正交混合网络的设计：学号：学院：电子工程与光电技术学院指导老师：兆龙正交混合网络的设计摘要随着通信技术的迅猛发展，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3dB定向耦合器的研究背景，又通过将输入激励分解成偶模激励和奇模激励的叠加的偶—奇模分解技术从理论上分析了3dB定向耦合器的工作过程。

通过ADS软件，对该正交混合网络结构进行原理图仿真，再生成版图。

调整原理图中的微带线参数，使得Momentum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1dB<。

分别设计3dB定向耦合器在5.8GHz低频和60GHz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5.8GHz的定向耦合器，得到如下性能指标：①中心频率05.85f GHz=；②20dB return loss bandwidth为16.39%；③20dB isolation bandwidth为13.64%；④Amplitude imbalance 0.41dB dB<<，Insertion imbalance0.41dB dB<<。

对于工作频率为60GHz的定向耦合器，得到如下性能指标：①中心频率060.04f GHz=；②20dB return loss bandwidth为15.01%；③20dB isolation bandwidth为14.31%；④Amplitude imbalance0.8761dB=<，Insertion imbalance0.9071dB=<。

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：ADS3dB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发展,通信频率资源紧的趋势就日益凸显,通信频率逐渐向高频段发展。

在发展高频率通信技术的过程中,微波、毫米波技术发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3dB 定向耦合器，它在广播电视发射系统中有着广泛的应用。

3dB 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3dB 定向耦合器具有功率合成和功率分配的性能。

二、原理分析3dB 定向耦合器，其直通和耦合臂的输出之间有90o 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，如下图所示：1figure下面我们利用偶—奇模分解技术来分析正交混合网络的工作过程。

参考1figure ，分支线耦合器的基本运作如下：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90o 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：0100011[]1002010j j S j j ⎡⎤⎢⎥-⎢⎥=⎢⎥⎢⎥⎣⎦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2figure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2figure所示。

因为该电路figure可分解为偶模激励和奇模激励的叠加，如32是线性的，所以实际的响应可从偶模和奇模激励响应之和获得。

figure正交混合微带线分解为偶模和奇模：（a)偶模（e);(b)奇模（o)3因为激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，所以在正端口网络，如3figure所示。

因为这两个端口的输入波振幅为1/2交混合微带线网络每个端口处的振幅可表示为1 2 3 411 22 11 2211221122e oe oe oe oBB T TB T TB=Γ+Γ=+=-=Γ-Γ式中，,e oΓ和,e oT是3figure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oΓ和oT可通过将电路中的每个级联器件的ABCD矩阵相乘得到：给出反射系数和传输系数为()joo-=T=Γ121同样，对于偶模可以得到()jee+-=T=Γ121可以得到如下结果：12340(19021802BBBB====oo端口是匹配的）（半功率，-相移）（半功率，-相移）（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：三、仿真设计Task（一）1RT duroid介质作为底层材质，设计一个工现在我们要使用20mil厚的/6002作频率在5.8GHz的微带线结构。

为了用ADS仿真出符合指标的Momentum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图：并设置介质参数：使用罗杰斯公司的/6002RT duriod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/6002RT duriod的参数：为了求得正交混合网络各支臂的尺寸，利用ADS中的LineCalc功能：将所用介质的参数导入LineCalc中，并设置电参数：特性阻抗0Z为50Ω，电长度dβ为90o和结构参数：中心频率0f为5.8GHz。

对其进行综合，可知对于上述参数条件，合适的物理尺寸为：微带线的宽度W为47.896063mil，长度L为332.839764mil。

0 2，电长度dβ为4λ的微带线，同样可以综合得到合适的物理尺寸为：微带线的宽度W为81.343701mil，长度L为324.917323mil。

将通过ADS的LineCalc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 PARAMETERS-，设置扫描频率：原理图如下：点击仿真按钮，在弹出的窗口中绘制(1,1)S曲线：S，(1,4)S，(1,2)S，(1,3)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2984milλ=，支臂长度300L mil=时，可得到S参数的曲线走向如下：从上图中可以得到，中心频率0 5.800f GHz=20dB return loss bandwidth12|| 6.120 5.51010.52%5.800f ff--===20dB isolation bandwidth8910|| 6.110 5.51010.33%5.810f ff--===Amplitude imbalance1dB<Insertion imbalance1dB<将原理图中的负载Term，Ground，S PARAMETERS-无效化，由原理图直接生成版图，有：选择Momentum中Substrate菜单中的Update From Schematic以导入原理，设置版图仿真图中的数据，选择Momentum中的Simulation——S parameters中的扫描频率:对其进行仿真，有：在其中做出(1,1)S ，(1,2)S ，(1,3)S ，(1,4)S 的曲线，如下：于是在版图仿真中有：中心频率0 5.791f GHz20dB return loss bandwidth 120|| 6.119 5.49110.84%5.791f f f --=== 20dB isolation bandwidth 8910|| 6.081 5.47210.55%5.772f f f --=== Amplitude imbalance 1dB < Insertion imbalance 1dB <和原理图仿真结果有些偏差。

为了在版图中得到0 5.8f GHz =的中心频率，对原理图中各支臂微带线的尺寸进行微调，在Momentum 中观察结果。

当原理图如下时，我们得到更优的仿真结果。

其在Momentum 中(1,1)S ，(1,2)S ，(1,3)S ，(1,4)S 的曲线为：其中：中心频率0 5.808f GHz =20dB return loss bandwidth 120|| 6.313 5.36116.39%5.808f f f --=== 20dB isolation bandwidth 8910|| 6.198 5.40713.64%5.797f f f --=== Amplitude imbalance 0.41dB dB <<Insertion imbalance 0.41dB dB <<同时可以得到(1,2)S ，(1,3)S 的相位曲线：在中心频率0 5.8f GHz =处，有大约90o (106.5516.53990.011)-=o o o 的相位差。

（二）2Task如果同样的介质应用在高频上，考察其性能指标是否可以满足。

将工作频率由低频的5.8GHz 改为高频的60GHz ，那么各支臂微带线的尺寸也要发生变化。

当特性阻抗0Z 50=Ω ，电长度d β90=o 时，由LineCalc 计算得到的合适物理尺寸为：微带线宽度为59.578346mil ，长度为30.189882mil ；当特性阻抗0502Z =Ω时，微带线宽度为97.230315mil ，长度为29.635354mil 。

将这些尺寸值导入到原理图中进行原理图仿真，可以得到在(1,1)S ，(1,2)S ，(1,3)S ，(1,4)S 的曲线为从上图可以看出，在60GHz 附近，(1,1)S 0dB ≈。

假设在端口1处接入信号源，则几乎全部的功率都从端口1处反射回来010(101)-=。

而在60GHz 的频率附近，从端口1向其他端口的传递系数非常小，(1,2),(1,3),(1,4)40S S S dB < ，也就是说从其余三个端口输出的功率不到总功率的1/100004010(100.0001)-=。

于是，可以得到结论，/6002RT duroid 这种材料作为正交混合微带线网络的介质，不能传输高频信号。

如果将微带线的介质改为瓷结构，相对介电常数r ε9.9=，介质厚度127H m μ=，工作频率为60GHz ，同样利用ADS 中的LineCalc 对其各支臂微带线尺寸进行综合。

当特性阻抗0Z 50=Ω ，电长度d β90=o 时，由LineCalc 计算得到的合适物理尺寸为：微带线宽度为3.476870mil ，长度为20.315118mil ；当特性阻抗0502Z =时，微带线宽度为7.914134mil ，长度为18.884488mil 。