超寬帶定向正交耦合器的設計及其實現畢業論文-資料下載頁

　　

【正文】 求得 A，代入（387）可求得 B，代入式（388）可解得 。結合之前的分析，p可以計算出緊耦合結構的電路參數。 松耦合結構物理參數求解對于松耦合結構，模式電容可用帶線寬度、基板厚度和邊緣電容表示，具體如下： （389）ffoffoo CswCswC????????????21412 )(??a （390）ffee24)(其中 為無耦合帶線邊緣處的邊緣電容，表達式如下：f （391）?????????????????21log1logssf? )(?a模式電容 和 在前面已求出，由上面三個式子可以看出， 可由基板厚度求oCe fC得，只要求出邊緣電容 和 即可解出帶線的寬度 。松耦合結構的邊緣電容fofeCw下面給出：（392）qsqasfo log12)(lg12??????????（393）???????????????afe lll其中（ 394）???????????21sasq經保角變換可得錯位寬度公式：（ 395）????????aqsswc 1log)(log?為基板厚度， 和 為未知量，只要求得 ，即可解得 ，然后可解出錯位寬度saqaq以及邊緣電容 和 ，然后代入（389）和（390）可求出帶線寬度。下面討foCfe論 的求解，結合式（376） （377） （389） （390） （392） （393）可得：a（396）?????????????????aqZoreo 1log2120???在已知介電常數 和特征阻抗 的前提下，由 可解得 ，令r?00eoZeoC?，由式（396）可得aq??（ 397）CCeo ?????????????1lg2那么 表達式如下：?（398 ）12exp????????由上面的分析， 已解得，那么 可求出，由下式解出以 表示的 即可：C??a（399）112????????ssa?解出 之后，綜合上述分析，可求出松耦合結構的帶線寬度和錯位寬度。a至此，帶狀線的物理參數求解討論完畢。下一節來分析采用什么樣的耦合線形狀來實現該耦合器。 耦合器結構形狀的設計對于每節耦合帶狀線來說，主要的參數有三個，帶線寬度 W，錯位寬度 W0和帶線長度 L。根據上兩節內容，可以求出帶線寬度和錯位寬度。為了達到最大耦合，根據 規則，每節耦合線的長度 L 可以確定：4?（34c??100）其中 為該波段中心頻率信號的波長。本文討論的波段 30MHz~512MHz，中心c頻率（3305127cfMHzz???101）由于選用介電常數 的板材，?（3rCf???102）計算出中心頻率對應的波長 ，代入式（3100），如果各節耦合線不彎曲，采用直連結構，那么總長170Lm?，做為干擾抵消器的子系統，尺寸過大，而且直連結構不39。468?方便交叉級聯耦合，所以，采用折疊結構。折疊處的連接一般有短直線和彎曲連接兩種方式。Raghu [32]等人使用短直線連接折疊處，并忽略該處的短直線長度，這樣做造成了折疊處的不連續性，引入了過多的反射。Stig Rehnmark[33]使用均勻圓弧線連接折疊處，比 Raghu 的方案有所改善。不論哪種連接方式，隨著折疊次數越多，帶狀線越不規則，使得信號在一個波長距離上不再是沿直線傳輸，引入了不可估的寄生效應。下面采用均勻圓弧連接方式，通過實驗來說明折疊對帶線耦合的影響，并提出有效的解決方案。 折疊耦合線實驗本次實驗在固定圓弧半徑比帶線寬度多 1mm 的前提下，當帶線寬度 取W2mm、 和 3mm 時，分別對兩種極限情況進行研究，一種是帶線完全重合，一種是帶線完全錯開，然后每種情況又分為兩種折疊方式：直線傳輸和折疊 540176。傳輸。為了統一標準，選用帶線寬度 ，長度 。利用 ADS 的3Wm?160Lm?layout 版圖仿真 [34]繪制 PCB 如圖 ～圖 所示。圖 完全錯出不折疊傳輸圖 完全錯出 540 度折疊傳輸圖 完全重疊不折疊傳輸圖 完全重疊 540 度傳輸各帶狀線折疊后，經過調整，保持其長度不變，仍為 160mm，得到仿真結果如圖 ～圖 所示。完全錯出折疊方式下，兩種情況的直傳參數和耦合參數幅度曲線：圖 完全錯出未折疊和折疊 540176。情況直傳參數幅度曲線圖 完全錯出未折疊和折疊 540176。情況耦合參數幅度曲線圖左的參數與 PCB 版圖中端口對應，同以下各圖，下面圖中不再贅述。通過圖、圖 可知，在完全錯出方式下，整個頻段內經過帶線折疊，對直傳參數的幅度影響最大約為 ，對耦合參數的幅度影響最大約為 ，耦合參數最大偏差出現在頻段的高端頻率處。完全錯出折疊方式下，兩種情況的直傳參數和耦合參數相位曲線：圖 完全錯出未折疊和折疊 540176。情況直傳參數相位曲線圖 完全錯出未折疊和折疊 540176。情況耦合參數相位曲線通過圖 、圖 可知，在完全錯出方式下，整個頻段內經過帶線折疊，對直傳參數和耦合參數的相位影響均較小，最大偏差小于 5 度。完全重合折疊方式下，兩種情況的直傳參數和耦合參數幅度曲線：圖 完全重合未折疊和折疊 540176。直傳參數幅度曲線圖 完全重合未折疊和折疊 540176。耦合參數幅度曲線通過圖 、圖 可知，在完全重合方式下，整個頻段內經過帶線折疊，對直傳參數的幅度影響最大約為 ，對耦合參數的幅度影響最大約為 1dB，耦合參數最大偏差出現在頻段高端頻率處。完全重合折疊方式下，兩種情況的直傳參數和耦合參數相位曲線：圖 完全重合未折疊和折疊 540176。直傳參數相位曲線圖 完全重合未折疊和折疊 540176。耦合參數相位曲線通過圖 、圖 可知，在完全重合方式下，整個頻段內經過帶線折疊，對直傳參數和耦合參數的相位影響均較小，最大偏差小于 5 度，最大偏差出現在頻段的高端頻率處。通過上面的對比圖可以看出，耦合線經折疊后與原來不折疊相比，帶線寬度，錯出寬度，長度等尺寸均無變化，可知直傳參數和耦合參數的變化是折疊造成的，且對直傳參數影響較小，對耦合參數的頻率高端影響較大。 折疊耦合線修正折疊耦合線的修正需結合原理圖仿真進行。經過原理圖仿真，得出折疊后等效原理圖，根據等效原理圖進行修正即可。完全錯出情況的等效原理圖如圖 所示。圖 完全錯出帶線的 540 度等效原理圖將此原理圖仿真，可得耦合參數幅度如圖 所示。圖 完全錯出未折疊與折疊 540 度等效原理圖仿真結果通過與圖 對比，可看出該等效原理圖設置合理。長度為 160mm 的帶狀線經過 540176。折疊，最終可以等效為長度 的直線傳輸帶狀線。即可以得出修正方案：帶線折疊 540176。后，經過調整，保持原長度，在此基礎上，兩端各增加 即可。下面結合該修正方案對 layout 版圖進行修正，修正后仿真結果如圖 ～圖 所示。圖 完全錯出帶線修正后的直通參數幅度圖 完全錯出帶線修正后的耦合參數幅度圖 完全錯出帶線修正后的直通參數相位圖 完全錯出帶線修正后的耦合參數相位由圖 ～圖 可以看出修正后的曲線與未折疊的曲線比較接近，與圖～圖 對比，性能明顯改善，證明該方案有效。同以上分析，完全重合情況下，長度 160mm 的帶狀線折疊 540176。后，最終可等效為未折疊的長度 的等寬帶狀線。那么修正方案是：帶線折疊 540176。后，經過調整，保持原長度，再次基礎上，兩端各增加 即可。下面結合該修正方案對 layout 版圖進行修正，修正后仿真結果如圖 ～圖 所示。圖 完全重合帶線修正后的直通參數幅度圖 完全重合帶線修正后的耦合參數幅度圖 完全重合帶線修正后的直通參數相位圖 完全重合帶線修正后的耦合參數相位由圖 ～圖 可以看出修正后的曲線與未折疊的曲線基本重合，證明該方案有效。由于完全錯出耦合結構和完全重疊耦合結構為兩種極限情況，那么對應修正方案中的修正長度也為邊界值，那么根據錯出寬度不同，折疊 540176。后需要在原長度基礎上修正 ~ 即可。當帶線長度 和 時，同樣的仿真過程可知，折疊 540176。后140Lm?180需要在原長度基礎上修正 ~。那么可以說明，在帶線長度為140mm~180mm 范圍內，該修正方案有效且與帶線的長度無關。當帶線寬度 W 取 2mm 和 時，用同樣的仿真過程可得折疊 540176。后分別需要在原長度基礎上修正 ～3mm 和 ～，具體修正表格如表 所示。表 帶線 180176。折疊修正表結構 W 2mm 3mm完全重合 完全錯出 3mm 由表 可總結出如下規律：在一定的帶線寬度范圍內：隨著帶線寬度增加，完全錯出情況需要修正的長度也增加；對于等寬的帶線，完全錯出結構需要修正的長度略大于完全重合結構需要修正的長度。第四章 耦合器電路仿真及實驗測試在實際設計中，利用安捷倫公司的微波仿真軟件 ADS 對該耦合器進行原理圖仿真和 PCB 仿真。該軟件的優點在于原理圖仿真可以進行手動調節，即，可以手動連續調整各個參數的取值，方便觀察結果的變化規律，進一步指導 PCB 版圖仿真。在對耦合器的仿真時，若每節耦合線均要考慮緊耦合和松耦合模式，那么對于 n 節耦合線的求解和仿真，需要分析的模型數量 。通過多次仿真實驗可2nN?知，由于耦合線參數求解算法不夠完美，模型的理論計算和實物仿真仍存在一定的差距，最終仍需手動調節找出最優值。那么可以在耦合線物理參數求解時，均采用緊耦合分析，這樣確定的初始值不會是最優解，需要以后的手動調節，但是總的需要分析的模型數量下降到 ，對于多節耦合線求解仿真，大大減小了Nn?需要分析的模型數量，縮短了研發周期。由上一章 節分析可知，需要仿真分析的耦合器模型有以下 5 種：兩個單 耦合線交叉級聯， 耦合線交叉級聯，單節 和單節 耦合線交叉級聯， 耦合線交叉級聯， 耦合線交叉級聯。本章首先通過原理圖仿真以上各情況，選取最優方案后，最終進行 PCB 仿真和制作。考慮到實物生產的成本和周期，采用現有的板材，介電常數 ，??厚度 ，帶線厚度 ，接地板厚度 ，??Hm厚度 。2()? 耦合器電路仿真按以上五種方案設計相應耦合參數的耦合器，經交叉串聯后，可得各方案的直傳參數和耦合參數幅度曲線如圖 ～圖 所示。圖 交叉串聯幅度圖 交叉串聯幅度圖 交叉串聯幅度圖 交叉串聯幅度圖 交叉串聯幅度通過對比，最終選取單節 和三節 交叉串聯實現該定向耦合器，該方案的直通端和耦合端相位差如圖 所示。圖 交叉串聯相位差由上圖可知，直通端和耦合端的相位差滿足正交要求。經調諧優化后的各段帶線參數如表 ～表 所示。單節耦合器：表 耦合器參數W W0 L 三節耦合器：表 耦合器第一節耦合線參數W W0 L 表 耦合器第二節耦合線參數W W0 L 0mm 表 耦合器第三節耦合線參數W W0 L 該方案的原理圖如圖 所示：圖 原理圖最終方案根據原理圖設計 ADS 中的 PCB 版圖，并仿真，如圖 所示：圖 ADS 中 PCB 版圖最終方案最終根據 ADS 的 PCB 版圖，在制圖工具 DXP 中繪制 PCB 版圖如圖 所示。圖 DXP 中 PCB 版圖最終方案將 DXP 中繪制的 PCB 版圖交給 PCB 廠商生產即可。 耦合器實物及測試定向耦合器實物如圖 ～圖 所示：圖 耦合器實物的正面圖 所示是耦合器樣品的正面圖，該圖左側有兩個端口，下面的端口是輸入端，上面的端口是直通端。圖中可以看出，為了減小耦合器尺寸，帶線已經過折疊。圖 耦合器實物的背面圖 所示為耦合器樣品的背面圖，該圖左側有兩個端口，上面的端口是耦合端，下面的端口是隔離端。圖中可以看出，為了減小耦合器尺寸，帶線已經過折疊。與圖 對比可看出交叉級聯的實現方式。圖 定向耦合器實物及尺寸圖 所示為耦合器的外觀及尺寸。由圖可知，耦合器長約 22cm，寬約8cm。圖中已將輸入端、直通端、耦合端和隔離端這四個端口引出。用矢量網絡分析儀測試該耦合器，得到如下結果，如圖 ～圖 所示。圖 定向耦合器直通參數幅值圖 所示為利用二端口網絡分析儀對耦合器直通參數幅值的測試結果。圖中均勻選取三個頻點，分別為 、285MHz 和 428MHz，對應幅值分別為， 。通過與圖 對比可知，該樣品直通參數與仿真結果基本一致，且基本實現帶內等波紋。圖 定向耦合器直通參數相位圖 定向耦合器耦合參數幅值圖 所示為利用二端口網絡分析儀對耦合器耦合參數幅值的測試結果。圖中均勻選取三個頻點，分別為 、285MHz 和 428MHz，對應幅值分別為， 。通過與圖 對比可知，該樣品直通參數與仿真結果基本一致，且基本實現帶內等波紋。圖 定向耦合器耦合參數相位圖 定向耦合器直通端和耦合端相位差圖 是利用二端口網絡分析儀對直通端和耦合端相位進行求差運算后的結果。將圖 仿真結果歸一化后，圖 與圖 仿真結果基本一致。通過實物測試可知，該樣品的各參數滿足設計要求。第五章 設計改進為了使耦合器在更寬的頻段內做為子系統與其他微波器件級聯使用，本章在第一套樣品加工出來后，在寬頻帶內（30MHz~4GHz ）對輸入端反射參數進行理論研究，得出改進方案，并經仿真分析證明該改進方案有效可行，對以后的設計和生產具有