畢業(yè)論文---基于ads的射頻環(huán)行器仿真設(shè)計(jì)

1、<p><b>　　畢業(yè)論文(設(shè)計(jì))</b></p><p>　　題 目 基于ADS的射頻環(huán)行器仿真設(shè)計(jì)</p><p>　　目 錄</p><p><b>　　第一章 引言3</b></p><p>　　1.1ADS概 述3</p><p

2、>　　1.1.1ADS 的設(shè)計(jì)功能3</p><p>　　1.1.2ADS的仿真功能4</p><p>　　1.1.3ADS與其他軟件廠商元件模型的連接5</p><p>　　1.2環(huán)行器概述5</p><p>　　1.2.1射頻環(huán)行器的發(fā)展現(xiàn)狀及趨勢(shì)7</p><p>　　1.2.2鐵氧體

3、環(huán)行器的相關(guān)原理7</p><p>　　1.2.3環(huán)行器的相關(guān)應(yīng)用8</p><p>　　1.2.4本文環(huán)行器的研究意義10</p><p>　　第二章 環(huán)行器相關(guān)原理10</p><p>　　2.1 環(huán)行器的S參數(shù)11</p><p>　　2.2 本文環(huán)行器的設(shè)計(jì)指標(biāo)12</p>&l

4、t;p>　　第三章 環(huán)行器的設(shè)計(jì)與仿真13</p><p>　　3.1利用ADS設(shè)計(jì)環(huán)行器13</p><p>　　3.1.1創(chuàng)建項(xiàng)目13</p><p>　　3.2設(shè)計(jì)原理圖14</p><p>　　3.2.1 搭建電路14</p><p>　　3.2.2設(shè)置微帶線參數(shù)控件16&l

5、t;/p><p>　　3.3原理圖仿真及顯示仿真數(shù)據(jù)17</p><p>　　3.4生成版圖并仿真19</p><p>　　3.4.1 生成版圖20</p><p>　　3.4.2版圖仿真21</p><p>　　第四章環(huán)行器設(shè)計(jì)向?qū)У睦门c仿真23</p><p>　　4.1

6、 創(chuàng)建環(huán)行器設(shè)計(jì)向?qū)У脑韴D23</p><p>　　4.1.1 創(chuàng)建新設(shè)計(jì)23</p><p>　　4.1.2 搭建原理圖23</p><p>　　4.1.3設(shè)置微帶線的參數(shù)25</p><p>　　4.1.4設(shè)置環(huán)行器參數(shù)25</p><p>　　4.2利用設(shè)計(jì)向?qū)森h(huán)行器原理圖25<

7、/p><p>　　4.3 對(duì)環(huán)行器原理圖仿真30</p><p>　　4.4 生成版圖并仿真32</p><p>　　4.4.1 生成版圖32</p><p>　　4.4.2 版圖仿真33</p><p>　　第五章結(jié)束語(yǔ)…………………………………..34</p><p>　　基于

8、ADS的射頻環(huán)行器仿真設(shè)計(jì)</p><p>　　摘要：射頻環(huán)行器作為一種重要的器件，廣泛應(yīng)用于通信以及雷達(dá)系統(tǒng)中的收發(fā)組件上。傳統(tǒng)的環(huán)行器通常利用鐵氧體材料的特性構(gòu)成，因而需要外加磁場(chǎng)才能工作，而鐵氧體器件的體積和重量通常都比較大，且不利于集成，給使用帶來(lái)不便。而微帶環(huán)行器具有體積小、重量輕、不需要外加磁場(chǎng),易與MMIC技術(shù)兼容的特點(diǎn)。</p><p>　　本文的主要目的是通過(guò)ADS軟件仿

9、真設(shè)計(jì)射頻段環(huán)形器。本文設(shè)計(jì)的環(huán)行器為四端口微帶環(huán)行器，首先介紹其設(shè)計(jì)理論，重點(diǎn)分析環(huán)行器的S參數(shù)，然后利用ADS軟件設(shè)計(jì)微帶環(huán)行器。本設(shè)計(jì)中心頻率選擇射頻段的2.4GHz,帶寬為10%，在通帶內(nèi)，設(shè)計(jì)出和小于-25dB，大于-3.2dB，大于-3.1dB的環(huán)行器，而通過(guò)仿真設(shè)計(jì)出的環(huán)行器完全達(dá)到指標(biāo)。</p><p>　　關(guān)鍵詞：微帶環(huán)行器； 射頻；ADS仿真</p><p><b

10、>　　第一章 引言</b></p><p><b>　　ADS概 述</b></p><p>　　ADS 軟件支持所有類型射頻電路設(shè)計(jì)，包括時(shí)域電路設(shè)計(jì)、頻域電路設(shè)計(jì)、電路布局圖設(shè)計(jì)和通信系統(tǒng)設(shè)計(jì)，同時(shí)提供各種電流的時(shí)域仿真分析、頻域仿真分析和電磁仿真分析，并可與其他EDA軟件進(jìn)行連接。</p><p><b>　　

11、ADS 的設(shè)計(jì)功能</b></p><p>　　ADS可以提供原理圖設(shè)計(jì)和布局圖設(shè)計(jì)，在原理圖設(shè)計(jì)中，ADS不僅提供了無(wú)源到有源、從器件到系統(tǒng)的設(shè)計(jì)面板，而且提供設(shè)計(jì)工具、設(shè)計(jì)向?qū)Ш驮O(shè)計(jì)指南等，原理圖設(shè)計(jì)可以在數(shù)據(jù)顯示視窗看到仿真結(jié)果。</p><p><b>　　1.設(shè)計(jì)面板</b></p><p>　　原理圖設(shè)計(jì)提供了62類元件

12、面板，每個(gè)元件面板上有幾個(gè)到幾十個(gè)不等的元件，這些元件面板包括時(shí)域源、頻域源、調(diào)制源和各種類型的源，微帶線、帶狀線等各種類型的傳輸線，集總參數(shù)元件、分布參數(shù)元件等各種無(wú)源器件，砷化鎵器件、雙極結(jié)型器件等各種有源器件，濾波器、放大器、混頻器等各種系統(tǒng)級(jí)部件等，使用者利用元件面板上提供的元部件可以進(jìn)行設(shè)計(jì)。</p><p><b>　　2.設(shè)計(jì)工具</b></p><p>

13、;　　原理圖設(shè)計(jì)中提供了多種設(shè)計(jì)工具，使用者可以利用設(shè)計(jì)工具提供的圖形化界面進(jìn)行傳輸線計(jì)算、史密斯圓圖使用、阻抗匹配等輔助設(shè)計(jì)。</p><p><b>　　3.設(shè)計(jì)向?qū)?lt;/b></p><p>　　在原理圖設(shè)計(jì)中，設(shè)計(jì)向?qū)峁┰O(shè)定界面供設(shè)計(jì)人員進(jìn)行電路分析與設(shè)計(jì)，使用者可以利用圖形化界面設(shè)定參數(shù)，設(shè)計(jì)向?qū)?huì)自動(dòng)完成電路響應(yīng)模型。ADS提供的設(shè)計(jì)向?qū)Оㄘ?fù)載電路設(shè)計(jì)向

14、導(dǎo)、濾波器設(shè)計(jì)向?qū)?、放大器設(shè)計(jì)向?qū)А⒒祛l器設(shè)計(jì)向?qū)Ш驼袷幤髟O(shè)計(jì)向?qū)У取?lt;/p><p><b>　　4.設(shè)計(jì)指南</b></p><p>　　設(shè)計(jì)指南以范例與指令說(shuō)明的形式師范電路的設(shè)計(jì)流程，使用者可以利用這些范例，學(xué)習(xí)如何利用DAS高效進(jìn)行電路設(shè)計(jì)。目前ADS提供設(shè)指南包括GSM設(shè)計(jì)指南、WLAN設(shè)計(jì)指南、CDMA設(shè)計(jì)指南和RFIC設(shè)計(jì)指南等。使用者也可以通過(guò)軟件建

15、立自己的設(shè)計(jì)指南。</p><p><b>　　5.仿真與數(shù)據(jù)顯示</b></p><p>　　ADS可以對(duì)原理圖設(shè)計(jì)進(jìn)行仿真分析，仿真結(jié)果在數(shù)據(jù)顯示窗口中顯示。為增加仿真分析的方便性，ADS提供了仿真模板功能，仿真模板將經(jīng)常重復(fù)使用的設(shè)計(jì)仿真設(shè)定成一個(gè)模板直接使用，避免了重復(fù)設(shè)定所需的時(shí)間和步驟。使用者也可以通過(guò)軟件建立自己的仿真模板。</p><

16、;p><b>　　ADS的仿真功能 </b></p><p>　　ADS的仿真功能十分強(qiáng)大，可以提供直流仿真、交流仿真、S參數(shù)仿真、諧波平衡仿真、增益壓縮仿真、電路包絡(luò)仿真、瞬態(tài)仿真、預(yù)算仿真和電磁仿真等，這些仿真可以進(jìn)行線性和非線性仿真，電路和系統(tǒng)仿真，頻域、時(shí)域和電磁仿真。</p><p><b>　　線性分析</b></p>

17、;<p>　　線性分析為頻域、小信號(hào)電路的仿真分析方法，可以對(duì)線性和非線性射頻電路進(jìn)行線性分析。在進(jìn)行線性分析時(shí)，軟件首先計(jì)算電路中每個(gè)元件的線性參數(shù)，如S參數(shù)、Z參數(shù)、Y參數(shù)、電路阻抗、反射系數(shù)、穩(wěn)定系數(shù)、增益與噪聲等，然后對(duì)整個(gè)電路進(jìn)行分析和仿真，得到線性電路的幅頻、相頻、群延時(shí)、線性噪聲等特性。</p><p>　　諧波平衡和增益壓縮分析</p><p>　　諧波平衡和

18、增益壓縮分析為頻域、大信號(hào)、非線性、穩(wěn)態(tài)電路的仿真分析方法，可以用來(lái)分析具有多頻輸入信號(hào)的非線性電路，得到諧波失真、功率壓縮點(diǎn)。三階交調(diào)點(diǎn)、非線性噪聲等參數(shù)。諧波平衡和增益壓縮仿真是一個(gè)有效的頻域分析工具，與時(shí)域瞬態(tài)SPICE仿真分析相比，諧波平衡和增益壓縮仿真可以給非線性電路提供一個(gè)比較快速有效的分析方法，對(duì)現(xiàn)今頻率越來(lái)越高的通信系統(tǒng)來(lái)說(shuō)，顯得尤為重要，填補(bǔ)了時(shí)域瞬態(tài)SPICE仿真和小信號(hào)S參數(shù)仿真的不足。</p>&l

19、t;p>　　高頻SPICE瞬態(tài)分析</p><p>　　高頻SPICE瞬態(tài)分析可以分析線性和非線性電路的瞬態(tài)響應(yīng)，是一種時(shí)域的仿真分析方法。瞬時(shí)仿真是傳統(tǒng)SPICE軟件采用的最基本的仿真方法，SPICE軟件可以說(shuō)是所有電路仿真軟件的鼻祖，能夠?qū)δM和數(shù)字電路進(jìn)行仿真。但與傳統(tǒng)SPICE軟件相比，高頻SPICE瞬態(tài)分析有很多的優(yōu)點(diǎn)，例如可以直接使用頻域分析模型，對(duì)微帶線和分布參數(shù)濾波器等進(jìn)行分析，這是因?yàn)锳D

20、S在仿真時(shí)可以將頻域分析模型進(jìn)行拉氏變換后在瞬態(tài)分析，因?yàn)楦哳lSPICE瞬態(tài)仿真分析能夠?qū)︻l域模型進(jìn)行分析。</p><p><b>　　電路包絡(luò)分析</b></p><p>　　電路包絡(luò)仿真是近年來(lái)通信系統(tǒng)的一項(xiàng)標(biāo)志性技術(shù)，可以講高頻調(diào)制信號(hào)分解為時(shí)域和頻域兩部分進(jìn)行處理，非常適合對(duì)數(shù)字調(diào)制射頻信號(hào)進(jìn)行快速、全面的分析。在時(shí)域上，電路包絡(luò)仿真對(duì)相對(duì)低頻的調(diào)制信息用時(shí)

21、域SPICE方法來(lái)仿真分析，而對(duì)相對(duì)高頻的載波成分，電路包絡(luò)仿真則采用類似諧波平衡法的仿真方法，在頻域進(jìn)行處理，這樣的處理使仿真器的速度和效率得到了質(zhì)的飛躍。</p><p><b>　　電磁仿真分析</b></p><p>　　ADS軟件采用矩量法(Momentum)對(duì)電路進(jìn)行電磁仿真分析。矩量法與有限元法和時(shí)域有限差分法等一樣，是一種數(shù)值計(jì)算方法，可以對(duì)微分方程和

22、積分方程進(jìn)行數(shù)值求解，因此在電磁場(chǎng)的數(shù)值計(jì)算中應(yīng)用十分廣泛。矩量法將激勵(lì)和加載分割成若干部分，并將一個(gè)泛函方程化為矩陣方程，從而得到射頻電路電磁分布的數(shù)值解，若激勵(lì)和加載分割成越來(lái)越多個(gè)部分，矩量法的電磁數(shù)值解就越精確。ADS軟件采用矩量法可以對(duì)布局圖進(jìn)行電磁仿真分析，得到電路板上的寄生和耦合效應(yīng)，對(duì)原理圖的設(shè)計(jì)結(jié)果加以驗(yàn)證。</p><p>　　ADS與其他軟件廠商元件模型的連接 </p><

23、;p>　　現(xiàn)在商業(yè)化的電子軟件不斷涌現(xiàn)，各種軟件的主要功能和側(cè)重點(diǎn)也有所不同，因此軟件的開放和兼容是不容忽視的問(wèn)題，軟件和軟件、軟件和硬件、軟件和測(cè)試設(shè)備、軟件和元器件生產(chǎn)商之間的聯(lián)系和溝通在設(shè)計(jì)中值得關(guān)注。ADS軟件允許與其他軟件和測(cè)試設(shè)備連接，并允許將廠商的元件模型讀入。</p><p><b>　　與其他軟件的連接</b></p><p>　　ADS軟件提

24、供了豐富的接口，允許與其他軟件連接。ADS軟件的SPICE電路轉(zhuǎn)換器可以講SPICE格式的電路圖轉(zhuǎn)換成DAS格式的電路圖進(jìn)行仿真分析，ADS格式的電路圖也可以轉(zhuǎn)換成SPICE格式的電路圖進(jìn)行仿真分析。ADS軟件的布局轉(zhuǎn)換器可以將其他EDA或者CAD軟件產(chǎn)生的布局文件導(dǎo)入到ADS軟件中進(jìn)行編輯。</p><p>　　與廠商元件模型間的溝通</p><p>　　ADS軟件允許都得到廠商的元件模

25、型，并將其讀入到ADS軟件，供使用者在電路的設(shè)計(jì)和仿真中使用。</p><p><b>　　環(huán)行器概述</b></p><p>　　環(huán)行器，一種只允許信號(hào)從一個(gè)端口到另一個(gè)端口單向流動(dòng)的三端器件，在通信系統(tǒng)或者雷達(dá)中用于隔離發(fā)射和接收通道。其工作原理就是利用中心結(jié)構(gòu)在射頻場(chǎng)和外加偏置磁場(chǎng)之間滿足一定關(guān)系時(shí)產(chǎn)生的諧振效應(yīng),從而獲得環(huán)行效果。目前環(huán)行器大致上使用的是圓盤結(jié)

26、, Y 型結(jié), 雙 Y 結(jié), 三角結(jié)的中心諧振導(dǎo)體。在二次世界大戰(zhàn)中，環(huán)行器、隔離器等器件的應(yīng)用，解決了雷達(dá)系統(tǒng)的級(jí)間隔離、阻抗以及共用等一系列實(shí)際問(wèn)題，極大的提高了雷達(dá)系統(tǒng)的性能，成為系統(tǒng)中的關(guān)鍵器件。此后，環(huán)行器得到了快速的發(fā)展，它被廣泛的應(yīng)用于通信和雷達(dá)系統(tǒng)中的收發(fā)組件上。</p><p>　　在雷達(dá)、微波通信、無(wú)線通信以及無(wú)線局域網(wǎng)系統(tǒng)中，射頻前端部分主要完成無(wú)線信號(hào)的收發(fā)，因此它占有非常重要的作用。大家

27、都知道，無(wú)線通信系統(tǒng)中的任一條通信線路包括發(fā)射系統(tǒng)和接收系統(tǒng)。收、發(fā)系統(tǒng)它們共用一副天線，因此就要將收、發(fā)信號(hào)分開，所以在天線和接收與發(fā)射設(shè)備系統(tǒng)連接的地方就必須裝置環(huán)行器。下圖1-1就是無(wú)線收、發(fā)信機(jī)(transceiver)的射頻前端部分的示意圖。</p><p>　　圖1-1 ：射頻收發(fā)信機(jī)結(jié)構(gòu)框圖</p><p>　　由上圖可知，射頻環(huán)行器是微波/射頻收發(fā)系統(tǒng)中非常重要的組成部分，

28、環(huán)行器用作收發(fā)信號(hào)兩邊的重要器件，既要連接著天線又要連接收、發(fā)鏈路，在移動(dòng)通信系統(tǒng)中扮演著“上傳下達(dá)”的重要角色，即通過(guò)環(huán)行器的功能使信號(hào)的收發(fā)可有一對(duì)天線完成。對(duì)一個(gè)環(huán)行器而言，當(dāng)一端口接發(fā)射機(jī)，二端口接天線，三端口接接收機(jī)時(shí)，發(fā)射機(jī)發(fā)射的微波信號(hào)大部分只能通過(guò)二端口的天線發(fā)送出去，只有少量的信號(hào)泄漏到三端口進(jìn)入接收機(jī)；天線收到的微波信號(hào)大部分只能傳送到三端口的接收機(jī)，從而避免了微波信號(hào)的相互影響，所以微波在環(huán)行器的各端口間的傳輸是非

29、互易的。正是因?yàn)槿绱?，環(huán)行器作為一種非常重要的非互易器件在無(wú)線通信基站及終端產(chǎn)品中</p><p>　　得到非常廣泛的使用，既可以保證發(fā)射信號(hào)盡量不向接收端泄漏，同時(shí)又可防止因發(fā)射天線的開路或短路引起天線系統(tǒng)失配的情況下，由于反射波造成對(duì)發(fā)射機(jī)后級(jí)功率放大器的損壞。此外，它還可以用在移相、延時(shí)以及多路分離通道中。</p><p>　　射頻環(huán)行器的發(fā)展現(xiàn)狀及趨勢(shì)</p><

30、;p>　　經(jīng)過(guò)半個(gè)多世紀(jì)的發(fā)展，在廣大理論工作者和工程技術(shù)人員的努力下，微波環(huán)行器在理論研究及工程應(yīng)用上取得了極大的進(jìn)展。在器件工作原理方面，從上世紀(jì)中葉第一只法拉第旋轉(zhuǎn)環(huán)行器出現(xiàn)到后來(lái)的場(chǎng)移式器件，隨后H.Bosma提出結(jié)型環(huán)行器而掀起的結(jié)型環(huán)行器研究的熱潮，以及有Tanaka用雙極型晶體管實(shí)現(xiàn)環(huán)行器而引出的對(duì)MMIC環(huán)行器的一系列研究；在分析方法方面，出現(xiàn)了有限元法(FEM)、邊界元法(BEM)、時(shí)域有限差分法(FDTD)、矩

31、量法(MOM)等一系列電磁場(chǎng)分析方法；在傳輸線的形式方面，從最初的波導(dǎo)型、同軸轉(zhuǎn)換環(huán)行器到現(xiàn)在的微帶式、集中參數(shù)式、全磁（全鐵氧體）式等微小型器件，以及鰭線、槽線等各種環(huán)行器；在器件尺寸大小方面，從大體積的波導(dǎo)式結(jié)型、差相移式環(huán)行器到應(yīng)用于把手機(jī)等無(wú)線設(shè)備的超小型環(huán)行器，以及受微波毫米波電路技術(shù)的推動(dòng)而研究開發(fā)的MMIC環(huán)行器及薄膜器件等；在工作頻率方面，已經(jīng)形成了從特高頻到微波段甚至毫米波段（主要是8mm）的產(chǎn)品系列。可見微波環(huán)行器是

32、朝著體積小、重量輕、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單和性能可靠以及頻段化的方向發(fā)展，現(xiàn)在已有各種形式、不同頻段的產(chǎn)品問(wèn)世，基本上已經(jīng)形成了系列化、頻段化和商品化</p><p>　　鐵氧體環(huán)行器的相關(guān)原理</p><p>　　鐵氧體是一種兼有磁性、電性與光效應(yīng)的材料。從電學(xué)性質(zhì)上看，鐵氧體的電阻率很高，在微波波段，其值在一般在到/cm之間，這個(gè)數(shù)值比鐵的電阻率高出了12個(gè)數(shù)量級(jí)，是一種半導(dǎo)性的磁性材料。鑒于這一點(diǎn)

33、，微波電磁場(chǎng)可以深入鐵氧體的內(nèi)部發(fā)揮作用，這是鐵氧鐵和其他鐵磁材料的重要區(qū)別，也是它能在微波元件中廣泛應(yīng)用的重要原因。鐵氧體的相對(duì)介電常數(shù)的實(shí)部約為10~20，所以在不加恒磁場(chǎng)時(shí)它實(shí)際上是一種高介電常數(shù)的介質(zhì)。其虛部代表?yè)p耗，典型鐵氧體的介質(zhì)損耗角正切介于~之間，因此在鐵氧體內(nèi)微波傳播時(shí)損耗很小。鐵氧體又是一種非線性的各向異性磁性材料，其磁導(dǎo)率隨外加磁場(chǎng)而變；且在恒定磁場(chǎng)偏置下，鐵氧體在各個(gè)方向上的磁導(dǎo)率是不同的。由于這種各向異性，當(dāng)電

34、磁波從不同的方向通過(guò)磁化鐵氧體，呈現(xiàn)出不同的效應(yīng)，因此基于這種效應(yīng)，可以做成各種有用的非互易微波器件，如環(huán)行器、非互易移相器等一系列非線性鐵氧體器件。鐵氧體的磁性是由自旋電子引起的，其飽和磁化強(qiáng)度4在幾百到幾千高斯之間。</p><p>　　按照鐵氧體的特性和用途，可以把鐵氧體分成五類：軟磁、永磁、旋磁、矩磁、壓磁鐵氧體。所謂微波鐵氧體一般指旋磁性的鐵氧體。旋磁性是指，當(dāng)外加穩(wěn)恒磁場(chǎng)（或材料本身的各向異性場(chǎng)）存在

35、時(shí)，對(duì)于高頻磁場(chǎng)而言，鐵氧體的磁導(dǎo)率是一張量形式并不對(duì)稱，因而導(dǎo)致了鐵氧體的非互易特性。與這種旋磁性相關(guān)的電磁波波段，通常從米波到毫米波段。金屬磁體同樣也具有旋磁性，但是由于趨膚效應(yīng)，高頻電磁波僅僅透入厚度不到1微米的表面薄層，因而在微波領(lǐng)域中，各種磁性器件目前都采用鐵氧體。另外，要研究微波電磁場(chǎng)與磁性物質(zhì)的相互作用，金屬磁體也受著趨膚效應(yīng)的限制，只有鐵氧體是最好的研究對(duì)象。因而，旋磁性應(yīng)用成為鐵氧體獨(dú)占的領(lǐng)域。</p>

36、<p>　　鐵氧體在微波波段具有許多特別的性質(zhì)和效應(yīng)，最主要的有下面四種：</p><p>　　磁導(dǎo)率的張量性：當(dāng)各向同性的鐵氧體處在直流磁場(chǎng)和微波磁場(chǎng)的同時(shí)作用下，其磁導(dǎo)率變成反對(duì)稱張量，而且該張量的各分量均為復(fù)數(shù)。</p><p>　　鐵磁共振：對(duì)于一定的磁性介質(zhì)，當(dāng)微波場(chǎng)的頻率與直流磁場(chǎng)的強(qiáng)度滿足一定的條件時(shí)，磁性介質(zhì)便會(huì)從微波場(chǎng)中強(qiáng)烈地吸收能量，這便是鐵磁共振（吸收）現(xiàn)象

37、。如果磁性介質(zhì)尺寸較大或所處的微波場(chǎng)不均勻，共振情況還會(huì)變的復(fù)雜。</p><p>　　法拉第旋轉(zhuǎn)效應(yīng)：當(dāng)先偏振電磁波通過(guò)縱向磁化鐵氧體時(shí)，其偏振面會(huì)發(fā)生一定程度的旋轉(zhuǎn)。旋轉(zhuǎn)角度一般說(shuō)來(lái)是樣品的尺寸、磁化強(qiáng)度和介電常數(shù)等的函數(shù)。</p><p>　　高功率現(xiàn)象：當(dāng)微波場(chǎng)強(qiáng)增大到一定程度以后，又會(huì)發(fā)生一些新的現(xiàn)象，例如鐵磁共振曲線的峰值降低（稱為飽和效應(yīng)）和寬度變寬，新的共振峰出現(xiàn)等等。&l

38、t;/p><p>　　以上這些效應(yīng)不但是微波鐵氧體中最受重視的物理問(wèn)題，而且也是各種各樣的鐵氧體微波器件的物理基礎(chǔ)。</p><p><b>　　環(huán)行器的相關(guān)應(yīng)用</b></p><p>　　在 20世紀(jì)50年代 ，世界上出現(xiàn)了第一個(gè)能夠?qū)嶋H應(yīng)用的環(huán)行器——法拉第旋轉(zhuǎn)環(huán)行器 。然后，它又被諧振隔離器和差相移式環(huán)行器所取代。因?yàn)樗鼈兊慕Y(jié)構(gòu)更簡(jiǎn)單，同時(shí)

39、能夠承載的功率更高。1960年代場(chǎng)移式器件和帶線結(jié)環(huán)行器相繼出現(xiàn)。直到1964年 YoshihiroKonishi發(fā)明了集總參數(shù)環(huán)行器。至今環(huán)行器仍然是用量最大的微波鐵氧體器件之一。</p><p>　　1.環(huán)行器的的一些基本應(yīng)用</p><p>　　1)發(fā)射機(jī)與負(fù)載級(jí)間隔離(去耦 合 )</p><p>　　環(huán)行器最基本的應(yīng)用就是提供隔離度。當(dāng)被用做隔離器時(shí)，環(huán)行

40、器的一個(gè)端口接上匹配負(fù) 載，成為一個(gè)二端口器件。所有的微波發(fā)射源都不可避免地受到負(fù)載阻抗變化而發(fā)生頻率漂 移，為了避免這樣的問(wèn)題我們可以在發(fā)射源和負(fù)載之間加一個(gè)衰減器 ，但是衰減器的損耗會(huì)比較大。使用隔離器就是一個(gè)很好的選擇 。它可以提供大于20dB的隔離度，同時(shí)它的正 向損耗小于0.5dB。</p><p><b>　　2)功放間隔離</b></p><p>　　功

41、放不是一直無(wú)條件的穩(wěn)定，不同級(jí)的功放往往會(huì)互相干擾 ，如果功放沒有正確的匹配負(fù)載，也會(huì)產(chǎn)生干擾，尤其是高功率的功放，反射回來(lái)的能量往往能損壞到發(fā)射源。如果在功放的級(jí)間放置隔離器的話，不但可以避免它們不同級(jí)間的互相干擾，而且也可以防止上一級(jí)負(fù)載阻抗失配反射回來(lái)的能量破壞發(fā)射源，起到保護(hù)作用。</p><p>　　3)天線與發(fā)射機(jī)或接收機(jī)間隔離</p><p>　　如果發(fā)射機(jī)直接連接到天線，將

42、被天線的任何阻抗變化所影響(比如，雪或靠近的障礙物 )。如果使用隔離器就可以避免這樣的問(wèn)題，提供大于20dB的隔離度。同樣，如果接收機(jī)也直接連接到天線上，因?yàn)榻邮諜C(jī)的第一級(jí)往往是低噪聲功放，它的輸入阻抗往往調(diào)整到 最小的噪聲，而并非與天線匹配阻抗。所以 ，如果在接收機(jī)和天線之間接入隔離器就能夠解決此問(wèn)題 。</p><p>　　4)發(fā)射機(jī)和接收機(jī)共用天線</p><p>　　如果我們使用的

43、發(fā)射機(jī)和接收機(jī)共用一根天線。就需要調(diào)整至不同的頻率并使用濾波器防止它們之間相互干擾，如果使用環(huán)行器連接在它們之間，就可以少用一個(gè)濾波器。因?yàn)榘l(fā)射信 號(hào)通過(guò)環(huán)行器耦合到天線，天線入射信號(hào)通過(guò)環(huán)行器直接耦合到了接收機(jī) 。</p><p>　　5)在移動(dòng)通信中的典型應(yīng)用</p><p>　　移動(dòng)通信已經(jīng)經(jīng)歷了模擬語(yǔ)音移動(dòng)通信 (第一代 )、數(shù)字語(yǔ)音移動(dòng)通信(第二代，如GSM 、CDMA)兩代，現(xiàn)

44、在已進(jìn)入了能夠覆 蓋全球的多媒體通信--第三代，其主要特點(diǎn)是可以實(shí)現(xiàn)全 球漫游，使任意時(shí)間、任意地點(diǎn)、任意用戶之間的交流成為可能 ，將來(lái)還要發(fā)展到第四代高速移動(dòng)通信。這些系統(tǒng)都屬于無(wú)線通信之列，它們都要采用微波作為傳輸手段 ，因此微波鐵氧體環(huán)行器都是不可或缺的基本器件。環(huán)行器在移動(dòng)通信中的應(yīng)用是在基站系統(tǒng)中主要 作收、發(fā)信機(jī)的天線共用裝置(雙工器或多工器)，在發(fā)射和接收系統(tǒng)中作為功率放大器。開 關(guān)放大器的輸入和輸出隔離以及在測(cè)量系統(tǒng)中起

45、去耦作用。</p><p>　　2.環(huán)行器相關(guān)的典型應(yīng)用 </p><p>　　1)環(huán)行器用于雙工系統(tǒng)。環(huán) 行器和上行帶通濾波器、下行帶通濾波器的組合，用于發(fā)射 — —天線——接收系統(tǒng) ．這種雙工系統(tǒng)是異頻收發(fā)系統(tǒng)。以區(qū)別于雷達(dá)技術(shù)中同頻雙工系統(tǒng) 。</p><p>　　2)為兩個(gè)隔離器和90度電橋組合成合路器，為兩合一器件。也可以做成四合一合路器，它由四個(gè)隔離器和

46、三個(gè)90度電橋組成。這種合路器端1和端2間的隔離必須大于 50dB。</p><p>　　3)為功放級(jí)間的匹配和去耦。在固態(tài)放大系統(tǒng)中，串級(jí)式放大器級(jí)間的隔離是必要的，增加整個(gè)放大器的穩(wěn)定性。</p><p>　　4)消除發(fā)射源之間的相互干擾，它亦是和若干個(gè)濾波器組合在一起使用。和上述級(jí)間去耦作用相類似，不同點(diǎn)是這里是消除異頻干擾。</p><p>　　5)為二合一

47、天線發(fā)射系統(tǒng)。兩個(gè)不同頻率的發(fā)射源通過(guò)兩個(gè)環(huán)行器和兩個(gè)濾波器組合而成 ．也可成四合一、十六合一 ，這在蜂窩移動(dòng)通信基站中是非常有用的，它可與合路器組合起來(lái)使用。</p><p>　　本文環(huán)行器的研究意義</p><p>　　由于微帶環(huán)行器具有小型化、輕量化、性能高、可靠性好、易與微波系統(tǒng)集成等優(yōu)點(diǎn)，從而成為現(xiàn)階段研究的熱點(diǎn)。本文就是研究和仿真一種四端口的環(huán)行器。它可以用來(lái)監(jiān)視功率和頻譜，把

48、功率進(jìn)行分配和合成，以及構(gòu)成平衡混頻器和測(cè)量電橋等。</p><p>　　第二章 環(huán)行器相關(guān)原理</p><p>　　環(huán)行器是4端口網(wǎng)絡(luò)，可以由微帶線制成，環(huán)行器的結(jié)構(gòu)如圖2-1所示，環(huán)的全部長(zhǎng)度為3/2，4個(gè)分支并聯(lián)在環(huán)上，將環(huán)分成4段，各段的長(zhǎng)度如圖所示。</p><p><b>　　圖2-1 環(huán)行器</b></p><

49、p>　　2.1 環(huán)行器的S參數(shù)</p><p>　　環(huán)行器具有兩個(gè)端口相互隔離，另外兩個(gè)端口平分輸入功率的特性，因此可以看做是一個(gè)3分貝的定向耦合器。</p><p>　　在中心頻率，當(dāng)環(huán)行器的1端口輸入信號(hào)時(shí)，2、3、4端口的輸出如下。</p><p>　　到達(dá)2端口的兩路信號(hào)等幅同相，2端口有輸出，相位滯后90。</p><p>

50、　　到達(dá)3端口的兩路信號(hào)等幅同相，3端口有輸出，相位滯后90。</p><p>　　到達(dá)4端口的兩路信號(hào)等幅反相，4端口無(wú)輸出。</p><p>　　其中2端口和3端口輸出振幅相同，因此有如下關(guān)系式：</p><p>　　= （-j） ， =（-j） ， =0 (式2.1)</p><p>　　當(dāng)環(huán)行器的2端口輸

51、入信號(hào)時(shí)，1，3，4端口的輸出如下。</p><p>　　到達(dá)1端口的兩路信號(hào)等幅同相，1端口有輸出，相位滯后90。</p><p>　　到達(dá)4端口的兩路信號(hào)等幅同相，4端口有輸出，相位滯后90。</p><p>　　到達(dá)3端口的兩路信號(hào)等幅反相，3端口無(wú)輸出。</p><p>　　其中1端口和4端口輸出振幅相同，因此有如下關(guān)系式：</

52、p><p>　　=（-j） ， =0 ， =（-j） （式2.2）</p><p>　　當(dāng)環(huán)行器的3端口輸入信號(hào)時(shí)，1，2，4端口的輸出如下。</p><p>　　到達(dá)1端口的兩路信號(hào)等幅同相，1端口有輸出，相位滯后90。</p><p>　　到達(dá)2端口的兩路信號(hào)等幅反相，2端口無(wú)輸出。</p><p>　　

53、到達(dá)4端口的兩路信號(hào)等幅同相，4端口有輸出，相位滯后270。</p><p>　　其中1端口和4端口輸出振幅相同，因此有如下關(guān)系式：</p><p>　　= （-j） ， =0 ， j （式2.3）</p><p>　　當(dāng)環(huán)行器的4端口輸入信號(hào)時(shí)，1，2，4端口的輸出如下。</p><p>　　到達(dá)1端口的兩路信號(hào)等幅反

54、相，1端口無(wú)輸出。</p><p>　　到達(dá)2端口的兩路信號(hào)等幅反相，2端口有輸出，相位滯后90。</p><p>　　到達(dá)3端口的兩路信號(hào)等幅同相，3端口有輸出，相位滯后270。</p><p>　　其中2端口和3端口輸出振幅相同，因此有如下關(guān)系式：</p><p>　　=0 ，= （-j） ，=j （式2.4）</p&

55、gt;<p>　　在理想情況下，中心頻率上它的4端口是完全匹配的。由上面的分析可以得到環(huán)行器的散射矩陣如下：</p><p>　　[S]= (式2.5)</p><p>　　由環(huán)行器的散射矩陣可以知道，理想環(huán)行器為3分貝定向耦合器。</p><p>　　2.2 本文環(huán)行器的設(shè)計(jì)指標(biāo)</p>&l

56、t;p><b>　　本設(shè)計(jì)的指標(biāo)如下：</b></p><p>　　中心頻率選擇射頻段的2.4GHz。</p><p><b>　　帶寬為10%。</b></p><p>　　在通帶內(nèi)，和小于-25dB。</p><p>　　在通帶內(nèi)， 大于-3.2dB。</p><p&g

57、t;　　在通帶內(nèi)，大于-3.1dB。</p><p>　　微帶線基板的厚度為0.5mm。</p><p>　　微帶線基板的相對(duì)介電常數(shù)為4.2。</p><p>　　各個(gè)端口傳輸線的特性阻抗采用50。</p><p>　　第三章 環(huán)行器的設(shè)計(jì)與仿真</p><p>　　利用ADS設(shè)計(jì)環(huán)行器 </p>

58、<p><b>　　創(chuàng)建項(xiàng)目</b></p><p>　　創(chuàng)建一個(gè)環(huán)行器項(xiàng)目，具體步驟如下：</p><p>　　啟動(dòng)ADS軟件，彈出主視窗。</p><p>　　選擇主視窗【File】菜單>【New Project】,彈出【New Project】對(duì)話框，在【New Project】對(duì)話框中輸入項(xiàng)目名稱和這個(gè)項(xiàng)目默認(rèn)的長(zhǎng)度單位

59、，項(xiàng)目名稱為RatRace1_Coupler，默認(rèn)的長(zhǎng)度單位為millimeter。</p><p>　　【New Project】對(duì)話框如圖3.1所示，單擊【New Project】對(duì)話框中的【OK】按鈕，完成創(chuàng)建環(huán)行器項(xiàng)目，同時(shí)一個(gè)未命名的原理圖（untitled1）自動(dòng)打開。</p><p>　　圖3.1 創(chuàng)建環(huán)行器項(xiàng)目</p><p>　　4.在未命名的原

60、理圖untitled1上，選擇菜單【File】>【Save Design】,彈出【Save Design As】對(duì)話框，在【Save Design As】對(duì)話框中，輸入新建的設(shè)計(jì)名稱為RatRace1_1,然后單擊【保存】按鈕，將原理圖命名為RatRace1_1。</p><p><b>　　設(shè)計(jì)原理圖</b></p><p>　　在RatRace1_1的原理圖

61、上，根據(jù)設(shè)計(jì)向?qū)Ыo出的參數(shù)搭建環(huán)行器電路并設(shè)置參數(shù)。</p><p>　　3.2.1 搭建電路</p><p>　　在原理圖的元件面板上，選擇微帶線【TLines-Microstrip】,元件面板上出現(xiàn)與微帶線對(duì)應(yīng)的元件圖標(biāo)，在微帶線元件面板上選擇MTEE,4次插入原理圖的畫圖區(qū)，MTEE是微帶線的T形結(jié)，可以將電路由一路分為兩路，并可以給出每個(gè)支路微帶線的寬度。在原理圖中對(duì)4個(gè)MT

62、EE都設(shè)置如下。 </p><p>　　分別用W1、W2和W3表示T形結(jié)每個(gè)支路微帶線的寬度。</p><p>　　設(shè)置W1=0.527mm。</p><p>　　設(shè)置W2=0.527mm。</p><p>　　設(shè)置W3=0.991mm。</p><p>　　設(shè)置完成的環(huán)行器4個(gè)端口如圖3.2所示。</p>

63、;<p>　　圖 3.2 環(huán)行器的4個(gè)端口</p><p>　　在微帶線元件面板上，選擇Mcurve元件三次插入原理圖的畫圖區(qū)。Mcurve是一段弧形的微帶線，可以設(shè)置這段微帶線的寬度W、半徑Radius和所張開的角度Angle。分別雙擊圖區(qū)中的3個(gè)Mcurve,設(shè)置它們的參數(shù)，參數(shù)都設(shè)置如下。</p><p>　　設(shè)置W=0.527mm。</p><

64、p>　　設(shè)置Angle=60。</p><p>　　設(shè)置Radius=16.118mm。</p><p>　　用導(dǎo)線將4個(gè)MTEE和三個(gè)Mcurve連接起來(lái)，這構(gòu)成環(huán)行器的半個(gè)環(huán)，現(xiàn)在環(huán)行器的原理圖如圖3.3所示。</p><p>　　圖3.3 半個(gè)環(huán)行器的原理圖</p><p>　　在微帶線元件面板上選擇MLIN和Mcurve,插入原

65、理圖的畫圖區(qū)，MLIN插入2次，Mcurve插入3次。分別雙擊畫圖區(qū)的2個(gè)MLIN和3個(gè)Mcurve,設(shè)置它們的參數(shù)，參數(shù)設(shè)置如下。</p><p>　　2個(gè)MLIN的參數(shù)設(shè)置相同。</p><p>　　設(shè)置MLIN的W=0.527mm。</p><p>　　設(shè)置MLIN的L=0.991。</p><p>　　3個(gè)Mcurve的參數(shù)設(shè)置相同。

66、</p><p>　　設(shè)置Mcurve的W=0.527mm</p><p>　　設(shè)置Mcurve的Angle=60。</p><p>　　設(shè)置Mcurve的Radius=16.118mm。</p><p>　　用導(dǎo)線將2個(gè)MLIN和3個(gè)Mcurve連接起來(lái)，這構(gòu)成環(huán)行器的另半個(gè)環(huán)，另半個(gè)環(huán)的原理圖如圖3.4所示。</p><

67、;p>　　圖3.4另半個(gè)環(huán)的原理圖</p><p>　　將前面搭建的電路用導(dǎo)線連接起來(lái)，構(gòu)成環(huán)行器，現(xiàn)在環(huán)行器的原理圖如圖3.5所示。</p><p>　　圖3.5環(huán)行器原理圖</p><p><b>　　設(shè)置微帶線參數(shù)控件</b></p><p>　　在原理圖的元件面板列表上，選擇微帶線【TLines-Micro

68、strip】,元件面板上出現(xiàn)與微帶線對(duì)應(yīng)的元件圖標(biāo)。</p><p>　　在微帶線元件面板上，單擊MSUB選擇微帶線參數(shù)設(shè)置控件，插入原理圖的畫圖區(qū)。</p><p>　　在畫圖區(qū)中雙擊MSUB,彈出【Microstrip Substrate】對(duì)話框，在對(duì)話框中對(duì)微帶線參數(shù)設(shè)置如下。</p><p>　　H=0.5mm,表示微帶線基板的厚度為0.5mm。</p

69、><p>　　Er=4.2,表示微帶線基板的相對(duì)介電常數(shù)為4.2。</p><p>　　Mur=1,表示微帶線的相對(duì)磁導(dǎo)率為1。</p><p>　　Cond=4.1E+7,表示微帶線導(dǎo)體的電導(dǎo)率為4.1E+7。</p><p>　　Hu=1.0E+033mm，表示微帶線的封裝高度為1.0E+033mm。</p><p>

70、　　T=0.05mm,表示微帶線的導(dǎo)體層厚度為0.05mm。</p><p>　　TanD=0.0003,表示微帶線的損耗角正切為0.0003。</p><p>　　Rough=0mm,表示微帶線表面粗糙度為0mm。</p><p>　　設(shè)置完成后的微帶線MSUB控件如圖3.6所示。</p><p>　　圖3.6 環(huán)行器微帶線參數(shù)設(shè)置&l

71、t;/p><p>　　原理圖仿真及顯示仿真數(shù)據(jù)</p><p>　　下面對(duì)原理圖仿真，并在數(shù)據(jù)顯示視窗顯示仿真結(jié)果。</p><p>　　在微帶線元件面板上選擇MLIN，4次插入原理圖的畫圖區(qū)。分別雙擊畫圖區(qū)的4個(gè)MLIN，設(shè)置它們的參數(shù)，參數(shù)都設(shè)置如下。</p><p>　　設(shè)置MLIN的W=0.991。</p><p>

72、;　　設(shè)置MLIN的L=5mm。</p><p>　　在原理圖的元件面板列表上，選擇S參數(shù)仿真【Simulation-S_Param】,元件面板上出現(xiàn)與S參數(shù)仿真對(duì)應(yīng)的元件圖標(biāo)。在S參數(shù)仿真元件面板上選擇Term,4次插入原理圖中，構(gòu)成電路的4個(gè)端口。</p><p>　　在原理圖工具欄中單擊地【Insert GROUND】圖標(biāo)，4次插入原理圖中，讓4個(gè)端口都接地。</p>

73、<p>　　用導(dǎo)線連接電路，如圖3.7所示，這是添加了終端負(fù)載的原理圖。</p><p>　　在S參數(shù)仿真元件面板上，選擇S參數(shù)仿真控件SP，插入畫圖區(qū)中。雙擊畫圖區(qū)中的SP，在彈出的設(shè)置窗口中設(shè)置如下。</p><p>　　頻率掃描類型選為線性Linear。</p><p>　　頻率掃描的起始值設(shè)為2.2GHz。</p><p>

74、　　頻率掃描的終止值設(shè)為2.6GHz。</p><p>　　頻率掃描的步長(zhǎng)設(shè)為0.02GHz。</p><p>　　設(shè)置完成的S參數(shù)仿真控件如圖3.8所示。</p><p>　　圖3.7 加入4個(gè)終端負(fù)載的環(huán)行器原理圖</p><p>　　圖3.8 S參數(shù)仿真控件</p><p>　　現(xiàn)在可以對(duì)原理圖仿真了。在原理圖工

75、具欄中單擊仿真【Simulate】圖標(biāo)，進(jìn)行仿真，仿真過(guò)程中彈出了仿真狀態(tài)窗口，記錄了掃描范圍和仿真花費(fèi)的時(shí)間等。</p><p>　　仿真結(jié)束后，數(shù)據(jù)顯示視窗自動(dòng)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)，用矩形圖來(lái)表示曲線。矩形圖的橫坐標(biāo)為頻率，縱軸為，是用分貝（dB）表示的。</p><p>　　用同樣的方法可以得到 、 和曲線， 、、和曲線如圖3.9所示。</p&

76、gt;<p>　　有圖3.9可以看出， 、、和的仿真數(shù)據(jù)如下。</p><p>　　在2.28GHz時(shí)，= -29.881 。在2.52GHz時(shí)，=-30.025。</p><p>　　在2.28GHz時(shí)，=-3.158 。在2.52GHz時(shí)，=-3.139。</p><p>　　在2.28GHz時(shí)，=-3.020 。在2.52GHz時(shí)，=-3.047

77、。</p><p>　　在2.28GHz時(shí)，= -31.357 。在2.52GHz時(shí)，= -30.853。</p><p>　　、、和的仿真數(shù)據(jù)符合技術(shù)指標(biāo)。</p><p>　　圖3.9 環(huán)行器原理圖仿真數(shù)據(jù)</p><p><b>　　生成版圖并仿真</b></p><p>　　由原理圖可以

78、生成與之對(duì)應(yīng)的版圖，原理圖中構(gòu)成電路的各種微帶線元件模型，在版圖中可以轉(zhuǎn)化為實(shí)際的微帶線。版圖仿真是采用矩量法進(jìn)行電磁仿真，對(duì)版圖的仿真結(jié)果更符合電路實(shí)際環(huán)境，所以電路在原理圖中仿真以后，還需要對(duì)版圖仿真。</p><p>　　下面由原理圖生成版圖，并對(duì)版圖加以仿真。</p><p>　　3.4.1 生成版圖</p><p>　　在原理圖視窗上，去掉4個(gè)端口的Te

79、rm和“接地”，不讓他們?cè)谏傻陌鎴D中出現(xiàn)，去掉的方法是單擊原理圖工具欄中的【Deactive or Active Component】按鈕，然后單擊4個(gè)端口的Term和“接地”，若Term和“接地”打了紅叉，表示已經(jīng)被關(guān)掉，如圖3.10所示。</p><p>　　選擇原理圖上的【Layout】菜單>【Generate/Update Layout】,彈出【Generate/Update Layout】設(shè)置窗

80、口，單擊窗口上的【OK】按鈕，默認(rèn)它的設(shè)置。這時(shí)又會(huì)彈出【Status of Layout Generation】版圖生成狀態(tài)窗口，將這個(gè)窗口的內(nèi)容與原理圖進(jìn)行比較，確認(rèn)后單擊【OK】按鈕，完成版圖的生成過(guò)程。</p><p>　　完成版圖的生成過(guò)程后，版圖視窗會(huì)自動(dòng)打開，畫圖區(qū)會(huì)顯示剛剛生成的版圖，版圖如圖3.11所示。</p><p>　　選擇版圖工具欄上的端口Port,插入版圖，端

81、口Port的設(shè)置保持與原理圖一致。</p><p>　　圖3.10 去掉Term和“接地”的環(huán)行器原理圖</p><p>　　圖3.11 由原理圖生成的版圖</p><p>　　下面設(shè)置微帶線的基本參數(shù)。為了使版圖的仿真結(jié)果有效，必須使版圖中微帶線的基本參數(shù)與原理圖中微帶線的基本參數(shù)一致，具體設(shè)置如下。</p><p>　　選擇版圖視窗中的

82、【Momentum】菜單>【Substrate】>【Update From Schematic】命令，從原理圖視窗得到微帶線的基本參數(shù)。</p><p>　　選擇版圖視窗中的【Momentum】菜單>【Substrate】>【Create/Modify】命令，打開【Create/Modify Substrate】窗口，在打開的設(shè)置窗口也可以修改微帶線的基本參數(shù)。</p>&l

83、t;p><b>　　版圖仿真 </b></p><p>　　下面對(duì)版圖仿真，觀察版圖的技術(shù)指標(biāo)。</p><p>　　選擇版圖視窗中的【Momentum】菜單>【Simulation】>【S-Paramete】命令，打開仿真控制【Simulation Control】窗口。</p><p>　　在仿真控制【Simulatio

84、n Control】窗口設(shè)置如下。</p><p>　　掃描類型Sweep Type 設(shè)置為Adaptive。</p><p>　　頻率掃描起始值為2.2GHz。</p><p>　　頻率掃描終止值為2.6GHz。</p><p><b>　　所取樣點(diǎn)為20個(gè)。</b></p><p>　　單擊【

85、Update】按鈕，將上面設(shè)置填到頻率計(jì)劃表中。</p><p>　　單擊仿真控制【Simulation Control】窗口中的Simulate按鈕，開始仿真。仿真過(guò)程中彈出仿真狀態(tài)窗口，記錄了頻率掃描范圍和仿真所使用時(shí)間等。</p><p>　　仿真結(jié)束后，數(shù)據(jù)顯示視窗自動(dòng)彈出。在數(shù)據(jù)此案時(shí)窗口用矩形表示 、、和曲線， 、、和曲線如圖3.12所示。</p><p&g

86、t;　　由圖3.12可以看出， 、、和的仿真數(shù)據(jù)如下：</p><p>　　在2.279GHz時(shí)，=-28.110dB。在2.522GHz時(shí)，=-29.435dB。 </p><p>　　在2.279GHz時(shí)=-3.117dB。在2.522GHz時(shí)，=-3.141dB。</p><p>　　在2.279GHz時(shí) ，=-3.064dB 。在2.522GHz時(shí)，=-3

87、.099dB。</p><p>　　在2.279GHz時(shí)，=-29.605dB。在2.522GHz時(shí)，=-32.148dB。</p><p>　　、、和的仿真數(shù)據(jù)符合技術(shù)指標(biāo)。</p><p>　　環(huán)行器設(shè)計(jì)向?qū)У睦门c仿真</p><p>　　在原理圖視窗，ADS提供了環(huán)行器的設(shè)計(jì)向?qū)В菊略倮迷O(shè)計(jì)向?qū)гO(shè)計(jì)環(huán)行器。</p>

88、<p>　　4.1 創(chuàng)建環(huán)行器設(shè)計(jì)向?qū)У脑韴D</p><p>　　4.1.1 創(chuàng)建新設(shè)計(jì)</p><p>　　創(chuàng)建一個(gè)新設(shè)計(jì)，這個(gè)設(shè)計(jì)依舊保存在RatRace1_Coupler項(xiàng)目中。創(chuàng)建新設(shè)計(jì)的步驟如下。</p><p>　　選擇主視窗中【View】菜單>【Startup Directory】,然后在主視窗中的文件瀏覽區(qū)選擇RatRace1_

89、Coupler_prj,雙擊進(jìn)入RatRace1_Coupler項(xiàng)目。</p><p>　　在主視窗中選擇【File】菜單>【New Design】,彈出【New Design】對(duì)話框，在【New Design】對(duì)話框中，輸入新建的設(shè)計(jì)名稱RatRace1_DG1,然后單擊【OK】按鈕，新建的原理圖RatRace1_DG1自動(dòng)打開。</p><p>　　4.1.2 搭建原理圖<

90、;/p><p>　　1. 在前面打開的原理圖的元件面板列表上，選擇微帶線【TLines-Microstrip】,元件面板上出現(xiàn)與微帶線對(duì)應(yīng)的元件圖標(biāo)，如圖4.1所示。</p><p>　　2. 在圖4.1所示的元件面板上，單擊【MSUB】選擇微帶線參數(shù)設(shè)置控件，插入原理圖的畫圖區(qū)。</p><p>　　3. 在原理圖的元件面板列表上，選擇耦合器設(shè)計(jì)向?qū)А綪a

91、ssive Circuit DG - Microstrip Circuits】對(duì)應(yīng)的元件圖標(biāo)，如圖4.2所示。</p><p>　　4.在圖4.2所示的元件面板上，單擊RRCplr,選擇環(huán)行器元件插入原理圖的畫圖區(qū)。</p><p>　　5.插入微帶線參數(shù)設(shè)置控件【MSUB】和環(huán)行器RRCplr后，原理圖畫圖區(qū)如圖4.3所示，圖中環(huán)行器顯示為RRCoupler。</p>&l

92、t;p>　　圖4.1 微帶線元件面板</p><p>　　圖4.2 耦合器設(shè)計(jì)向?qū)姘?lt;/p><p>　　圖4.3 設(shè)置參數(shù)后的電路原理圖</p><p><b>　　設(shè)置微帶線的參數(shù)</b></p><p>　　在圖4.3所示的畫圖區(qū)中，雙擊【MSUB】,彈出【Microstrip Substrate】對(duì)

93、話框。在【Microstrip Substrate】對(duì)話框中，對(duì)微帶線的參數(shù)設(shè)置如下。</p><p>　　H=0.5mm,表示微帶線基板的厚度為0.5mm。</p><p>　　Er=4.2,表示微帶線基板的相對(duì)介電常數(shù)為4.2。</p><p>　　Mur=1,表示微帶線的相對(duì)磁導(dǎo)率為1。</p><p>　　Cond = 4.1E+7,

94、表示微帶線導(dǎo)體的電導(dǎo)率為4.1E+7。</p><p>　　Hu=1.0e+033mm,表示微帶線的封裝高度為1.0e+033mm。</p><p>　　T=0.05mm，表示微帶線的導(dǎo)體厚度為0.05mm。</p><p>　　TanD=0.0003,表示微帶線的損耗角正切為0.0003。</p><p>　　Rough=0mm,表示微帶線

95、表面粗糙度為0mm。</p><p><b>　　設(shè)置環(huán)行器參數(shù)</b></p><p>　　在圖4.3所示的畫圖區(qū)中，雙擊環(huán)行器RRCoupler電路,彈出【RatRace Coupler】對(duì)話框，在設(shè)置對(duì)話框中，對(duì)環(huán)行器RRCoupler電路參數(shù)設(shè)置如下：</p><p>　　Subst=”MSub1”,表示微帶線的參數(shù)由Msub1決定。&

96、lt;/p><p>　　F=2.4GHz,表示環(huán)行器的中心頻率為2.4GHz。</p><p>　　=50Ohm,表示環(huán)行器四個(gè)端口傳輸線的特性阻抗為50Ohm。</p><p>　　Delta=0mm,表示用于調(diào)諧的分支長(zhǎng)度增加量為0mm。</p><p>　　利用設(shè)計(jì)向?qū)森h(huán)行器原理圖</p><p>　　前面僅對(duì)環(huán)

97、行器的頻率和特性阻抗進(jìn)行了設(shè)置，并沒有根據(jù)這些參數(shù)確定環(huán)行器的結(jié)構(gòu)和尺寸，環(huán)行器的結(jié)構(gòu)和尺寸需要使用ADS的設(shè)計(jì)向?qū)瓿伞?lt;/p><p>　　1.在畫圖區(qū)選中RRCoupler電路，并單擊【DesignGuide】菜單>【Passive Circuit】,彈出【Passive Circuit】對(duì)話框。</p><p>　　2.在【Passive Circuit】,對(duì)話框中選擇【Mi

98、crostrip Control Window】,然后單擊【OK】按鈕,彈出【Passive Circuit DesignGuide】窗口，【Passive Circuit DesignGuide】窗口的初始狀態(tài)如圖4.4所示。</p><p>　　圖4.4 【Passive Circuit DesignGuide】窗口的初始狀態(tài)</p><p>　　3.選擇【Passive Circui

99、t DesignGuide】窗口中的【Design Assistant】選項(xiàng)，【Design Assistant】選項(xiàng)如圖4.5所示，單擊【Design】按鈕，系統(tǒng)將自動(dòng)完成設(shè)計(jì)過(guò)程。</p><p>　　圖4.5 設(shè)計(jì)向?qū)е械腄esign Assistant 選項(xiàng)</p><p>　　4．設(shè)計(jì)自動(dòng)完成后，在原理圖的畫圖區(qū)選中RRCoupler電路，單擊工具欄中的【Push Into Hi

100、erarchy】按鈕，進(jìn)入環(huán)行器RRCoupler子電路，環(huán)行器子電路如圖4.6所示，圖中給出了環(huán)行器的結(jié)構(gòu)和尺寸。圖4.6中畫出了微帶結(jié)構(gòu)的環(huán)行器原理圖，在原理圖中使用了微帶線元件（MLIN）,T形接頭元件（MTEE）和弧形微帶線（MCURVE）等。</p><p>　　5.單擊子電路工具欄中的【Pop Out】按鈕，退出RRCoupler子電路。</p><p>　　6.選擇【Pass

101、ive Circuit DesignGuide】窗口中的【Simulation Assistant】選項(xiàng)，設(shè)置仿真時(shí)的頻率如下：</p><p>　　Start = 2.2GHz。</p><p>　　Stop = 2.6GHz。</p><p>　　Step = 20MHz。</p><p>　　設(shè)置完成的【Simulation Assis

102、tant】選項(xiàng)如圖4.7所示。</p><p>　　7.單擊圖4.7中的【Simulate】按鈕，系統(tǒng)將自動(dòng)完成仿真過(guò)程，并彈出數(shù)據(jù)顯示視窗，自動(dòng)顯示仿真結(jié)果，仿真結(jié)果如圖4.8所示。</p><p>　　圖4.8 使用模板顯示了各個(gè)端口之間的傳輸系數(shù)，并從振幅和相位兩個(gè)方面顯示了上述仿真數(shù)據(jù)。從上面的仿真數(shù)據(jù)可以看出，由設(shè)計(jì)向?qū)У玫降沫h(huán)行器電路原理圖滿足設(shè)計(jì)指標(biāo)。</p>

103、<p>　　圖4.6 環(huán)行器的原理圖</p><p>　　圖4.7 設(shè)計(jì)向?qū)е械腟imulation Assistant 選項(xiàng)</p><p>　　圖4.8 環(huán)行器仿真數(shù)據(jù)</p><p>　　4.3 對(duì)環(huán)行器原理圖仿真</p><p>　　下面在原理圖中插入S參數(shù)仿真控件，對(duì)原理圖進(jìn)行S參數(shù)仿真，并在數(shù)據(jù)顯示視窗顯示仿真結(jié)果

104、。</p><p>　　在原理圖的元件面板列表上，選擇S參數(shù)仿真【Simulation-S_Param】,元件面板上出現(xiàn)與S參數(shù)仿真對(duì)應(yīng)的元件圖標(biāo)。在S參數(shù)仿真元件面板上，選擇負(fù)載終端Term,4次插入原理圖中，構(gòu)成4個(gè)電路端口。</p><p>　　在原理圖工具欄中單擊地【Insert GROUND】圖標(biāo)，4次插入原理圖中，讓4個(gè)負(fù)載終端接地。</p><p>　

105、　然后用導(dǎo)線連接電路，如圖4.9所示。</p><p>　　在S參數(shù)仿真元件面板上，選擇S參數(shù)仿真控件SP,插入畫圖區(qū)中。雙擊畫圖區(qū)中的SP，在彈出的設(shè)置窗口中設(shè)置如下：</p><p>　　頻率掃描類型選為線性Linear。 </p><p>　　頻率掃描的起始值設(shè)為2.2GHz。</p><p>　　頻率掃描的終止值設(shè)為2.6

106、GHz。 </p><p>　　頻率掃描的步長(zhǎng)設(shè)為0.02GHz。</p><p>　　設(shè)置完成的S參數(shù)仿真控件如圖4.10所示。</p><p>　　圖4.9 加入4個(gè)端口的環(huán)行器原理圖</p><p>　　圖4.10 S參數(shù)仿真控件</p><p>　　現(xiàn)在可以對(duì)原理圖仿真了。在原理圖工具中單擊仿真【Simula

107、te】圖標(biāo)，運(yùn)行仿真，仿真過(guò)程中彈出了仿真狀態(tài)窗口，記錄了頻率掃描范圍和仿真花費(fèi)的時(shí)間等。</p><p>　　仿真結(jié)束后，數(shù)據(jù)顯示視窗自動(dòng)彈出，在數(shù)據(jù)顯示視窗中，采用矩形圖標(biāo)顯示環(huán)行器仿真的結(jié)果，步驟如下。</p><p>　　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)。</p><p>　　這時(shí)會(huì)彈出【Plot Trace & Attributes

108、】窗口，在窗口中選擇。</p><p>　　然后單擊【>>Add>>】按鈕，這時(shí)又會(huì)彈出【Complex Data】窗口。</p><p>　　選擇【Complex Data】窗口中的dB,單擊【OK】按鈕關(guān)閉這個(gè)窗口。</p><p>　　在單擊【Plot Trace & Attributes】窗口中的【OK】按鈕，也關(guān)閉這個(gè)窗口

109、。</p><p>　　矩形圖的橫坐標(biāo)為頻率，矩形圖的縱軸為，由于在【Complex Data】窗口中選中d B，所以是用分貝（d B）表示的。</p><p>　　用同樣的方法可以給出、和曲線，用矩形圖表示的、、和曲線如圖4.11所示。</p><p>　　圖4.11 環(huán)行器原理圖仿真數(shù)據(jù)</p><p>　　4.4 生成版圖并仿真&l

110、t;/p><p>　　4.4.1 生成版圖</p><p>　　1.生成版圖的步驟與第三章相似，這里就不贅述，這里僅給出由原理圖生成的版圖，如圖4.12所示。</p><p>　　2.完成微帶線基本參數(shù)的設(shè)置后（具體參數(shù)與第三章相同），環(huán)行器的版圖設(shè)計(jì)就完成了。</p><p>　　圖4.12 由原理圖生成的版圖</p><p

111、>　　4.4.2 版圖仿真</p><p>　　仿真步驟也與第三章相同，這里僅給出在數(shù)據(jù)顯示窗口的、、和的曲線，如圖4.13。</p><p>　　由圖4.13所示，版圖的仿真數(shù)據(jù)依舊很好。</p><p>　　圖4.13 版圖仿真數(shù)據(jù)</p><p><b>　　結(jié)束語(yǔ)</b></p><

112、p><b>　　本設(shè)計(jì)的思路</b></p><p><b>　　致謝</b></p><p>　　在論文完成之際，我由衷的感謝我的指導(dǎo)老師xx教授。本文從課題的選取、開題的撰寫、設(shè)計(jì)方案的確定、以及仿真軟件的使用都是在xx教授的指導(dǎo)下完成的。xx教授在微波及雷達(dá)方面研究深入，學(xué)術(shù)理論豐富，其廣博的學(xué)術(shù)知識(shí)以及對(duì)本人的精心指導(dǎo)是我能順利完成

113、畢業(yè)設(shè)計(jì)的關(guān)鍵。他和藹可親，平易近人讓我知道什么叫做為人師表，盡管他教務(wù)繁忙，但他仍抽出時(shí)間督促和指導(dǎo)我的畢業(yè)設(shè)計(jì)，使我倍受鼓舞，希望自己在以后的工作中也能像李教授一樣用嚴(yán)謹(jǐn)?shù)膽B(tài)度對(duì)待自己的工作。</p><p><b>　　參考文獻(xiàn)：</b></p><p>　　[1] ADS射頻電路設(shè)計(jì)基礎(chǔ)與典型應(yīng)用 黃玉蘭編著 人民郵電出版社</p><p

114、>　　[2]ADS應(yīng)用詳解—射頻電路設(shè)計(jì)與仿真 陳艷華 李朝輝 夏瑋 編著 人民郵電出版社</p><p>　　The simulation of RF circulators based on ADS</p><p><b>　　Abstract</b></p><p>　　As essential devices, RF circul

115、ators are widely used as an important components for communications and radar transceivers. The previous generations of circulators are composed of ferrite whose properties are realized by adding bias H field to it, whi

116、ch leads to the huge size and heavy weight of such devices as well as inconvenience of their integration with monolithic-microwave-circuit (MMIC) technology. Microstrip circulators offer an alternative approach to ferrit