S参数仿真元件并设置如图所示参数：

S参数扫描控件参数意思如下：

Start=20.125 GHz，表示频率扫描的起始频率；

Stop=28.125GHz，表示频率扫描的终止频率；

Step=0.05 GHz，表示频率扫描的频率间隔。

5、计算微带线参数W和L并完成最终原理图

选中MLIN，选择Tool中的LineCalc，选择Start LineCalc将MSub中的参数及中心频率填入弹出框中并计算，所得结果如图所示：

将所得W=40.715748mil和L=207.199606参数赋给原理图中的MLIN，但仿真出的中心频率偏离要求的24.124较远，经反复调试参数，得到最终原理图：

因结构对称，给出部分参数图：

其中W=66.5mil，L=238mil。

原理图仿真：

选择原理图工具栏中的仿真Simulate，运行仿真，仿真过程中弹出仿真状态窗口，记录了频率扫描范围和仿真花费的时间等，如图：