平面魔T的ADS设计

1004220120陈奇1平面魔T的ADS设计1目录一、..................................................摘要二、..............................................项目名称三、.............................................设计要求四、.............................................设计原理五、.............................................设计步骤六、...........................................原理图仿真七、…………………………………………………………仿真结果分析八、……………………………………………………………课后提高九、...........................................总结与心得十、.............................................参考文献1004220120陈奇2平面魔T的ADS设计2《微波/毫米波电路分析与设计》课程设计大作业摘要平面魔T，即平面功率混合环，为微波波段常用的器件，依据混合环的独特结构，实现端口之间的相互隔离、功率的分配以及调节功率的输出的相位等，正因其独特的平面结构而具有体积小、重量轻、实现结构简单，易于其他平面电路集成等优点。魔T的各项指标主要包括：耦合度、隔离度、方向性、输入驻波比、频带宽度等，本文主要实现的是一个中心频率为35GHz的微带线魔T，功率分配为3dB，衰减要求大于20dB,根据所给定的设计指标以及题目要求确定魔T的结构，并应用ADS软件仿真模拟，做出S参数曲线，验证试验原理的正确性，对魔T特性进行分析，从而更加深刻的理解平面功率混合环的构造及工作原理。关键字：魔T平面功率混合环耦合度隔离度ADSS参数1004220120陈奇3平面魔T的ADS设计3二、项目名称：平面魔T的设计与仿真三、设计要求：中心频率为35GHz；介质基片厚度为0.5mm;介质常数为2.2；008.0tan；铜导体厚度为0.5mil.四、设计原理平面魔T也叫平面功率混合环、rat-racering、rat-racecoupler。整个环的周长为1.5λg，四个分支线并联在环上，将环分为4段，4段长度如图所示，λg为魔T波长。。图1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1004220120陈奇4平面魔T的ADS设计4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度；达到端口3的两路信号等幅反相，端口3无输出；达到端口4的两路信号等幅同相，端口4有输出，相位滞后90度。其中端口2和端口4输出振幅相同。因此，有S₄₁=S₂₁=（-j），S₃₁=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度；到达端口3的两路信号等幅同相，端口3有输出，相位滞后70度；到达端口4的两路信号等幅反相，端口4无输出。其中端口1和端口3输出振幅相同。因此有S₁₂=（-j）,S₃₂=j,S₄₂=0;当端口3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度；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度。其中端口2和端口4输出振幅相同。因此，有S₁₃=0,S₂₃=j,S₄₃=(-j);当端口4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度；到达端口2的两路信号等幅反相，端口2无输出；到达端口3的两路信号等幅同相，端口3有输出，相21212121211004220120陈奇5平面魔T的ADS设计5位滞后90度。其中端口1和端口3输出振幅相同。因此，有S₁₄=(-j),S₂₄=0,S₃₄=(-j)在理想的情况下，它的四个端口完全匹配。由上面的分析可以得到混合环的散射矩阵为由混合环的散射矩阵可以知道混合环为3dB定向耦合器。五、设计步骤图2如图可以知道，四个端口的微带线的特性阻抗，相同为Z0，而中间的环形传输线的特性阻抗是Z02而一般，折衷传输功率和衰减系数，我们选择50Ω的特性阻抗，则中间圆环传输线特性阻抗选择为71.70502Ω0000000021jjjjjjjjS21211004220120陈奇6平面魔T的ADS设计61、放置圆环微带传输线（1）由上图可知，圆环可以由4段组成，每段圆心角为60°，60°，60°和180°；（2）根据要求，计算在特定参数下的微带线宽度和长度；（3）根据计算结果L计算出R，并依据Ｗ、Ｒ数值放置圆环微带线，结果如图：1004220120陈奇7平面魔T的ADS设计72、放置端口的微带线（１）使用linecalc计算结果：（２）根据算出的Ｗ、Ｌ放置端口微带线，结果如图：3、令每个端口的阻抗匹配50Ω，分别接地，连接电路如图：1004220120陈奇8平面魔T的ADS设计8基本电路设计完成，接下来进行原理图的仿真，验证设计理论的正确与否，并根据仿真结果寻找设计原理的疏漏、错误。并通过不断改善参数寻找最接近理想情况的设计尺寸。4、将电阻与地替换，生成版图1004220120陈奇9平面魔T的ADS设计9版图生成如下：5、原理图仿真结果如下，当从1口输入，各参数𝑆11、𝑆21、𝑆31如图：六、原理图仿真对原理图进行进一步仿真，得出各组S参数的幅频图、相频图、史密斯图如下：1004220120陈奇10平面魔T的ADS设计10（1）𝑆11(2)𝑆221004220120陈奇11平面魔T的ADS设计11(3)𝑆33（4)𝑆441004220120陈奇12平面魔T的ADS设计12（5）𝑆21（6）𝑆311004220120陈奇13平面魔T的ADS设计13（7）𝑆32（8）𝑆411004220120陈奇14平面魔T的ADS设计14（9）𝑆42（10）𝑆431004220120陈奇15平面魔T的ADS设计15七、仿真结果分析：经以上仿真图线，有以下分析结果：1、在f=35GHz处，各反射系数幅度：𝑆11：A≈-22.806、𝑆22：A≈-22.301、𝑆33：A≈-22.806、𝑆44：A≈-22.301均小于-20dB，达到设计要求。2、在f=35GHz处，传输系数幅度：𝑆21：A≈-3.25dB,𝑆31：A≈-3.213dB,𝑆42:A≈-3.287dB,𝑆43:A≈-3.249dB。皆基本符合3dB功率分配原理。3、当信号由端口1输入时，端口1、4隔离，端口2、3各分一半功率，相位：𝑆21：Φ≈-87.7𝑆31：Φ≈-91.4,皆约为-90度，相位差为0。所以此时为和模式。此时，衰减大于20dB的带宽分别为𝑆41：11.44GHz𝑆11：6.1GHz1004220120陈奇16平面魔T的ADS设计164、当信号由端口2输入时，端口2、3隔离，端口1、4各分一半功率，相位：𝑆12：Φ≈-87.7𝑆42：Φ≈87.07相位差约为180度。所以此时为差模式。此时，衰减大于20dB的带宽分别为𝑆32：11.29GHz𝑆22：7.58GHz5、由上面的分析可知，当操作频率离中心频率越远的时候，两端输出功率也越来越不平衡，Hybrid-Ringcoupler的和模差模的最大的最大不同只是输出相位的不一样，其他特性都差不多。1004220120陈奇17平面魔T的ADS设计17版图生成后，对其填充介质，覆上铜层，继续仿真，结果如图所示，为示区别，与原理图仿真曲线对比幅频曲线对比图1004220120陈奇18平面魔T的ADS设计18相频曲线对比图1004220120陈奇19平面魔T的ADS设计19史密斯圆图对比图1004220120陈奇20平面魔T的ADS设计20经过以上对比，有如下结论：版图仿真与理论仿真稍有偏差，𝑆11、𝑆33曲线最低衰减对应的中心频率为32GHz左右，在35GHz处衰减稍低于20dB,所以隔离出现问题，这也导致端口2、3的功率分配稍大于3dB，而其余仿真曲线接近指标要求，𝑆32、𝑆41约-19.8dB。可见在实际情况下，由于耦合损耗，介质及魔T所处环境的非理想影响，仿真结果就会与理论值有偏差，因此在设计中我也适当的修改了W、L参数，以使最后的仿真结果接近理想，降低最终误差。八、课后提高通过查阅书籍、搜集资料，独立思考以及与同学积极讨论来完成这个项目，更激发了我对魔T乃至微波技术的兴趣，老师曾提出过魔T有效频带窄这个问题，而在我设计与仿真时更是切身体会到了老师所提问题的存在性。而借此我在课下查阅了一些资料了解了在增加魔T有效带宽方面一些可行的办法。其一，用一段相移为270°的耦合线节代替，为降低对频率的敏感性，把环上3λg/4d的传输线段用中心频率上的宽带倒相网络来代替。其二，利用混合环上增加附加端口的方法，使差分端口响应降低，以此来增加带宽提高隔离度。对于这个问题，我觉得可以降低电压驻波比，例如使3λg/4d的传输线段的阻抗值来来达到这个目的，如将√2𝑍0提高到1.45𝑍0或1.46𝑍0。1004220120陈奇21平面魔T的ADS设计21九、总结与心得刚接到老师布置的Project时，被他这种出其不意的新颖教学方式惊到了，因为以前完全没有在老师毫不提供帮助的情况下自己去完成一个生疏的任务。但随着老师的引导与鼓励，同学们纷纷开展起来。在这个过程中，我也凭借着自己的努力不断的去搜索资料，消除知识盲点，熟悉ADS2011的使用以及学会与同学们互帮互助、团结协作与独立思考。当然在完成这个项目的过程中我不可避免的遇到了一些棘手的问题，比如，魔T的结构到底应分成哪几部分然后再如何通过软件把它拼出来，以及在仿真的过程中如何通过调整哪些参数使仿真结果更加逼近理想值。这都给我造成了不小的困难。甚至连安装软件这件小事也曾让我头疼了一阵，因为64位系统与ADS2008、ADS2009兼容性差的问题我曾把这2款软件安装了十几次都没成功。最终决定安装ADS2011，而这最新款软件缺少配套的使用指导书而又给我带来了麻烦，不过通过自己搜集资料以及同学们热情帮助使我一一克服这些困难。而我最大的收获就是在一步步克服困难的过程中兴趣的建立，这使我更加主动、更加乐意的去完成这个项目，并且为这个项目的每个步进展而无比喜悦，通过这个Project的完成我不仅对那无法看到又神奇存在的微波更感兴趣，更对去探索每一门学科中的乐趣产生了1004220120陈奇22平面魔T的ADS设计22极大的兴趣，我想这才是我大学应该得到的。再回到项目本身，我更深入的了解了魔T的构型，对微波的神奇特性有了更具体的理解。学会了使用ADS这款方便我们研发设计的软件，明白的独立思考与团队合作的相辅相成。更知道了明白了为了克服困难而去不断行动不断想办法的毅力与认真。我收获无穷，谢谢老师给了我这样一个锻炼自己的机会，谢谢学校给我们提供了这样一个便利的环境。十、参考文献[1]《物联网：ADS射频电路仿真与实例详解》黄玉兰、常树茂编著北京：人民邮电出版社2011[2]《微波固态电路》薛正辉、杨仕明、李伟明、任武编著北京理工大学出版社[3]《ADS射频电路设计基础与典型应用》黄玉兰编著北京：人民邮电出版社2010[4]《ADS2009射频电路设计与仿真》冯新宇、车向前、穆秀春编著北京：电子工业出版社2010[5]《ADS2011教程》电子版来自网络[6]《环形定向耦合器的仿真设计》北京邮电大学世纪学院毕业设计(论文)