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基于ADS的微带双分支定向耦合器设计与仿真
张德虎
【期刊名称】《《电子制作》》
【年(卷),期】2013(000)008
【摘要】本文介绍了定向耦合器的基本原理,设计了微带分支定向耦合器,可以直接做在电路板上,具有所占空间小、易于和其他电路元件连接的特点,可以有助于提高微波集成电路的集成度。
同时,应用微带电路仿真软件ADS进行仿真,并对结果进行了优化,优化后的结果满足了预先设定的目标。
【总页数】2页(P9-10)
【作者】张德虎
【作者单位】西南科技大学四川绵阳 621010
【正文语种】中文
【相关文献】
1.微波3 Db微带双分支定向耦合器的小型化 [J], 纪生宝;张绍洲
2.微带双分支定向耦合器的小型化设计与实现 [J], 高闻远;傅世强
3.基于ADS的S波段微带混频器的设计与仿真 [J], 刘静;石晓原;姜恒;胡向顺;辛军
4.基于ADS与HFSS的微带线定向耦合器的设计 [J], 杨洲;王欣伟
5.基于ADS的宽带定向耦合器的设计与仿真 [J], 王利斌
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Ka波段3dB定向耦合器的设计与仿真摘要：定向耦合器广泛地用在现代微波系统中，文中介绍了两种应用在平衡式放大器中的3dB定向耦合器。
首先对微带分支线耦合器与波导耦合器进行了理论分析，然后利用电磁仿真软件HFSS，对两种耦合器进行了建模仿真、仿真结果验证了这两种定向耦合器的可实现性，最后比较了两种耦合器的性能，并且总结了各自的特点。
关键词：Ka波段；定向耦合器；分支线耦合器；波导耦合器1 引言在微波通信系统中定向耦合器是一种用途广泛的微波器件，比如可以用在在信号发生器中的功率临视装置，以及接收机中的混频器。
另外，自动增益控制、平衡式放大器、反射计以及调相器和微波阻抗电桥等测量仪器也要用到定向耦合器。
构成定向耦合器的结构有波导、微带线、带状线、同轴线等。
因此，定向耦合器的种类很多，但是不同种类的定向耦合器差异很大。
平衡式放大器的稳定性很好，输入输出驻波也很低，而且由于良好的低噪声特性，平衡结构的放大器在微波波段的低噪声放大器中被普遍采用。
因此对于平衡式放大器中定向耦合器的研究就具有很高的现实意义。
本文对微带分支线耦合器和波导E面耦合器做了理论分析，然后利用电磁仿真软件进行了建模仿真，通过对仿真结果做了比较，最后得出结论。
2 耦合器的分析与设计(1)主要设计指标工作频带：29GHz～31GHz同波损耗：≤-20dB输出端口幅度不平衡度：≤1 dB输出端口隔离度：≤-20dB(2)分支线耦合器的分析与仿真如图1所示，分支线定向耦合器有主线、副线和两条分支线组成，其中分支线的长度和间距均为中心频率工作波长的。
设主线入口线1的特性阻抗为Z1=Z0，主线出口线2的特性阻抗Z2=Z0k(k为阻抗变换比)，副线隔离端4的特性阻抗为Z4=Z0，副线耦合端3的特性阻抗为Z3=Z0k，平行连接线的特性阻抗为ZOP，两个分支线特性阻抗分别为Zt1和Zt2。
假设输入电压信号从端口1经A点输入，则达到D点的信号有两路，一路是由分支线直达，其波行程为λg／4，另一路由A→B→C→D，波行程为3λg／4；故两条路径到达的波行程差为λg／2，相应的相位差为π，即相位相反。
一种平行耦合微带线定向耦合器的设计苏艳;曾永龙;敖荣欢【期刊名称】《电子测试》【年(卷),期】2014(000)002【摘要】The paper describes the basic working principle and design process of parallel coupled-line directional coupler.According to the main characteristic of coupled microstrip lines,calculated the initial design ing the IE3D software,the directional coupler model is designed,and it is optimized to obtain the coupler meets the design requirements. Performances are analyzed,the results show that the directional coupler meet UHF RFID reader requirements.%阐述了平行耦合线定向耦合器的基本工作原理和设计过程。
根据耦合微带线的主要特征,计算得出了初始设计参数。
运用仿真软件IE3D，建立了定向耦合器的仿真模型。
通过优化后，得出了符合设计要求的的耦合器模型。
并进行了性能分析，分析结果表明该定向耦合器满足超高频段射频识别读写器的使用要求。
【总页数】2页(P10-11)【作者】苏艳;曾永龙;敖荣欢【作者单位】华南理工大学广州学院，广东广州，510800;华南理工大学广州学院，广东广州，510800;华南理工大学广州学院，广东广州，510800【正文语种】中文【中图分类】TN622【相关文献】1.一种改进型微带线定向耦合器及其应用 [J], 魏峰;史小卫;陈蕾;黄丘林2.一种新的缺陷地微带线定向耦合器 [J], 陈蕾;尚宇;魏峰3.X波段微带线定向耦合器的设计与模拟 [J], 韩磊;黄庆安;廖小平4.基于RFID应用的微带线定向耦合器的设计 [J], 王巧发;殷兴辉5.基于ADS与HFSS的微带线定向耦合器的设计 [J], 杨洲;王欣伟因版权原因，仅展示原文概要，查看原文内容请购买。
微带定向耦合器S参数仿真一、软件启动1.1、启动软件※ 启动软件1.2、建立新的Design※ 启动后进入如下界面：※ 创建新的工程文件：File > New Project，文件名为sample，设置单位为 millimeter。
※ 新工程文件建立完毕※ 设计窗口自动打开※ 在设计窗口中创建新的Design：File > New Design，命名设计为microstriplinecoupling，此时默认单位为millimeter 。
※ 点击OK后，设计窗口上方出现[Sample_prj] microstriplinecoupling 的标题。
二、建立微带耦合器的电路原理图2.1、选择微带线工具栏※ 在设计窗口的下拉式菜单中选择Tlines-Microstrip2.2、创建微带线参数控件※ 在工具栏里点击微带线参数控件，在原理图中放置一个该控件。
※ 双击原理图中的微带线参数控件图标，激活其参数设置对话框，其参数的含义是：﹠H:基板厚度﹠Er:基板相对介电常数﹠ Mur:磁导率﹠ Cond:金属电导率﹠ Hu:封装高度﹠ T:金属层厚度﹠ TanD:损耗角﹠ Roungh:表面粗糙度※ 设置基板厚度为0.93mm，介电常数4.6，金属层厚0.035mm，其他参数使用默认数值即可，特别要注意参数的单位。
2.3、创建耦合微带线模型※ 在工具栏里点击耦合微带线模型，在原理图中放置一个该模型。
※ 双击原理图中的耦合微带线模型图标，激活其参数设置对话框，其参数的含义是：﹠W：微带线宽度﹠S：耦合微带线间距﹠L：耦合微带线长度﹠Temp：温度﹠W1、W2、W3、W4：四个端口引脚宽度（在Layout中）※ 设置微带线宽带为w1（mm），此处的w1为一个变量，将在后面定义其数值，千万注意不要漏掉单位，注意区分大小写；设置耦合微带线间距为3mm，耦合微带线长为10mm。
其他参数可以不设置，注意基板名称为“Msub1”。
新型微波定向耦合器及Gysel功率分配器设计随着通信技术的飞速发展和应用的普及，对于高性能微波设备的需求也越来越高。
作为微波设备中的重要组成部分，定向耦合器和功率分配器在信号的分配和耦合过程中起到至关重要的作用。
本文将重点介绍一种新型的微波定向耦合器及Gysel功率分配器的设计。
首先，我们来了解一下定向耦合器的基本原理。
定向耦合器是将微波信号从一个输入端口耦合到多个输出端口的一种被动组件。
其主要由T型耦合器和相位平差网络组成。
T型耦合器主要通过在主传输线上引入两条耦合线实现信号的分配；而相位平差网络则通过调整不同分支线上的电路元件的参数，使得不同输出端口上的信号的相位差保持一致。
这样，通过定向耦合器分配的信号可以实现同时馈送到多个终端，提高了系统的传输效率。
然而，传统的定向耦合器存在一些问题，如较大的功耗、大量的占用面积和较高的损耗等。
为了解决这些问题，研究人员提出了一种新型的微波定向耦合器设计。
该设计主要通过采用新颖的层状电感结构来减小功耗和面积，并通过优化电路参数来减小信号的损耗。
接下来，我们来介绍一下Gysel功率分配器的设计。
Gysel功率分配器是一种常见的被动功率分配器，其结构简单、性能可靠。
其主要由一个输入端口和多个输出端口组成，通过合理设计电路参数，将输入功率在输出端口之间平均分配。
在设计Gysel功率分配器时，首先需要确定输出端口的数量和分配比例。
在确定了数量和比例之后，需要根据电路的特性来确定合适的参数数值。
为了提高功率分配器的性能，可以采用一些技术手段，如优化分支网络的结构、控制电路元件的尺寸等。
总结来说，新型微波定向耦合器及Gysel功率分配器的设计是为了提高微波设备的性能和效率。
通过采用新颖的电路结构和优化的电路参数设计，可以减小功耗、面积和损耗，同时提高分配和耦合的效果。
这将为微波通信技术的发展提供更好的支持，推动通信设备的进一步创新和应用综上所述，新型微波定向耦合器和Gysel功率分配器的设计在提高微波设备的性能和效率方面具有重要意义。
微带线定向耦合器的设计
一、数学模型
1、耦合度和传输系数
图12所示，是平行耦合微带线定向耦合器的示意图。当①端口信号激励时，③端口为
隔离端无输出、而耦合端口②及直通端口④有输出。根据奇、偶模分析方法可知，耦合端口
②及直通端口④的输出电压分别为，
sin)(cos2sincossin)(cos2sincos20200000020000002020000200002ZZjZZjZZZZZjZZjZZZUeeee
sin)(cos2sin)(cos22020000000002020000002ZZjZZZZZZjZZZZUeee
式中：eZ0和00Z分别为耦合微带线的偶模和奇模特性阻抗，e和0分别是耦合微带线的
偶模和奇模的电长度，0Z是端口的端接阻抗。
根据（1）式可知定向耦合器的耦合度为，
)dB(||lg202UC
而根据（2）式可得传输系数为，
)dB(||lg204UT
但需要满足以下条件，即：
)1(
)2(
)3(
)4(
eOeeeeZZZZZZZsinsinsinsin000000000020
如果假设耦合微带线中传输的是TEM波（而不是准TEM波），则可忽略奇、偶模相速
的差别而认为：0e，此时（1）～（4）式可以改写成以下形式，即：
sincos1sin2002jCjCU
sincos1120204jCCU
式中：
0000000ZZZZCe
e
0
2f
f
但需要满足以下条件，即：
00020ZZZe
根据（5）～（9）式可知，此时的耦合度和传输系数分别变为，
)dB()cos1sinlg(10220220CCC
)dB()cos11lg(1022020CCT
而中心频率的耦合度为，
)dB()lg(20lg200000000ZZZZCCee
2、耦合区的长度
根据（11）式可知，当耦合区的电长度090时，耦合度C最大，耦合器获得最大
)5(
)6(
)7(
)8(
)9(
)10(
)11(
)12(
)13(
的耦合输出。因此图12中“耦合区”的几何长度应取中心工作频率的四分之一波长， 即：
4
gm
l
对于工作在准TEM波的耦合微带线的奇、偶模的相速不相等，应取：
)(210ggegm
式中：
ee
ge
0
000e
g
分别为“奇模”和“偶模”波导波长，而ee和0e分别是“奇模”和“偶模”的有效介
电常数。
注意：当工作频率较高时“耦合区”的几何长度将非常短、制作困难，此时可取：
,3,2,14)12(nnl
gm
即可以将“耦合区”的几何长度设计成中心工作频率的四分之一波长的奇数倍，具体取多少
倍应视具体情况而定。
3、平行耦合微带线定向耦合器结构尺寸的近似计算
（1）TEM波平行微带线定向耦合器的情况
对于TEM波情况耦合微带线的“偶模”和“奇模”的特性阻抗可用下式计算，即：
20/20/0000101101C
C
e
ZZ
eZZZ0
2
0
00
（2）微带线定向耦合器的近似求解
严格耦合微带线中传输的是准TEM波，则不可忽略“奇、偶模相速”的差别。因此，
此时必须要根据（5）式和（13）式来求出eZ0和00Z，但是（5）式和（13）式中的e和
0
在耦合器的结构尺寸还没有未确定以前是未知的，这表明耦合微带线定向耦合器的严格设计
)14(
)15(
)16(
)17(
)18(
)19(
)20(
必然是一个反复试算的过程。不过在许多情况下、特别是在10dB耦合度和更松耦合的情况
下，由（19）式和（20）式给出的eZ0和00Z近似值具有足够的精度而值得注意。对于紧密
耦合的情况作为一级近似，在要求具有一定值的定向耦合器的耦合度C和平行耦合微带线
定向耦合器的介质材料（即知介质基片的厚度h）的条件下，可以首先根据式（19）和式（20）
计算eZ0和00Z以确定平行耦合微带线定向耦合器的结构尺寸W和S（可查类似于表1获
得），然后根据(5)式计算e、0和特性阻抗0Z。如果上述计算所获得0Z值与你所希望获
得的0Z值（通常为50）出入较大时，则微带线定向耦合器的结构尺寸W和S必需稍微
做一些变动、以修正计算所获得的0Z值使之逼近所希望获得的0Z值。
二、微带线定向耦合器的计算机辅助设计
#include
#include
void main()
{
int Z0=50,H=1,K=4; //端接阻抗Z0,微带导体的数目K
float F0=6.5,C0=3.0,ER=9.6; //中心频率F0,耦合分贝数C0,介质基片的相对
介电常数ER
float C,C1,C2,C3,Q,S1,S2,S3,S4,ZOO,ZOE;
C=1/pow(10, C0/20);
C1=C*C;
C2=K-1;
C3=C1+(1-C1)*C2*C2;
Q=sqrt(C3);
S1=1-C;
S2=1+C;
S3=1+Q;
S4=C+Q;
ZOO=Z0*sqrt(S1/S2)*C2*S3/(S4+C2*S1);
ZOE=ZOO*S4/C2/S1;
cout<
程序往下写：（给定500Z）
根据下式两式[材料中的(3-1-57)式]
eeZZ000和00
0
00
Z
Z
求00和e0再利用(16)～(18)式求“耦合区”的几何长度l,即：
,3,2,14)12(nnl
gm
（18）
