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正交混合网络的设计姓名：学号：学院：电子工程与光电技术学院指导老师：李兆龙正交混合网络的设计摘要随着通信技术的迅猛开展，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343定向耦合器的研究背景，又通过将输入鼓励分解成偶模鼓励和奇模鼓励的叠加的偶一奇模分解技术从理论上分析了3”3定向耦合器的工作过程。通过AOS软件，对该正交混合网络结构进行原理图仿真，再生成幅员。调整原理图中的微带线参数，使得朋而皿M初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<dBo分别设计343定向耦合器在5.8GHZ低频和60G"z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5.8G"z的定向耦合器，得到如下性能指标：中心频率f0=5.85Gz；20dBreturnlossbandwidth为1639%；20dBisolationbandwidth为13.64%；Amplitudeimbalance<OAdB<XdB,Insertionimbalance<OAdB<XdBo对于工作频率为60G4z的定向耦合器，得到如下性能指标：中心频率60.04GHz；20dBreturnlossbaMwidfh为15.01%；20d8isolationbandwidth为14.31%；Amplitudeimbalance=0.876<dB,Insertionimbalance=0.907<dB。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：ADS3四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开展,通信频率资源紧张的趋势就日益凸显,通信频率逐渐向高频段开展。在开展高频率通信技术的过程中,微波、毫米波技术开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3d3定向耦合器，它在播送电视发射系统中有着广泛的应用。3的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3四定向耦合器具有功率合成和功率分配的性能。二、原理分析3四定向耦合器，其直通和耦合臂的输出之间有.90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，如下列图所示：(InPUf)Z0/2ZQ-Zq0Z屋Z。(OWPM(OILtPUf):Pgurel下面我们利用偶一奇模分解技术来分析正交混合网络的工作过程。参考figvrel,分支线耦合器的根本运作如下：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90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：j101.o1joj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，如加忆2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忆2可分解为偶模鼓励和奇模鼓励的叠加，如“%3所示。因为该电路是线性的,所以实际的响应可从偶模和奇模鼓励响应之和获得。r»>x-r»>l.©Line of symmclr> /=OV= IlM PAArI- Pvv-I- 一©L 竺 LWH.c<<- I令1 I 2 I8 Open-<irctied sbs (2 separate 2-p<>rts)l«£- 令I /128 Short-circuited stubs (2 scpa(c 2-ports>figured正交混合微带线分解为偶模和奇模：3)偶模(e);(b)奇模(o)因为鼓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端口网络,如阚所示。因为这两个端口的输入波振幅为±1/2,所以在正交混合微带线网络每个端口处的振幅可表示为式中，仇。和几,是y"e3所示二端口网络的偶模和奇模的反射系数和传输系数。奇模二端口网络的和，可通过将电路中的每个级联器件的ABCD矩阵相乘得到:1 O-J 172给出反射系数和传输系数为X =-J)同样，对于偶模可以得到"0T"亲+力可以得到如下结果:4=0（端口1是匹配的）员=B2 =（半功率，-90相移）-J=（半功率，T80相移） 24=0（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:SIIS12S3S4-OJIoFqI$21S22S23邑4一17001ISJ=$31S32S33S34100jS4iS42S43S44OljO三、仿真设计（一）Tcsk现在我们要使用20/777/厚的RTduroid6m2介质作为底层材质，设计一个工作频率在5.8G"z的微带线结构。为了用Az）S仿真出符合指标的朋5三W"m结构，考虑先设计出原理图结构。在ADS中画出正交混合网络结构如下列图：MLlNTL1Subs(="M SubVW=25.0 mil - L=IOOOmIIMTEE ADS 1ee1 Subst=wMSubi' W125.0ml W2=25.0mll - W3=5Q.0mil.MLIN',''TL2Subst='M SubKW.=25.0.milL=100 0mllMTEE ADSTee2Subsf="MSubI-W1=25.0mllW2=25.0mll -W3=50.0mil .MUN , , , , TL3 Subst=wMSubV . W =25.0 mil L=100 OnillMLINTL7 SUbSt= M SubTW,=25.0 milL=100.0 milMUN. 7L8Subst=eMSubT W= 25. OmH L= 100. OmllMLINTL4Subst=fcMSubT W=25,0rrtl - L=IOOOmiIMTEE,rADSMUNMTEE_ADSMLIN7ee4、，tl57ee3TL6SUbst= "MSubTSubst= 1Sub14SUbst=MSUt>rSUbSt="MSljbVW125.0mllW=25, Omil- W 1=25 0 mHN=250mlW2-25.0 mil.- L= 100 Omil- - W,225.0 mil.L=IOOO mlI-W 3=50.0 milW 3=50.0 mil并设置介质参数:IISUBInstance Nse (nae(<start stop>JMSublSelect ParameterH=20.0 mil Er=2.94 Mur=I Cond=l0E÷50 Hu=3.9e+034 mil T=0.08 mm TanD=0.0012 RoUgh=O mil20 OEqUatig Edi tor.Tune0pt/St&tDOE Setup.，Display parameter on schematicComponent Options.Substrate thicknessOKApplyCaricclRezet j I Help使用罗杰斯公司的RT/应"iQd6002作为微带线的介质材料，通过查阅罗杰斯公司的官网，可以查阅到RT/d"Wd6002的参数：PropertyTypicalValueRTZduroid6002DirectionDielectricConstant,rProcess2.94±0.04Z121DieIectricConstant,rDesign2.94DissipationFactor,TAN0.0012Z为了求得正交混合网络各支臂的尺寸，利用ADS中的L%eCRc功能：将所用介质的参数导入LineCalC中,并设置电参数：特性阻抗ZO为50,电长度处为90和结构参数：中心频率0为5.8GHz。ValuesveM)sist«nt对其进行综合，可知对于上述参数条件，适宜的物理尺寸为：微带线的宽度W为47.896063加/,长度L为332.839764加/。同样对于特性阻抗为电，电长度夕d为2的微带线，同样可以综合得到适宜的物理尺寸为：微带线的宽度W为81.343701"?，长度L为324.917323加/。将通过ADS的L力Ga/c得到的各支臂微带线的尺寸导入原理图中，并在正交混合网络的四个端口处接入负载。接入S参数仿真元件S-Q4K4M£7E/?S,设置扫描频率：FrequencySweepTypeLinear原理图如下:MSubMUNTLISiitaf-TU SubVW«47 89WC3 EL332839764 miMTEEDS eiSUbSt V SubTW1>479603MlW281 M3701 milW3=47> a96O63 milTU Subst=eMSubi: W 81.343701 m« L=3249i7323fnilMTEE.APS Tee2 SubeMSub W181 343T01 ml W2-47 896063 mlW347.896061miS-PAR AMETE RSMSUB * * * M8ublfmlH=SmEHNUfEl£产2“Z=50 0Mur1 Cond1.CE5O Ho39e*034ml T00mm Tanooo012 Rough=O mil,MLMTL7Subst*MSub IW47 896063 mLW2 839764 mCZ)-MUNTL5 swtMs0)r W81.3<3701 milL324 917323 m<点击仿真按钮，在弹出的窗口中绘制S(l,l),5(1,2),S(l,3),SQ4)曲线:从上图可以看出，仿真结果并不令人满意。于是，对电路图中各支臂的尺寸进行调节。当网络结构的2=298如7,支臂长度L=300m时，可得到S参数的曲线走向如下：4从上图中可以得到，中心频率fo=5.800GHZ20dBreturnlossbandwidth=AI=612°5.51°=10.52%5.800,oj.jj.j1I-I6.1105.510.o1120dBisolationbandwidth=10.33%Zo5.810Amplitudeimbalance<dBInsertionimbalance<XdB将原理图中的负载TeGrOgd,S-PAWMETERS无效化,由原理图直接生成幅员，有:
