1、正交混合網絡的設計姓名：學號：學院：電子工程與光電技術學院指導老師：李兆龍正交混合網絡的設計摘要隨著通信技術的迅猛發展，微帶定向耦合器作為微波、毫米波系統中的重要器件也得到了更大的關注。本文先介紹了定向耦合器的研究背景，又通過將輸入激勵分解成偶模激勵和奇模激勵的疊加的偶奇模分解技術從理論上分析了定向耦合器的工作過程。通過軟件，對該正交混合網絡結構進行原理圖仿真，再生成版圖。調整原理圖中的微帶線參數，使得中的仿真結果滿足設計指標：回波損耗，完善隔離，以及在端口和端口處的功率匹配的不平衡度。分別設計定向耦合器在低頻和高頻上微帶線結構，并對其進行優化，改善其性能指標。對于工作頻率為的定向耦合器，得到

2、如下性能指標：中心頻率； 為； 為； ， 。對于工作頻率為的定向耦合器，得到如下性能指標：中心頻率； 為； 為； ， 。 最后，本文分析了所得到的定向耦合器的性能，驗證其性能。關鍵字： 定向耦合器 微帶線 優化仿真一、研究背景移動通信技術迅猛發展,通信頻率資源緊張的趨勢就日益凸顯,通信頻率逐漸向高頻段發展。在發展高頻率通信技術的過程中,微波、毫米波技術發展的戰略意義更為突出。微帶定向耦合器作為微波、毫米波系統中的重要器件,制約著系統性能和技術水平,其性能的優劣將直接影響到整個系統的質量。正交混合網絡是定向耦合器，它在廣播電視發射系統中有著廣泛的應用。定向耦合器可將一路射頻信號分配成幅度相等、相

3、位差為度的信號，也可將兩路幅度相等、相位差為度的信號合為一路，因此定向耦合器具有功率合成和功率分配的性能。二、原理分析定向耦合器，其直通和耦合臂的輸出之間有相位差。這種類型的混合網絡通常做成微帶線或帶狀線形式，如下圖所示：下面我們利用偶奇模分解技術來分析正交混合網絡的工作過程。參考，分支線耦合器的基本運作如下：所有端口是匹配的，從端口輸入的功率對等地分配給端口和端口，這兩個端口之間有相移，沒有功率耦合到端口（隔離端）。所以矩陣有如下形式：其中，分支線混合網絡有高度的對稱性，任意端口都可以作為輸入端口，輸出端口總是在與網絡的輸入端口相反的一側，而隔離端是輸入輸出端口同側的余下端口。對稱性反映在散

4、射矩陣中是每行可從第一行互換位置得到。首先用歸一化形式畫出正交混合微帶線的電路示意圖，如所示。假定在端口1輸入單位幅值的波。 歸一化的正交混合微帶線電路可分解為偶模激勵和奇模激勵的疊加，如所示。因為該電路是線性的，所以實際的響應可從偶模和奇模激勵響應之和獲得。 正交混合微帶線分解為偶模和奇模：（a)偶模（e);(b)奇模（o)因為激勵的對稱性和反對稱性，四端口網絡能分解為一組兩個無耦合的二端口網絡，如所示。因為這兩個端口的輸入波振幅為 ，所以在正交混合微帶線網絡每個端口處的振幅可表示為式中， 和是所示二端口網絡的偶模和奇模的反射系數和傳輸系數。奇模二端口網絡的和可通過將電路中的每個級聯器件的A

5、BCD矩陣相乘得到：給出反射系數和傳輸系數為同樣，對于偶?？梢缘玫娇梢缘玫饺缦陆Y果：結合上述表達式可得到理想正交混合微帶線網絡的散射參數為：三、仿真設計（一）現在我們要使用厚的介質作為底層材質，設計一個工作頻率在的微帶線結構。為了用仿真出符合指標的結構，考慮先設計出原理圖結構。在中畫出正交混合網絡結構如下圖：并設置介質參數：使用羅杰斯公司的作為微帶線的介質材料，通過查閱羅杰斯公司的官網，可以查閱到的參數：為了求得正交混合網絡各支臂的尺寸，利用中的功能：將所用介質的參數導入中，并設置電參數：特性阻抗為，電長度為和 結構參數：中心頻率為。對其進行綜合，可知對于上述參數條件，合適的物理尺寸為：微帶線

6、的寬度為，長度為。同樣對于特性阻抗為 ，電長度為的微帶線，同樣可以綜合得到合適的物理尺寸為：微帶線的寬度為，長度為。將通過的得到的各支臂微帶線的尺寸導入原理圖中，并在正交混合網絡的四個端口處接入負載。接入參數仿真元件，設置掃描頻率：原理圖如下：點擊仿真按鈕，在彈出的窗口中繪制，曲線：從上圖可以看出，仿真結果并不令人滿意。于是，對電路圖中各支臂的尺寸進行調節。當網絡結構的，支臂長度時，可得到參數的曲線走向如下：從上圖中可以得到，中心頻率將原理圖中的負載，無效化，由原理圖直接生成版圖，有：選擇中菜單中的 以導入原理圖中的數據，選擇中的，設置版圖仿真中的掃描頻率:對其進行仿真，有：在其中做出，的曲線

7、，如下：于是在版圖仿真中有：中心頻率和原理圖仿真結果有些偏差。為了在版圖中得到的中心頻率，對原理圖中各支臂微帶線的尺寸進行微調，在中觀察結果。當原理圖如下時，我們得到更優的仿真結果。其在中，的曲線為：其中：中心頻率同時可以得到，的相位曲線：在中心頻率處，有大約的相位差。（二）如果同樣的介質應用在高頻上，考察其性能指標是否可以滿足。將工作頻率由低頻的改為高頻的，那么各支臂微帶線的尺寸也要發生變化。當特性阻抗 ，電長度時，由計算得到的合適物理尺寸為：微帶線寬度為，長度為；當特性阻抗時，微帶線寬度為，長度為。將這些尺寸值導入到原理圖中進行原理圖仿真，可以得到在，的曲線為從上圖可以看出，在附近，。假設

8、在端口處接入信號源，則幾乎全部的功率都從端口處反射回來。而在的頻率附近，從端口向其他端口的傳遞系數非常小， ，也就是說從其余三個端口輸出的功率不到總功率的。于是，可以得到結論，這種材料作為正交混合微帶線網絡的介質，不能傳輸高頻信號。如果將微帶線的介質改為陶瓷結構，相對介電常數，介質厚度，工作頻率為，同樣利用中的對其各支臂微帶線尺寸進行綜合。當特性阻抗 ，電長度時，由計算得到的合適物理尺寸為：微帶線寬度為，長度為；當特性阻抗時，微帶線寬度為，長度為。此時，各支臂微帶線的長寬尺寸在一個數量級上，且相對的兩支臂也非常接近。微帶線之間的相互耦合會產生分布電容和寄生電容，影響定向耦合器的功率傳輸。另外存

9、在的一個實際問題是，在分支耦合器節點處存在不連續效應，會對仿真結果造成一定的影響。如果將并聯臂的電長度增加，將會減小這種影響，因此，在用綜合微帶線尺寸時，兩條特性阻抗為的微帶線使用的電長度。當特性阻抗 ，電長度為時，由計算得到的合適物理尺寸為：微帶線寬度為，長度為。同樣將這些參數導入到原理圖中。為了方便調整原理圖中各支臂的長寬尺寸，定義變量。只需要改變的值，便可以改變相應的長度或寬度。不妨假設特性阻抗為的微帶線的寬度為，特性阻抗為的微帶線的寬度為，長度為的微帶線長度，其余微帶線長度記為為。在原理圖的中設置掃描頻率：粗略調節各個長寬參數值，并在原理圖中仿真并得到，的曲線如下：將原理圖中的負載，無

10、效化，由原理圖直接生成版圖，得到如下結構：從上圖也可以看出，各支臂之間的距離非常小。選擇中菜單中的 以導入原理圖中的數據，選擇中的，設置版圖仿真中的掃描頻率:對其進行仿真，有：則其回波損失；作出的曲線：由上圖可以看出，在曲線上，中心頻率偏移較大，此時需要在原理圖中對微帶線尺寸進一步地調整。當 ， 時，在中可以得到的曲線如下：其中，中心頻率為了使得回波損耗帶寬更大，對于原理圖中的微帶線長寬參數再次進行優化調整。當，時，可以得到更加優化的參數指標。原理圖如下：由之生成版圖，對其仿真，得到的曲線如下：由此可得：滿足我們的設計指標。的相位曲線如下：在中心頻率處，觀測的相位，可以得知的相位相差。分析在中

11、心頻率處的傳輸系數：則可以看出，大概一半的功率從端口分別傳遞到端口和端口。而在中心頻率處，所以功率幾乎不會從端口和端口處傳出，因此這個結構被稱為定向耦合器。四、心得體會我感覺這次Project和以往做實驗最大的不同是，這次Project的完成更加要依靠自己的自學能力。以往也有接觸過使用一個新學的軟件完成一個工程這樣的工作，但是基本上都是老師先演示一遍這個軟件該如何使用，這個結構該如何設計。這一次，無論是從軟件上來說，還是從Project涉及到的知識內容來說，都是更加讓人激動的挑戰。當老師把Project需要完成的內容和指標告訴我們的時候，我們都是茫然的，因為對這些指標我們一點概念都沒有。我大概

12、花了一個禮拜的時間在網上看ADS軟件的視頻教程，翻閱圖書館的軟件教程指導書，也按著書上的步驟做了一些小的工程。在準備開始做老師布置的Project是，真的感到萬事開頭難??！好在老師在課堂上給了一些關于Project的提示，總算是磕磕絆絆地完成任務。在最后一個禮拜，大家都開始非常積極地完善自己的Project，我也嘗試使自己設計的3dB定向耦合器的性能指標更加優化。因為老師說過，這個Project的主要作用是為了讓我們了解ADS的使用，所以他給的指標要求都非常容易滿足，所以我試著調試了很久，最后做出讓我覺得比較滿意的結果。我個人很高興能有這樣一個體驗的機會，有種將課本上的理論只是通過軟件虛擬地應用在實際生活中的感覺。進入大學以來做實驗或者使用一些軟件的機會比我想象的少的多，所以每一次這種實際動手或仿真的機會都會讓人歡呼。也許在做Project的過程中會有很多困難，或是軟件出現問題，或是指標