正交混合网络的设计
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学院：电子工程与光电技术学院 指导老师：李兆龙
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f0?5.85GHz；②20dB return loss bandwidth为
16.39%；③20dB isolation bandwidth为13.64%；④Amplitude imbalance ?0.4dB?1dB，Insertion imbalance ?0.4dB?1dB。
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f0?60.04GHz；②20dB return loss bandwidth为15.01%；③20dB isolation
bandwidth为14.31%；④Amplit uimbalance?0.876?1dB，Insertion imbalance?0.907?1dB。
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：ADS 3dB定向耦合器 微带线 优化仿真
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一、研究背景
移动通信技术迅猛发展,通信频率资源紧张的趋势就日益凸显,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90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：
figure1
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figure1，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90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：
?0j10????1?j001? [S]???100j2??01j0??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
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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figure2所示。假定在端口1输入单位幅值的波。
figure2 归一化的正交混合微带线电路
figure2可分解为偶模激励和奇模激励的叠加，如figure3所示。因为该电路
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。
figure3 正交混合微带线分解为偶模和奇模：（a)偶模（e);(b)奇模（o)
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端口网络，如figure3所示。因为这两个端口的输入波振幅为?1/2 ，所以在正
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