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1、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: 指导老师： 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 实验设计要求 4 实验设计原理 4三、实验设计步骤 5 新建项目 搭建原理图 原理图仿真 将原理图生成版图 版图仿真 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
2、验设计心得 18六、参考文献 19 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1.5，四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。在中心频率处，当
3、端口1输入信号时，端口2，3，4的输出如下：到达端口2的两路信号等幅同相，端口2有输出，相位滞后90度；到达端口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：S=S= 1/2（-j），S=0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： S= 1/2（-j）, S= 1/2 j
4、, S=0; 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=0, S=1/2 j , S=1/2 (-j);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
5、= 1/2(-j),S=0,S=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： 实验设计步骤 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。 搭建原理图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）选择【Tools】中的【linecalc】,点击【start linecalc】，微带线参数设置控件【Msub】，将中心工作频率设为35GHz，介
6、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70.71067812，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50，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
7、原理图界面如图1（2）所示。图2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3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4 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：so
8、lid 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：SdB： f=33GHz时，S=-27.615；f=37GHz时，S=-29.396 f=35G
9、Hz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=-29.396 f=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S、S13的参数曲线在35GHz处的值都在-30dB以下，可见
10、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-30.3dB 的耦合量，隔离段的隔离度保持在20 dB 左右） 将原理图生成版图将原理图中的四个term和接地去掉，同时接上四个port端口，如图7所示。图7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8 版图仿真选择【momentum】【substrate】update from schematic，然
11、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。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）仿真结束之后，下图10为S11的幅度，相位以及Smith图。图10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
12、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。 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。 只是改变mcurve的W，将W改为W=0.831035mm。如图12所示。W (Mcurve)R(Mcurve)W(Mlin)L(Mlin)0.83103
13、5mm1.499647mm1.636680mm1.539660mm图12 只是改变mcurve的W，将W改为W=0.731035mm。如图13所示。W (Mcurve)R(Mcurve)W(Mlin)L(Mlin)0.731035mm1.499647mm1.636680mm1.539660mm图13 只是改变mcurve的W，将W改为W=0.631035mm。如图14所示。W (Mcurve)R(Mcurve)W(Mlin)L(Mlin)0.631035mm1.499647mm1.636680mm1.539660mm图14 只是改变mcurve的W，将W改为W=0.531035mm。如图15所
14、示。W (Mcurve)R(Mcurve)W(Mlin)L(Mlin)0.531035mm1.499647mm1.636680mm1.539660mm图15 只是改变mcurve的W，将W改为W=0.431035mm。如图16所示。W (Mcurve)R(Mcurve)W(Mlin)L(Mlin)0.431035mm1.499647mm1.636680mm1.539660mm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。 在的基础上只是改变mlin的W，将W
15、改为W=1.536680。如图17所示。W (Mcurve)R(Mcurve)W(Mlin)L(Mlin)0.431035mm1.499647mm1.536680mm1.539660mm 图17 在的基础上只是改变mlin的W，将W改为W=1.436680。如图18所示。W (Mcurve)R(Mcurve)W(Mlin)L(Mlin)0.431035mm1.499647mm1.436680mm1.539660mm 图18 在的基础上只是改变mlin的W，将W改为W=1.336680。如图19所示。W (Mcurve)R(Mcurve)W(Mlin)L(Mlin)0.431035mm1.499
16、647mm1.336680mm1.539660mm 图19 在的基础上只是改变mlin的W，将W改为W=1.236680。如图20所示。W (Mcurve)R(Mcurve)W(Mlin)L(Mlin)0.431035mm1.499647mm1.236680mm1.539660mm 图20 在的基础上只是改变mcurve的W，将W改为W=0.331035。如图21所示。W (Mcurve)R(Mcurve)W(Mlin)L(Mlin)0.331035mm1.499647mm1.236680mm1.539660mm 图21在的基础上只是改变mlin的L，将L改为W=1.639660。如图22所示
17、。W (Mcurve)R(Mcurve)W(Mlin)L(Mlin)0.331035mm1.499647mm1.236680mm1.639660mm 图22在的基础上只是改变mlin的L，将L改为W=1.739660。如图23所示。W (Mcurve)R(Mcurve)W(Mlin)L(Mlin)0.331035mm1.499647mm1.236680mm1.739660mm 图23在的基础上只是改变Mcurve的R，将R改为R=1.599647。如图24所示。W (Mcurve)R(Mcurve)W(Mlin)L(Mlin)0.331035mm1.599647mm1.236680mm1.73
18、9660mm 图24综上观察可得，下表所列的数据比较符合要求。W (Mcurve)R(Mcurve)W(Mlin)L(Mlin)0.331035mm1.499647mm1.236680mm1.739660mm 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。开始以为自己安装的时候哪步点错了，于是把刚装好的ADS卸载了，再次重新安装。可是打开的时候还是出现ERROR。后来我尝试用管理员权限打开就没有问题了。2、对ADS不了解因为第一次接触ADS，所以自己不太会用这款软件。后来我在网上查找了一些介绍ADS
19、的使用情况的资料，自己慢慢摸索。像曲线形式的改变，坐标的指示等等都是自己随便点点尝试着摸索到的。像我报告里提到的项目命名为hh2，就是因为hh1这个工程被我随便尝试建了一些乱七八糟的东西，后来就重新命名hh2来设计本次实验。3、对混合环的不了解我第一堂课因为驾校考试而请假了，题目还是同学转达给我的。我第一次看到这个题目的时候很茫然，不知道要做什么，只知道我要先把ADS装好，并且熟悉最基础的界面使用情况。后来我记得我有一次老师给我们全部人介绍了魔T和微带线的一些知识点。结合老师所讲以及自己找的参考资料，自己开始尝试设计这个混合环。4、版图仿真无法实现因为自己装的ADS的版本和自己电脑不能很好的连
20、接，后来我把自己的电脑改成了单核，版图仿真就可以实现了。5、版图仿真时数据未导入第一次进行版图仿真时我并没有把原理图的微带线的基本参数导进版图里，而且那时候自己设置了20个点，频率从17.5GHz到52.5GHz，于是在等待了很久很久很久出来了三张乱七八糟的图。当时我还不知道这是因为自己没有把数据从原理图导入版图的结果，还在想难道我之前的设计出错了，可是原理图仿真的时候结果很理想啊。后来翻阅自己找到的资料的时候发现自己原来没有把原理图的数据导入到版图里。7、版图仿真和原理仿真的结果相差有点大因为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
21、反复修改，得到达到指标的电路。因为版图仿真的结果是受多个因素共同影响的，所以自己通过控制变量的方法来改变参数，力求找个符合实验设计要求的数据。这个步骤的详细过程如前面的第三大点的第六点所示。 实验设计心得通过这次实验，我对ADS这款软件有了一定的了解，在一定程度上也理解了魔T的结构知识点。同时自己的探索能力和对新知识的掌握能力也在一定程度上得到了加强。在刚开始的两周里，我基本上没有试过在电脑上设计一个混合环。我觉的我首先要做的是了解ADS这款软件，其次熟悉微带线的结构，弄清楚混合环的原理。常言道，“高筑墙，广积粮，缓称王”，我觉得我只有把一些基础的东西掌握之后才能进行更深一步的探索。我记得有一
22、天早上，李老师看大家八点到教室的人数不是很多，于是很神秘的和我们说早起的鸟儿有虫吃，当然也不要期待从他那儿可以得到巧克力。告诉我们微带线设计的时候一些注意点，教我们可以使用linecalc，其实在李老师说linecalc之前我已经使用ADS的这个功能了。让我比较纠结的是版图仿真的结果和原理图的仿真相差比较大，中心频率从35GHz降到了31GHz多一点，而且也不太满足3dB的耦合度。影响到版图仿真结果的因数有很多，所以我自己采用了控制变量法。不过最后的结果还是有一定的偏差。因为在数据显示窗口用矩形图的时候是可以用不同的颜色区分不同的线的，但是考虑到打印出来之后只有黑白两种颜色，所以我给每幅图的四
23、条线设置了不同的线条类型和线条厚度来加以区分。如下表所示。类型厚度S（1,1）solid line0.5pointsS（1,2）short dot dash1.0pointsS（1,3）long dash1.0pointsS（1,4）dot1.5points总之，经过这次实验，我遇到了很多问题，具体的已经在第四大点实验设计过程中遇到的问题里指出来了，当然我也学到了很多。最后感谢在这次实验设计过程中给以我帮助的老师和同学。 参考文献 黄玉兰,ADS射频电路设计基础与典型应用 【M】,人民邮电出版社 2010.2、张德虎,宽带3 dB混合环基本原理的研究【J】,微型机与应用,1674-7720(2011)07-0063-02.