南京理工大学微波毫米波课程设计报告——平面魔T的设计作者: 学号：学院(系):专业:实验日期：摘要：通过ADS软件来设计平面魔T，包括通过软件来了解平面魔T的结构，如何在设计时仿真和赋值等等。
首先介绍混合环的理论基础，然后通过ADS设计，并且完成原理图仿真和版图仿真。
在版图仿真不符合要求的时候对混合环的参数加以修改，使之符合实验要求。
关键字：平面魔T ADS 原理图仿真版图仿真目录一、实验设计要求 4二、实验设计原理 4三、实验设计步骤 51、新建项目2、搭建原理图3、原理图仿真4、将原理图生成版图5、版图仿真6、修改参数，使得版图仿真结果更加符合实验设计要求四、实验设计过程中遇到的问题17五、实验设计心得18六、参考文献19一、实验设计要求设计一个rate-race ring，中心工作频率为35GHz，介质基片厚度为0.5mm，介电常数2.2，微带线损耗角正切为0.008，铜导体厚度为0.5mil（1inch=1000mil）,可以采用ADS设计，也可以采用Ansoft designer设计，也可以自己动手设计。
二、实验设计原理Rate-race ring即混合环，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，4段长度如下图所示。
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。
①在中心频率处，当端口1输入信号时，端口2，3，4的输出如下：2的两路信号等幅同相，端口2有输出，相位滞后90度；3的两路信号等幅反相，端口3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度。
其中端口2和端口4输出振幅相同。
因此，有如下的关系式：S₄₁=S₂₁= 1/√2（-j），S₃₁=0②端口2输入信号时，端口1,3,4的输出如下：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，有如下的关系式：S₁₂= 1/√2（-j）, S₃₂= 1/√2 j , S₄₂=0;③当端口3输入信号时，端口1，2，4的输出如下：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，有如下的关系式：S ₁₃=0, S ₂₃=1/√2 j , S ₄₃=1/√2 (-j);④当端口4输入信号时，端口1，2，3的输出如下：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，相位滞后90度其中端口1和端口3输出振幅相同。
因此，有如下的关系式：S ₁₄= 1/√2(-j),S ₂₄=0,S ₃₄=1/√2 (-j)在理想的情况下，它的四个端口完全匹配。
根据前面的分析可以得到混合环的散射矩阵为：三、 实验设计步骤1、 新建项目新建一个项目，设计RatRace,将其命名为hh2，长度单位设为mm 。
2、 搭建原理图①在原理图元件面板列表上选择【Tlines-Microstrip 】中的【Mcurve 】，插入四个在原理图画图区 。
（此时参数为系统默认，还未改变）下图左边的图为初始的图，右边的图为参数修改之后的图。
图1（1） 图1（2）②选择【Tools 】中的【linecalc 】,点击【start linecalc 】，微带线参数设置控[]⎥⎥⎥⎥⎦⎤⎢⎢⎢⎢⎣⎡------=0000000021j j j j j j j j S件【Msub】，将中心工作频率设为35GHz，介质基片厚度为0.5mm，介电常数2.2，微带线损耗角正切为0.008，铜导体厚度为0.5mil。
将Z设置为70.71067812Ω，E-Eff设置为540deg。
然后选择【simulation】中的【compute physical parts】，【Msub】中的physical 的W为0.931035mm，L为9.422560mm，也就是radius为1.499647mm。
接着把Z改为50Ω，E-Eff设置为90deg, 选择【simulation】中的【compute physical parts】,会发现此时W为1.636680，L为1.539660。
参数设置界面如图2所示，参数设置完成之后的原理图界面如图1（2）所示。
图2③选择选择【Tools】中的【linecalc】,点击【place new synthesized component】，放置四个，同时用导线将其连接起来，如图3所示：图3④选择【simulation –S-param】中的【term】(term指的是port impedance termination for s-parameters)，分别连在mlin的另一个端口处，再分别接地。
起始频率设为25GHz，终止频率设为45GHz,间隔为1GHz。
如图4所示。
图43、原理图仿真点击【simulation】进行原理图仿真。
仿真如图5所示。
图5图6注：S（1,1）——类型：solid line; 线宽：0.5pointsS（1,2）——类型：short dot dash; 线宽：1.0pointsS（1,3）——类型：long dash; 线宽：1.0pointsS（1,4）——类型：dot; 线宽：1.5points（软件中可以用颜色区分这四条线，但是打印出来后颜色均为黑色，所以用type来区分。
）根据上图5可以发现：在通带内，S（1，3）和S（1，2）略小于—3db，而且在中心频率处，两根线重合；S（1，1）和S（1，4）在中心频率处有最低点，而且都小于—30db。
具体分析如下：S₁₁dB：f=33GHz时，S₁₁=-27.615；f=37GHz时，S₁₁=-29.396f=35GHz时，S11=-37.875（Min）S112dB: f=33GHz时，S12=-3.296；f=37GHz时，S12=-3.332S13dB: f=33GHz时，S13=-3.296；f=37GHz时，S13=-3.332S14dB: f=33GHz时，S14=-30.295f=37GHz时，S14=-29.396f=35GHz时，S14=-52.123（Min）此次设计的原理图中若1口为输入端，则2口和4口为耦合端，3口为隔离端。
设计符合要求中心频率：35GHz；通带：4GHz；耦合度：3dB。
从数据和图形可以看出此次设计中S₁₁、S13的参数曲线在35GHz处的值都在-30dB以下，可见耦合器的端口反射系数和端口隔离度符合要求。
（常用的-3 dB 混合环在倍频程内实现-3±0.3dB 的耦合量，隔离段的隔离度保持在20 dB 左右）4、将原理图生成版图①将原理图中的四个term和接地去掉，同时接上四个port端口，如图7所示。
图7②选择【layout】，点击【generate/update laydate】，确定。
因为生成的版图是有一定倾斜角度的，所以选择【edit】中的【advanced rotate】，点击【set rotate angle】，设为30。
生成的版图如图8所示。
图85、版图仿真①选择【momentum】→【substrate】→[update from schematic]，然后选择【momentum】→【simulation】→【s-paraments…】，设置起始频率为25GHz，终止频率为45GHz，取样点为10个。
②图9（1）为仿真进行过程中的状态，图9（2）为仿真结束后的状态框。
图9(1) 图9（2）③仿真结束之后，下图10为S11的幅度，相位以及Smith图。
图10④在数据显示视窗中，选择矩形图显示方式，给出S11 ，S12，S13和S14的曲线，如下图11所示。
图11由图11可以发现此时S11的最小值所对应的频率已经减小为31.04GHz，S13在31.04GHz处为-3.188dB，S12在31.04GHz处为-4.458dB。
分析这些数据，发现和原理图仿真的结果有一定的出入。
版图仿真相当于真实存在，是通过电磁场来实现的，不像原理图那样理想，来得真实些，所以两者的结果差异有点大。
6、修改参数，使得版图仿真结果更加符合实验设计要求版图仿真是用的矩量法来仿的，和实际电路相差更小，而原理图仿真只是给出一个大概的方向，只有通过对版图的反复修改，得到达到指标的电路。
在原理图中，初始的mcurve的W=0.931035mm，R=1.499647mm；mlin的W=1.636680mm，L=1.539660mm。
0.831035mm 1.499647mm 1.636680mm 1.539660mm图120.731035mm 1.499647mm 1.636680mm 1.539660mm图130.631035mm 1.499647mm 1.636680mm 1.539660mm图14图150.431035mm 1.499647mm 1.636680mm 1.539660mm图16通过以上五次实验发现，随着mcurve的W的依次减小，中心频率在逐渐增大，但是S(1,3)和S（1，2）一直没有耦合。
所以接下来尝试不改变mcurve的W，而是改变mlin的W。
⑥在⑤的基础上只是改变mlin的W，将W改为W=1.536680。
如图17所图17⑦在⑥的基础上只是改变mlin的W，将W改为W=1.436680。
如图18所0.431035mm 1.499647mm 1.436680mm 1.539660mm图18⑧在⑦的基础上只是改变mlin的W，将W改为W=1.336680。
如图19所图19⑨在⑧的基础上只是改变mlin的W，将W改为W=1.236680。
如图20所0.431035mm 1.499647mm 1.236680mm 1.539660mm图20⑩在⑨的基础上只是改变mcurve的W，将W改为W=0.331035。
如图21图210.331035mm 1.499647mm 1.236680mm 1.639660mm图22图23⑶在⑵的基础上只是改变Mcurve的R，将R改为R=1.599647。
如图24所0.331035mm 1.599647mm 1.236680mm 1.739660mm图24四、实验设计过程中遇到的问题1、ADS的安装问题我第一次在自己的电脑上安装ADS（2009）的时候，在安装完成之后打开的时候却提示说不能正确打开。