混合環(huán)設(shè)計(共11頁)

1、精選優(yōu)質(zhì)文檔-傾情為你奉上微波/毫米波電路分析與設(shè)計課程設(shè)計Rat-race Ring Design 姓名：吳星寒 學(xué)號：6 專業(yè)：通信工程 指導(dǎo)老師：李兆龍Rat-race RingDrawn by PhotoshopMicrostrip 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 wo

2、rking 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實(shí)驗(yàn)設(shè)計原理：Rate-race ring即微帶環(huán)形耦合器或者混合環(huán)，是四端口網(wǎng)絡(luò)，可以由微帶線制成。整個環(huán)的周長為1.5，四個分支線并聯(lián)在環(huán)上，將環(huán)分為4段。 混合環(huán)有兩個端口相互隔離，另外兩

3、個端口平分輸入功率的特性，因此可以看作是一個3dB定向耦合器。 當(dāng)端口1輸入信號時，到達(dá)端口2的兩路信號等幅同相，端口2有輸出，相位滯后90°；達(dá)到端口4的兩路信號等幅反相，端口4無輸出；達(dá)到端口3的兩路信號等幅同相，端口3有輸出，相位滯后90°。其中端口2和端口3輸出振幅相同。得到如下關(guān)系式：S31=S21= 1/2(-j)S41=0端口2輸入信號時，到達(dá)端口1的兩路信號等幅同相，端口1有輸出，相位滯后90°；到達(dá)端口4的兩路信號等幅同相，端口4有輸出，相位滯后70°；到達(dá)端口3的兩路信號等幅反相，端口3無輸出。其中端口1和端口4輸出振幅相同

4、。得到如下關(guān)系式：S12= 1/2(-j)S42= 1/2 j S32=0 當(dāng)端口4輸入信號時，到達(dá)端口1 的兩路信號等幅反相，端口1無輸出；到達(dá)端口2的兩路信號等幅同相，端口2有輸出，相位滯后270°；到達(dá)端口3的兩路信號等幅同相，端口3有輸出，相位滯后90°。其中端口2和端口3輸出振幅相同。得到如下關(guān)系式：S14=0S24=1/2 jS34=1/2 (-j)當(dāng)端口3輸入信號時，到達(dá)端口1的兩路信號等幅同相，端口1有輸出，相位滯后90°；到達(dá)端口2的兩路信號等幅反相，端口2無輸出；到達(dá)端口4的兩路信號等幅同相，端口4有輸出，相位滯后90°。其

5、中端口1和端口4輸出振幅相同。得到如下關(guān)系式：S13= 1/2(-j)S23=0S43=1/2 (-j)實(shí)驗(yàn)設(shè)計步驟：1、創(chuàng)建Project  創(chuàng)建一個混合環(huán)prj，我們所設(shè)計的原理圖及仿真結(jié)果都將保存在這個項(xiàng)目中，將此工程命名為ratracering，長度單位設(shè)為mil。 創(chuàng)建完成及之后的路徑如下：2、搭建混合環(huán)原理圖在原理圖元件面板列表上選擇Tlines-Microstrip中的微帶線參數(shù)設(shè)置控件MSub和Passive Circuit DG - Microstrip Circuits中的混合環(huán)元件RRCplr，將他們插入原理圖，畫圖區(qū)參數(shù)設(shè)置如下：注： Msub中&#

6、160;H表示微帶線基板厚度；  Er表示基板相對介電常數(shù)；  Mur表示相對磁導(dǎo)率；  Cond表示相對電導(dǎo)率；  Hu表示封裝高度；  T表示導(dǎo)體層厚度；  TanD表示損耗角正切；  Rough表示表面粗糙度；       RRCplr中 Subst表示參數(shù)由Msub1決定；  F表示混合環(huán)中心頻率；  Z0表示四個端口傳輸線特性阻抗；  Delta表示用于調(diào)諧的分支長度增加量3、 利用設(shè)計向?qū)苫旌檄h(huán)原理圖 

7、; 選中RRcoupler電路，選擇DesignGuid菜單中的Passive Circuit，彈出對話框，選中對話框中的Microstrip Control Window，彈出Passive Circuit DesignGuid，選擇Design Assistant中的Design，系統(tǒng)將自動完成設(shè)計過程所得結(jié)果如下：4、選擇MLIN、Term和Ground ，4次插入原理圖畫圖區(qū)。 將4個Port部分刪除，在此電路圖中插入微帶線參數(shù)控件MSub，和S參數(shù)仿真元件并設(shè)置如圖所示參數(shù)：S參數(shù)掃描控件參數(shù)意思如下：&

8、#160;Start=20.125 GHz，表示頻率掃描的起始頻率；Stop=28.125GHz，表示頻率掃描的終止頻率； Step=0.05 GHz，表示頻率掃描的頻率間隔。5、計算微帶線參數(shù)W和L并完成最終原理圖 選中MLIN，選擇Tool中的LineCalc，選擇Start LineCalc將MSub中的參數(shù)及中心頻率填入彈出框中并計算，所得結(jié)果如圖所示：將所得W=40.mil和L=207.參數(shù)賦給原理圖中的MLIN，但仿真出的中心頻率偏離要求的24.124較遠(yuǎn)，經(jīng)反復(fù)調(diào)試參數(shù)，得到最終原理圖： 因結(jié)構(gòu)對稱，給出部分參數(shù)圖：其中W=66.

9、5mil，L=238mil。原理圖仿真：選擇原理圖工具欄中的仿真Simulate，運(yùn)行仿真，仿真過程中彈出仿真狀態(tài)窗口，記錄了頻率掃描范圍和仿真花費(fèi)的時間等，如圖：仿真結(jié)束后數(shù)據(jù)顯示視窗自動彈出，單擊數(shù)據(jù)顯示方式面板中的矩形圖標(biāo)，插入數(shù)據(jù)顯示區(qū)，給出S各參數(shù)仿真結(jié)果如下（下圖）：仿真結(jié)果分析：混合環(huán)自身有3dB衰減，所以用-23dB衡量通頻帶。其中，B=6%×fwork=1.4475GHz。1、 S11通頻帶為25.23-21.88=3.35GHz > 1.4475GHz，符合回波損耗帶寬大于6%；2、 S41通頻帶位26.77-22.02=4.75GHz > 1.447

10、5GHz，符合隔離帶寬大于6%；3、 S21和S31在通頻帶的峰峰值之差為3.102-3.081=0.021dB < 1dB，符合幅度不均衡度小于1dB；4、 S21在通頻帶內(nèi)均小于4dB，符合插入損耗小于1dB。實(shí)驗(yàn)設(shè)計問題與心得體會：關(guān)于ADS：因?yàn)槔蠋熒险n說Win8系統(tǒng)不能完全破解，導(dǎo)致我一直很擔(dān)心。但我在安裝ADS2009時候，一直很順利，最后破解也只是按照提示替換了兩個文件就成功了。由于之前的課程設(shè)計都沒有用過這款軟件，所以是第一次使用ADS，但由于使用過Matlab和Quartus II，上手還算快，就是找不到器件。不過像老師所說，這款軟件每年有一個不能用此軟件設(shè)計的懸賞從未有人獲得，在實(shí)驗(yàn)過程中也體會到了軟件的功能強(qiáng)大。由于計算機(jī)計算出的理論的微帶線的電長度和寬