基于ADS的射频环行器仿真设计（很全面） - 图文

毕业论文(设计)

题 目 基于ADS的射频环行器仿真设计

学生姓名

学 号

院 系 电子与信息工程学院

专 业 通信工程

指导教师

目 录

第一章 引言 .............................................. 4 1.1 ADS概 述 ......................................... 4 1.1.1 ADS 的设计功能 ............................... 4 1.1.2 ADS的仿真功能 ................................ 5 1.1.3 ADS与其他软件厂商元件模型的连接 .............. 6 1.2 环行器概述 ....................................... 7 1.2.1 射频环行器的发展现状及趋势 ................... 8 1.2.2 铁氧体环行器的相关原理 ....................... 8 1.2.3 环行器的相关应用 ............................. 9 1.2.4 本文环行器的研究意义 ........................ 11 第二章 环行器相关原理 ................................... 11 2.1 环行器的S参数 .................................. 12 2.2 本文环行器的设计指标 ............................. 13 第三章 环行器的设计与仿真 ............................. 14 3.1 利用ADS设计环行器 ............................... 14 3.1.1 创建项目 .................................... 14 3.2 设计原理图 ...................................... 15 3.2.1 搭建电路 ................................. 15 3.2.2 设置微带线参数控件 .......................... 17 3.3 原理图仿真及显示仿真数据 ......................... 18 3.4 生成版图并仿真 ................................... 20

3.4.1 生成版图 ................................... 21 3.4.2 版图仿真 .................................... 22 第四章 环行器设计向导的利用与仿真 ....................... 24 4.1 创建环行器设计向导的原理图 ...................... 24 4.1.1 创建新设计 ................................. 24 4.1.2 搭建原理图 ................................. 24 4.1.3 设置微带线的参数 ............................ 26 4.1.4 设置环行器参数 .............................. 27 4.2 利用设计向导生成环行器原理图 ..................... 27 4.3 对环行器原理图仿真 ............................. 32 4.4 生成版图并仿真 .................................. 34 4.4.1 生成版图 .................................... 34 4.4.2 版图仿真 ................................... 35 第五章 结束语…………………………………..37

基于ADS的射频环行器仿真设计

摘要：射频环行器作为一种重要的器件，广泛应用于通信以及雷达系统中的收发组件上。传统的环行器通常利用铁氧体材料的特性构成，因而需要外加磁场才能工作，而铁氧体器件的体积和重量通常都比较大，且不利于集成，给使用带来不便。而微带环行器具有体积小、重量轻、不需要外加磁场,易与MMIC技术兼容的特点。

本文的主要目的是通过ADS软件仿真设计射频段环形器。本文设计的环行器为四端口微带环行器，首先介绍其设计理论，重点分析环行器的S参数，然后利用ADS软件设计微带环行器。本设计中心频率选择射频段的2.4GHz,带宽为10%，在通带内，设计出S11和S41小于-25dB，S21大于-3.2dB，S31大于-3.1dB的环行器，而通过仿真设计出的环行器完全达到指标。 关键词：微带环行器； 射频；ADS仿真

第一章 引言

1.1

ADS概 述

ADS 软件支持所有类型射频电路设计，包括时域电路设计、频域电路设计、电路布局图设计和通信系统设计，同时提供各种电流的时域仿真分析、频域仿真分析和电磁仿真分析，并可与其他EDA软件进行连接。

1.1.1

ADS 的设计功能

ADS可以提供原理图设计和布局图设计，在原理图设计中，ADS不仅提供了无源到有源、

从器件到系统的设计面板，而且提供设计工具、设计向导和设计指南等，原理图设计可以在数据显示视窗看到仿真结果。 1.设计面板

原理图设计提供了62类元件面板，每个元件面板上有几个到几十个不等的元件，这些

元件面板包括时域源、频域源、调制源和各种类型的源，微带线、带状线等各种类型的传输

线，集总参数元件、分布参数元件等各种无源器件，砷化镓器件、双极结型器件等各种有源器件，滤波器、放大器、混频器等各种系统级部件等，使用者利用元件面板上提供的元部件可以进行设计。 2.设计工具

原理图设计中提供了多种设计工具，使用者可以利用设计工具提供的图形化界面进行传输线计算、史密斯圆图使用、阻抗匹配等辅助设计。 3.设计向导

在原理图设计中，设计向导提供设定界面供设计人员进行电路分析与设计，使用者可以利用图形化界面设定参数，设计向导会自动完成电路响应模型。ADS提供的设计向导包括负载电路设计向导、滤波器设计向导、放大器设计向导、混频器设计向导和振荡器设计向导等。 4.设计指南

设计指南以范例与指令说明的形式师范电路的设计流程，使用者可以利用这些范例，学习如何利用DAS高效进行电路设计。目前ADS提供设指南包括GSM设计指南、WLAN设计指南、CDMA设计指南和RFIC设计指南等。使用者也可以通过软件建立自己的设计指南。 5.仿真与数据显示

ADS可以对原理图设计进行仿真分析，仿真结果在数据显示窗口中显示。为增加仿真分析的方便性，ADS提供了仿真模板功能，仿真模板将经常重复使用的设计仿真设定成一个模板直接使用，避免了重复设定所需的时间和步骤。使用者也可以通过软件建立自己的仿真模板。 1.1.2

ADS的仿真功能

ADS的仿真功能十分强大，可以提供直流仿真、交流仿真、S参数仿真、谐波平衡仿真、

增益压缩仿真、电路包络仿真、瞬态仿真、预算仿真和电磁仿真等，这些仿真可以进行线性和非线性仿真，电路和系统仿真，频域、时域和电磁仿真。 1. 线性分析

线性分析为频域、小信号电路的仿真分析方法，可以对线性和非线性射频电路进行线性分析。在进行线性分析时，软件首先计算电路中每个元件的线性参数，如S参数、Z参数、Y参数、电路阻抗、反射系数、稳定系数、增益与噪声等，然后对整个电路进行分析和仿真，得到线性电路的幅频、相频、群延时、线性噪声等特性。

2. 谐波平衡和增益压缩分析

谐波平衡和增益压缩分析为频域、大信号、非线性、稳态电路的仿真分析方法，可以用来分析具有多频输入信号的非线性电路，得到谐波失真、功率压缩点。三阶交调点、非线性噪声等参数。谐波平衡和增益压缩仿真是一个有效的频域分析工具，与时域瞬态SPICE仿真分

析相比，谐波平衡和增益压缩仿真可以给非线性电路提供一个比较快速有效的分析方法，对现今频率越来越高的通信系统来说，显得尤为重要，填补了时域瞬态SPICE仿真和小信号S参数仿真的不足。 3. 高频SPICE瞬态分析

高频SPICE瞬态分析可以分析线性和非线性电路的瞬态响应，是一种时域的仿真分析方法。瞬时仿真是传统SPICE软件采用的最基本的仿真方法，SPICE软件可以说是所有电路仿真软件的鼻祖，能够对模拟和数字电路进行仿真。但与传统SPICE软件相比，高频SPICE瞬态分析有很多的优点，例如可以直接使用频域分析模型，对微带线和分布参数滤波器等进行分析，这是因为ADS在仿真时可以将频域分析模型进行拉氏变换后在瞬态分析，因为高频SPICE瞬态仿真分析能够对频域模型进行分析。 4. 电路包络分析

电路包络仿真是近年来通信系统的一项标志性技术，可以讲高频调制信号分解为时域和频域两部分进行处理，非常适合对数字调制射频信号进行快速、全面的分析。在时域上，电路包络仿真对相对低频的调制信息用时域SPICE方法来仿真分析，而对相对高频的载波成分，电路包络仿真则采用类似谐波平衡法的仿真方法，在频域进行处理，这样的处理使仿真器的速度和效率得到了质的飞跃。

5. 电磁仿真分析

ADS软件采用矩量法(Momentum)对电路进行电磁仿真分析。矩量法与有限元法和时域有限差分法等一样，是一种数值计算方法，可以对微分方程和积分方程进行数值求解，因此在电磁场的数值计算中应用十分广泛。矩量法将激励和加载分割成若干部分，并将一个泛函方程化为矩阵方程，从而得到射频电路电磁分布的数值解，若激励和加载分割成越来越多个部分，矩量法的电磁数值解就越精确。ADS软件采用矩量法可以对布局图进行电磁仿真分析，得到电路板上的寄生和耦合效应，对原理图的设计结果加以验证。 1.1.3

ADS与其他软件厂商元件模型的连接

现在商业化的电子软件不断涌现，各种软件的主要功能和侧重点也有所不同，因此软件的开放和兼容是不容忽视的问题，软件和软件、软件和硬件、软件和测试设备、软件和元器件生产商之间的联系和沟通在设计中值得关注。ADS软件允许与其他软件和测试设备连接，并允许将厂商的元件模型读入。 1. 与其他软件的连接

ADS软件提供了丰富的接口，允许与其他软件连接。ADS软件的SPICE电路转换器可以讲SPICE格式的电路图转换成DAS格式的电路图进行仿真分析，ADS格式的电路图也可以转换成SPICE格式的电路图进行仿真分析。ADS软件的布局转换器可以将其他EDA或

者CAD软件产生的布局文件导入到ADS软件中进行编辑。

2. 与厂商元件模型间的沟通

ADS软件允许都得到厂商的元件模型，并将其读入到ADS软件，供使用者在电路的设计和仿真中使用。

1.2

环行器概述

环行器，一种只允许信号从一个端口到另一个端口单向流动的三端器件，在通信系统或者雷达中用于隔离发射和接收通道。其工作原理就是利用中心结构在射频场和外加偏置磁场之间满足一定关系时产生的谐振效应,从而获得环行效果。目前环行器大致上使用的是圆盘结, Y 型结, 双 Y 结, 三角结的中心谐振导体。在二次世界大战中，环行器、隔离器等器件的应用，解决了雷达系统的级间隔离、阻抗以及共用等一系列实际问题，极大的提高了雷达系统的性能，成为系统中的关键器件。此后，环行器得到了快速的发展，它被广泛的应用于通信和雷达系统中的收发组件上。

在雷达、微波通信、无线通信以及无线局域网系统中，射频前端部分主要完成无线信号的收发，因此它占有非常重要的作用。大家都知道，无线通信系统中的任一条通信线路包括发射系统和接收系统。收、发系统它们共用一副天线，因此就要将收、发信号分开，所以在天线和接收与发射设备系统连接的地方就必须装置环行器。下图1-1就是无线收、发信机(transceiver)的射频前端部分的示意图。

图1-1 ：射频收发信机结构框图

由上图可知，射频环行器是微波/射频收发系统中非常重要的组成部分，环行器用作收发

信号两边的重要器件，既要连接着天线又要连接收、发链路，在移动通信系统中扮演着“上传下达”的重要角色，即通过环行器的功能使信号的收发可有一对天线完成。对一个环行器而言，当一端口接发射机，二端口接天线，三端口接接收机时，发射机发射的微波信号大部分只能通过二端口的天线发送出去，只有少量的信号泄漏到三端口进入接收机；天线收到的微波信号大部分只能传送到三端口的接收机，从而避免了微波信号的相互影响，所以微波在环行器的各端口间的传输是非互易的。正是因为如此，环行器作为一种非常重要的非互易器件在无线通信基站及终端产品中

得到非常广泛的使用，既可以保证发射信号尽量不向接收端泄漏，同时又可防止因发射天线的开路或短路引起天线系统失配的情况下，由于反射波造成对发射机后级功率放大器的损坏。此外，它还可以用在移相、延时以及多路分离通道中。 1.2.1

射频环行器的发展现状及趋势

经过半个多世纪的发展，在广大理论工作者和工程技术人员的努力下，微波环行器在理论研究及工程应用上取得了极大的进展。在器件工作原理方面，从上世纪中叶第一只法拉第旋转环行器出现到后来的场移式器件，随后H.Bosma提出结型环行器而掀起的结型环行器研究的热潮，以及有Tanaka用双极型晶体管实现环行器而引出的对MMIC环行器的一系列研究；在分析方法方面，出现了有限元法(FEM)、边界元法(BEM)、时域有限差分法(FDTD)、矩量法(MOM)等一系列电磁场分析方法；在传输线的形式方面，从最初的波导型、同轴转换环行器到现在的微带式、集中参数式、全磁（全铁氧体）式等微小型器件，以及鳍线、槽线等各种环行器；在器件尺寸大小方面，从大体积的波导式结型、差相移式环行器到应用于把手机等无线设备的超小型环行器，以及受微波毫米波电路技术的推动而研究开发的MMIC环行器及薄膜器件等；在工作频率方面，已经形成了从特高频到微波段甚至毫米波段（主要是8mm）的产品系列。可见微波环行器是朝着体积小、重量轻、结构简单和性能可靠以及频段化的方向发展，现在已有各种形式、不同频段的产品问世，基本上已经形成了系列化、频段化和商品化。据资料显示，2003年我国环行器/隔离器的产量约为100万只左右，1亿元的销售产值。不仅产量提高，产品的性能水平也大大提高，特点是结构小型化、壳体化、低损耗以及良好的温度稳定性器件的设计开发大有改观，与世界先进水平的差距逐步缩小。而且随着国家对第三代移动通信（3G）政策的支持与投入，给微波器件的发展带来了更好的契机。 1.2.2

铁氧体是一种兼有磁性、电性与光效应的材料。从电学性质上看，铁氧体的电阻率很高，

68在微波波段，其值在一般在10到10?/cm之间，这个数值比铁的电阻率高出了12个数量

铁氧体环行器的相关原理

级，是一种半导性的磁性材料。鉴于这一点，微波电磁场可以深入铁氧体的内部发挥作用，这是铁氧铁和其他铁磁材料的重要区别，也是它能在微波元件中广泛应用的重要原因。铁氧体的相对介电常数的实部约为10~20，所以在不加恒磁场时它实际上是一种高介电常数的介质。其虚部代表损耗，典型铁氧体的介质损耗角正切介于10~10之间，因此在铁氧体内微波传播时损耗很小。铁氧体又是一种非线性的各向异性磁性材料，其磁导率随外加磁场而变；且在恒定磁场偏置下，铁氧体在各个方向上的磁导率是不同的。由于这种各向异性，当电磁波从不同的方向通过磁化铁氧体，呈现出不同的效应，因此基于这种效应，可以做成各种有用的非互易微波器件，如环行器、非互易移相器等一系列非线性铁氧体器件。铁氧体的磁性是由自旋电子引起的，其饱和磁化强度4?MS在几百到几千高斯之间。

按照铁氧体的特性和用途，可以把铁氧体分成五类：软磁、永磁、旋磁、矩磁、压磁铁氧体。所谓微波铁氧体一般指旋磁性的铁氧体。旋磁性是指，当外加稳恒磁场（或材料本身的各向异性场）存在时，对于高频磁场而言，铁氧体的磁导率是一张量形式并不对称，因而导致了铁氧体的非互易特性。与这种旋磁性相关的电磁波波段，通常从米波到毫米波段。金属磁体同样也具有旋磁性，但是由于趋肤效应，高频电磁波仅仅透入厚度不到1微米的表面薄层，因而在微波领域中，各种磁性器件目前都采用铁氧体。另外，要研究微波电磁场与磁性物质的相互作用，金属磁体也受着趋肤效应的限制，只有铁氧体是最好的研究对象。因而，旋磁性应用成为铁氧体独占的领域。

铁氧体在微波波段具有许多特别的性质和效应，最主要的有下面四种：

1. 磁导率的张量性：当各向同性的铁氧体处在直流磁场和微波磁场的同时作用下，其

磁导率变成反对称张量，而且该张量的各分量均为复数。

2. 铁磁共振：对于一定的磁性介质，当微波场的频率与直流磁场的强度满足一定的条

件时，磁性介质便会从微波场中强烈地吸收能量，这便是铁磁共振（吸收）现象。如果磁性介质尺寸较大或所处的微波场不均匀，共振情况还会变的复杂。 3. 法拉第旋转效应：当先偏振电磁波通过纵向磁化铁氧体时，其偏振面会发生一定程

度的旋转。旋转角度一般说来是样品的尺寸、磁化强度和介电常数等的函数。 4. 高功率现象：当微波场强增大到一定程度以后，又会发生一些新的现象，例如铁磁

共振曲线的峰值降低（称为饱和效应）和宽度变宽，新的共振峰出现等等。 以上这些效应不但是微波铁氧体中最受重视的物理问题，而且也是各种各样的铁氧体微波器件的物理基础。

1.2.3

环行器的相关应用

?4?2在 20世纪50年代 ，世界上出现了第一个能够实际应用的环行器——法拉第旋转环行器 。然后，它又被谐振隔离器和差相移式环行器所取代。因为它们的结构更简单，同时能够承载的功率更高。1960年代场移式器件和带线结环行器相继出现。直到1964年 YoshihiroKonishi发明了集总参数环行器。至今环行器仍然是用量最大的微波铁氧体器件之一。

1.环行器的的一些基本应用

1)发射机与负载级间隔离(去耦 合 )

环行器最基本的应用就是提供隔离度。当被用做隔离器时，环行器的一个端口接上匹配负 载，成为一个二端口器件。所有的微波发射源都不可避免地受到负载阻抗变化而发生频率漂 移，为了避免这样的问题我们可以在发射源和负载之间加一个衰减器 ，但是衰减器的损耗会比较大。使用隔离器就是一个很好的选择 。它可以提供大于20dB的隔离度，同时它的正 向损耗小于0.5dB。

2)功放间隔离

功放不是一直无条件的稳定，不同级的功放往往会互相干扰 ，如果功放没有正确的匹配负载，也会产生干扰，尤其是高功率的功放，反射回来的能量往往能损坏到发射源。如果在功放的级间放置隔离器的话，不但可以避免它们不同级间的互相干扰，而且也可以防止上一级负载阻抗失配反射回来的能量破坏发射源，起到保护作用。

3)天线与发射机或接收机间隔离

如果发射机直接连接到天线，将被天线的任何阻抗变化所影响(比如，雪或靠近的障碍物 )。如果使用隔离器就可以避免这样的问题，提供大于20dB的隔离度。同样，如果接收机也直接连接到天线上，因为接收机的第一级往往是低噪声功放，它的输入阻抗往往调整到 最小的噪声，而并非与天线匹配阻抗。所以 ，如果在接收机和天线之间接入隔离器就能够解决此问题 。

4)发射机和接收机共用天线

如果我们使用的发射机和接收机共用一根天线。就需要调整至不同的频率并使用滤波器防止它们之间相互干扰，如果使用环行器连接在它们之间，就可以少用一个滤波器。因为发射信 号通过环行器耦合到天线，天线入射信号通过环行器直接耦合到了接收机 。

5)在移动通信中的典型应用

移动通信已经经历了模拟语音移动通信 (第一代 )、数字语音移动通信(第二代，如GSM 、CDMA)两代，现在已进入了能够覆 盖全球的多媒体通信--第三代，其主要特点是可以实现全 球漫游，使任意时间、任意地点、任意用户之间的交流成为可能 ，将来还要发展到第四代高速移动通信。这些系统都属于无线通信之列，它们都要采用微波作为传输手段 ，因此微波铁氧体环行器都是不可或缺的基本器件。环行器在移动通信中的应用是在基站系统中主要 作收、发信机的天线共用装置(双工器或多工器)，在发射和接收系统中作为功率放大器。开 关放大器的输入和输出隔离以及在测量系统中起去耦作用。

2.环行器相关的典型应用

1)环行器用于双工系统。环 行器和上行带通滤波器、下行带通滤波器的组合，用于发射 — —天线——接收系统 ．这种双工系统是异频收发系统。以区别于雷达技术中同频双工系统 。

2)为两个隔离器和90度电桥组合成合路器，为两合一器件。也可以做成四合一合路器，它由四个隔离器和三个90度电桥组成。这种合路器端1和端2间的隔离必须大于 50dB。

3)为功放级间的匹配和去耦。在固态放大系统中，串级式放大器级间的隔离是必要的，增加整个放大器的稳定性。

4)消除发射源之间的相互干扰，它亦是和若干个滤波器组合在一起使用。和上述级间去耦作用相类似，不同点是这里是消除异频干扰。

5)为二合一天线发射系统。两个不同频率的发射源通过两个环行器和两个滤波器组合而成 ．也可成四合一、十六合一 ，这在蜂窝移动通信基站中是非常有用的，它可与合路器组合起来使用。 1.2.4

由于微带环行器具有小型化、轻量化、性能高、可靠性好、易与微波系统集成等优点，从而成为现阶段研究的热点。本文就是研究和仿真一种四端口的环行器。它可以用来监视功率和频谱，把功率进行分配和合成，以及构成平衡混频器和测量电桥等。

本文环行器的研究意义

第二章 环行器相关原理

环行器是4端口网络，可以由微带线制成，环行器的结构如图2-1所示，环的全部长度为3?/2，4个分支并联在环上，将环分成4段，各段的长度如图所示。

图2-1 环行器

2.1 环行器的S参数

环行器具有两个端口相互隔离，另外两个端口平分输入功率的特性，因此可以看做是一个3分贝的定向耦合器。

在中心频率，当环行器的1端口输入信号时，2、3、4端口的输出如下。

? 到达2端口的两路信号等幅同相，2端口有输出，相位滞后90?。 ? 到达3端口的两路信号等幅同相，3端口有输出，相位滞后90?。 ? 到达4端口的两路信号等幅反相，4端口无输出。

其中2端口和3端口输出振幅相同，因此有如下关系式：

S21=

11（-j） ， S31=（-j） ， S41=0 (式2.1) 22当环行器的2端口输入信号时，1，3，4端口的输出如下。

? 到达1端口的两路信号等幅同相，1端口有输出，相位滞后90?。 ? 到达4端口的两路信号等幅同相，4端口有输出，相位滞后90?。 ? 到达3端口的两路信号等幅反相，3端口无输出。

其中1端口和4端口输出振幅相同，因此有如下关系式：

S12=

11（-j） ， S32=0 ， S42=（-j） （式2.2） 22当环行器的3端口输入信号时，1，2，4端口的输出如下。

? 到达1端口的两路信号等幅同相，1端口有输出，相位滞后90?。 ? 到达2端口的两路信号等幅反相，2端口无输出。

? 到达4端口的两路信号等幅同相，4端口有输出，相位滞后270?。

其中1端口和4端口输出振幅相同，因此有如下关系式：

S13=

11（-j） ， S23 =0 ， S43j （式2.3） 22当环行器的4端口输入信号时，1，2，4端口的输出如下。

? 到达1端口的两路信号等幅反相，1端口无输出。

? 到达2端口的两路信号等幅反相，2端口有输出，相位滞后90?。 ? 到达3端口的两路信号等幅同相，3端口有输出，相位滞后270?。

其中2端口和3端口输出振幅相同，因此有如下关系式：

S14=0 ，S24=

11（-j） ，S34=j （式2.4） 22在理想情况下，中心频率上它的4端口是完全匹配的。由上面的分析可以得到环行器的散射矩阵如下：

?0?j?j0??0?j?1??j0? (式2.5) [S]=0j?2??j0??0??0?jj

由环行器的散射矩阵可以知道，理想环行器为3分贝定向耦合器。

2.2 本文环行器的设计指标 本设计的指标如下：

?中心频率选择射频段的2.4GHz。 ?带宽为10%。

?在通带内，S11和S41小于-25dB。 ?在通带内， S21大于-3.2dB。

?在通带内，S31大于-3.1dB。 ?微带线基板的厚度为0.5mm。 ?微带线基板的相对介电常数为4.2。 ?各个端口传输线的特性阻抗采用50?。

第三章

环行器的设计与仿真

3.1 利用ADS设计环行器

3.1.1 创建项目

创建一个环行器项目，具体步骤如下： 1. 启动ADS软件，弹出主视窗。

2. 选择主视窗【File】菜单>【New Project】,弹出【New Project】对话框，在【New Project】

对话框中输入项目名称和这个项目默认的长度单位，项目名称为RatRace1_Coupler，默认的长度单位为millimeter。

3. 【New Project】对话框如图3.1所示，单击【New Project】对话框中的【OK】按钮，完

成创建环行器项目，同时一个未命名的原理图（untitled1）自动打开。

图3.1 创建环行器项目

4.在未命名的原理图untitled1上，选择菜单【File】>【Save Design】,弹出【Save Design As】对话框，在【Save Design As】对话框中，输入新建的设计名称为RatRace1_1,然后单击【保存】按钮，将原理图命名为RatRace1_1。

3.2 设计原理图

在RatRace1_1的原理图上，根据设计向导给出的参数搭建环行器电路并设置参数。

3.2.1 搭建电路

1. 在原理图的元件面板上，选择微带线【TLines-Microstrip】,元件面板上出现与微带线对

应的元件图标，在微带线元件面板上选择MTEE,4次插入原理图的画图区，MTEE是微带线的T形结，可以将电路由一路分为两路，并可以给出每个支路微带线的宽度。在原理图中对4个MTEE都设置如下。

分别用W1、W2和W3表示T形结每个支路微带线的宽度。

?设置W1=0.527mm。 ?设置W2=0.527mm。 ?设置W3=0.991mm。

设置完成的环行器4个端口如图3.2所示。

图 3.2 环行器的4个端口

2. 在微带线元件面板上，选择Mcurve元件三次插入原理图的画图区。Mcurve是一段弧

形的微带线，可以设置这段微带线的宽度W、半径Radius和所张开的角度Angle。分别双击图区中的3个Mcurve,设置它们的参数，参数都设置如下。

?设置W=0.527mm。 ?设置Angle=60。

?设置Radius=16.118mm。

用导线将4个MTEE和三个Mcurve连接起来，这构成环行器的半个环，现在环行器的原理图如图3.3所示。

图3.3 半个环行器的原理图

3. 在微带线元件面板上选择MLIN和Mcurve,插入原理图的画图区，MLIN插入2次，

Mcurve插入3次。分别双击画图区的2个MLIN和3个Mcurve,设置它们的参数，参数设置如下。

?2个MLIN的参数设置相同。 ?设置MLIN的W=0.527mm。 ?设置MLIN的L=0.991。 ?3个Mcurve的参数设置相同。 ?设置Mcurve的W=0.527mm ?设置Mcurve的Angle=60。 ?设置Mcurve的Radius=16.118mm。

用导线将2个MLIN和3个Mcurve连接起来，这构成环行器的另半个环，另半个环的原理图如图3.4所示。

图3.4另半个环的原理图

4. 将前面搭建的电路用导线连接起来，构成环行器，现在环行器的原理图如图3.5所示。

图3.5环行器原理图 3.2.2 设置微带线参数控件

1. 在原理图的元件面板列表上，选择微带线【TLines-Microstrip】,元件面板上出现与微带

线对应的元件图标。

2. 在微带线元件面板上，单击MSUB选择微带线参数设置控件，插入原理图的画图区。 3. 在画图区中双击MSUB,弹出【Microstrip Substrate】对话框，在对话框中对微带线参数

设置如下。

? H=0.5mm,表示微带线基板的厚度为0.5mm。 ? Er=4.2,表示微带线基板的相对介电常数为4.2。 ? Mur=1,表示微带线的相对磁导率为1。

? Cond=4.1E+7,表示微带线导体的电导率为4.1E+7。 ? Hu=1.0E+033mm，表示微带线的封装高度为1.0E+033mm。 ? T=0.05mm,表示微带线的导体层厚度为0.05mm。 ? TanD=0.0003,表示微带线的损耗角正切为0.0003。 ? Rough=0mm,表示微带线表面粗糙度为0mm。

设置完成后的微带线MSUB控件如图3.6所示。

图3.6 环行器微带线参数设置

3.3 原理图仿真及显示仿真数据

下面对原理图仿真，并在数据显示视窗显示仿真结果。

1. 在微带线元件面板上选择MLIN，4次插入原理图的画图区。分别双击画图区的4个

MLIN，设置它们的参数，参数都设置如下。

?设置MLIN的W=0.991。 ?设置MLIN的L=5mm。

2. 在原理图的元件面板列表上，选择S参数仿真【Simulation-S_Param】,元件面板上出现

与S参数仿真对应的元件图标。在S参数仿真元件面板上选择Term,4次插入原理图中，构成电路的4个端口。

3. 在原理图工具栏中单击地【Insert GROUND】图标，4次插入原理图中，让4个端口都

接地。

4. 用导线连接电路，如图3.7所示，这是添加了终端负载的原理图。

5. 在S参数仿真元件面板上，选择S参数仿真控件SP，插入画图区中。双击画图区中的

SP，在弹出的设置窗口中设置如下。 ? 频率扫描类型选为线性Linear。 ? 频率扫描的起始值设为2.2GHz。

?频率扫描的终止值设为2.6GHz。

?频率扫描的步长设为0.02GHz。

设置完成的S参数仿真控件如图3.8所示。

图3.7 加入4个终端负载的环行器原理图

图3.8 S参数仿真控件

6. 现在可以对原理图仿真了。在原理图工具栏中单击仿真【Simulate】图标，进行仿真，

仿真过程中弹出了仿真状态窗口，记录了扫描范围和仿真花费的时间等。

7. 仿真结束后，数据显示视窗自动弹出。单击数据显示方式面板中的矩形图标，插入数据

显示区，用矩形图来表示S11曲线。矩形图的横坐标为频率，纵轴为S11，S11是用分贝（dB）表示的。 8. 用同样的方法可以得到

所示。

9. 有图3.9可以看出，S11 、S21、S31和S41的仿真数据如下。

S21 、S31 和S41曲线，S11 、S21、S31和S41曲线如图3.9

?在2.28GHz时，S11= -29.881 。在2.52GHz时，S11=-30.025。 ?在2.28GHz时，S21=-3.158 。在2.52GHz时，S21=-3.139。 ?在2.28GHz时，S31=-3.020 。在2.52GHz时，S31=-3.047。 ?在2.28GHz时，S41= -31.357 。在2.52GHz时，S41= -30.853。 S11 、S21、S31和S41的仿真数据符合技术指标。

图3.9 环行器原理图仿真数据

3.4 生成版图并仿真

由原理图可以生成与之对应的版图，原理图中构成电路的各种微带线元件模型，在版图中可以转化为实际的微带线。版图仿真是采用矩量法进行电磁仿真，对版图的仿真结果更符合电路实际环境，所以电路在原理图中仿真以后，还需要对版图仿真。

下面由原理图生成版图，并对版图加以仿真。

3.4.1 生成版图

1. 在原理图视窗上，去掉4个端口的Term和“接地”，不让他们在生成的版图中出现，去

掉的方法是单击原理图工具栏中的【Deactive or Active Component】按钮，然后单击4个端口的Term和“接地”，若Term和“接地”打了红叉，表示已经被关掉，如图3.10所示。

2. 选择原理图上的【Layout】菜单>【Generate/Update Layout】,弹出【Generate/Update Layout】

设置窗口，单击窗口上的【OK】按钮，默认它的设置。这时又会弹出【Status of Layout Generation】版图生成状态窗口，将这个窗口的内容与原理图进行比较，确认后单击【OK】按钮，完成版图的生成过程。

3. 完成版图的生成过程后，版图视窗会自动打开，画图区会显示刚刚生成的版图，版图如

图3.11所示。

4. 选择版图工具栏上的端口Port,插入版图，端口Port的设置保持与原理图一致。

图3.10 去掉Term和“接地”的环行器原理图

图3.11 由原理图生成的版图

5. 下面设置微带线的基本参数。为了使版图的仿真结果有效，必须使版图中微带线的基本

参数与原理图中微带线的基本参数一致，具体设置如下。

?选择版图视窗中的【Momentum】菜单>【Substrate】>【Update From Schematic】命令，

从原理图视窗得到微带线的基本参数。

?选择版图视窗中的【Momentum】菜单>【Substrate】>【Create/Modify】命令，打开

【Create/Modify Substrate】窗口，在打开的设置窗口也可以修改微带线的基本参数。

3.4.2 版图仿真

下面对版图仿真，观察版图的技术指标。

1. 选择版图视窗中的【Momentum】菜单>【Simulation】>【S-Paramete】命令，打开仿真

控制【Simulation Control】窗口。

2. 在仿真控制【Simulation Control】窗口设置如下。

?扫描类型Sweep Type 设置为Adaptive。 ?频率扫描起始值为2.2GHz。 ?频率扫描终止值为2.6GHz。 ?所取样点为20个。

单击【Update】按钮，将上面设置填到频率计划表中。

3. 单击仿真控制【Simulation Control】窗口中的Simulate按钮，开始仿真。仿真过程中弹

出仿真状态窗口，记录了频率扫描范围和仿真所使用时间等。

4. 仿真结束后，数据显示视窗自动弹出。在数据此案时窗口用矩形表示S11 、S21、S31和

S41曲线，S11 、S21、S31和S41曲线如图3.12所示。

5. 由图3.12可以看出，S11 、S21、S31和S41的仿真数据如下：

?在2.279GHz时，S11=-28.110dB。在2.522GHz时，S11=-29.435dB。

?在2.279GHz时S21=-3.117dB。在2.522GHz时，S21=-3.141dB。 ? 在2.279GHz时 ，S31=-3.064dB 。在2.522GHz时，S31=-3.099dB。 ?在2.279GHz时，S41=-29.605dB。在2.522GHz时，S41=-32.148dB。 S11 、S21、S31和S41的仿真数据符合技术指标。

第四章

环行器设计向导的利用与仿真

在原理图视窗，ADS提供了环行器的设计向导，本章再利用设计向导设计环行器。

4.1 创建环行器设计向导的原理图

4.1.1 创建新设计

创建一个新设计，这个设计依旧保存在RatRace1_Coupler项目中。创建新设计的步骤如下。

1. 选择主视窗中【View】菜单>【Startup Directory】,然后在主视窗中的文件浏览区选

择RatRace1_Coupler_prj,双击进入RatRace1_Coupler项目。

2. 在主视窗中选择【File】菜单>【New Design】,弹出【New Design】对话框，在【New

Design】对话框中，输入新建的设计名称RatRace1_DG1,然后单击【OK】按钮，新建的原理图RatRace1_DG1自动打开。

4.1.2 搭建原理图

1. 在前面打开的原理图的元件面板列表上，选择微带线【TLines-Microstrip】,元件面板上出现与微带线对应的元件图标，如图4.1所示。

2. 在图4.1所示的元件面板上，单击【MSUB】选择微带线参数设置控件，插入原理图的画图区。

3. 在原理图的元件面板列表上，选择耦合器设计向导【Passive Circuit DG - Microstrip Circuits】对应的元件图标，如图4.2所示。

4.在图4.2所示的元件面板上，单击RRCplr,选择环行器元件插入原理图的画图区。 5.插入微带线参数设置控件【MSUB】和环行器RRCplr后，原理图画图区如图4.3所示，图

中环行器显示为RRCoupler。

图4.1 微带线元件面板

图4.2 耦合器设计向导面板

图4.3 设置参数后的电路原理图

4.1.3 设置微带线的参数

在图4.3所示的画图区中，双击【MSUB】,弹出【Microstrip Substrate】对话框。在【Microstrip Substrate】对话框中，对微带线的参数设置如下。

? H=0.5mm,表示微带线基板的厚度为0.5mm。

? Er=4.2,表示微带线基板的相对介电常数为4.2。 ? Mur=1,表示微带线的相对磁导率为1。

? Cond = 4.1E+7,表示微带线导体的电导率为4.1E+7。 ? Hu=1.0e+033mm,表示微带线的封装高度为1.0e+033mm。 ? T=0.05mm，表示微带线的导体厚度为0.05mm。 ? TanD=0.0003,表示微带线的损耗角正切为0.0003。 ?Rough=0mm,表示微带线表面粗糙度为0mm。

4.1.4 设置环行器参数

在图4.3所示的画图区中，双击环行器RRCoupler电路,弹出【RatRace Coupler】对话框，在设置对话框中，对环行器RRCoupler电路参数设置如下：

?Subst=”MSub1”,表示微带线的参数由Msub1决定。 ? F=2.4GHz,表示环行器的中心频率为2.4GHz。

? Z0=50Ohm,表示环行器四个端口传输线的特性阻抗为50Ohm。 ? Delta=0mm,表示用于调谐的分支长度增加量为0mm。

4.2

利用设计向导生成环行器原理图

前面仅对环行器的频率和特性阻抗进行了设置，并没有根据这些参数确定环行器的结构和尺寸，环行器的结构和尺寸需要使用ADS的设计向导完成。

1.在画图区选中RRCoupler电路，并单击【DesignGuide】菜单>【Passive Circuit】,弹出【Passive Circuit】对话框。

2.在【Passive Circuit】,对话框中选择【Microstrip Control Window】,然后单击【OK】按钮,弹出【Passive Circuit DesignGuide】窗口，【Passive Circuit DesignGuide】窗口的初始状态如图4.4所示。

图4.4 【Passive Circuit DesignGuide】窗口的初始状态

3.选择【Passive Circuit DesignGuide】窗口中的【Design Assistant】选项，【Design Assistant】选项如图4.5所示，单击【Design】按钮，系统将自动完成设计过程。

图4.5 设计向导中的Design Assistant 选项

4．设计自动完成后，在原理图的画图区选中RRCoupler电路，单击工具栏中的【Push Into Hierarchy】按钮，进入环行器RRCoupler子电路，环行器子电路如图4.6所示，图中给出了环行器的结构和尺寸。图4.6中画出了微带结构的环行器原理图，在原理图中使用了微带线元件（MLIN）,T形接头元件（MTEE）和弧形微带线（MCURVE）等。 5.单击子电路工具栏中的【Pop Out】按钮，退出RRCoupler子电路。

6.选择【Passive Circuit DesignGuide】窗口中的【Simulation Assistant】选项，设置仿真时的频率如下：

? Start = 2.2GHz。 ? Stop = 2.6GHz。 ? Step = 20MHz。

设置完成的【Simulation Assistant】选项如图4.7所示。

7.单击图4.7中的【Simulate】按钮，系统将自动完成仿真过程，并弹出数据显示视窗，自动显示仿真结果，仿真结果如图4.8所示。

图4.8 使用模板显示了各个端口之间的传输系数，并从振幅和相位两个方面显示了上述仿真数据。从上面的仿真数据可以看出，由设计向导得到的环行器电路原理图满足设计指标。

图4.6 环行器的原理图

图4.7 设计向导中的Simulation Assistant 选项

图4.8 环行器仿真数据

4.3 对环行器原理图仿真

下面在原理图中插入S参数仿真控件，对原理图进行S参数仿真，并在数据显示视窗显示仿真结果。

1. 在原理图的元件面板列表上，选择S参数仿真【Simulation-S_Param】,元件面板上出现

与S参数仿真对应的元件图标。在S参数仿真元件面板上，选择负载终端Term,4次插入原理图中，构成4个电路端口。

2. 在原理图工具栏中单击地【Insert GROUND】图标，4次插入原理图中，让4个负载终

端接地。

3. 然后用导线连接电路，如图4.9所示。

4. 在S参数仿真元件面板上，选择S参数仿真控件SP,插入画图区中。双击画图区中的SP，

在弹出的设置窗口中设置如下： ? 频率扫描类型选为线性Linear。 ? 频率扫描的起始值设为2.2GHz。 ?频率扫描的终止值设为2.6GHz。

?频率扫描的步长设为0.02GHz。

设置完成的S参数仿真控件如图4.10所示。

图4.9 加入4个端口的环行器原理图

图4.10 S参数仿真控件

5. 现在可以对原理图仿真了。在原理图工具中单击仿真【Simulate】图标，运行仿真，仿

真过程中弹出了仿真状态窗口，记录了频率扫描范围和仿真花费的时间等。

6. 仿真结束后，数据显示视窗自动弹出，在数据显示视窗中，采用矩形图标显示环行器S11仿真的结果，步骤如下。

?单击数据显示方式面板中的矩形图标，插入数据显示区。

?这时会弹出【Plot Trace & Attributes】窗口，在窗口中选择S11。 ?然后单击【>>Add>>】按钮，这时又会弹出【Complex Data】窗口。 ?选择【Complex Data】窗口中的dB,单击【OK】按钮关闭这个窗口。 ?在单击【Plot Trace & Attributes】窗口中的【OK】按钮，也关闭这个窗口。

矩形图的横坐标为频率，矩形图的纵轴为S11，由于在【Complex Data】窗口中选中d B，所以S11是用分贝（d B）表示的。

7. 用同样的方法可以给出S21、S31和S41曲线，用矩形图表示的S11、S21、S31和S41曲线

如图4.11所示。

图4.11 环行器原理图仿真数据 4.4 生成版图并仿真

4.4.1 生成版图

1.生成版图的步骤与第三章相似，这里就不赘述，这里仅给出由原理图生成的版图，如图4.12所示。

2.完成微带线基本参数的设置后（具体参数与第三章相同），环行器的版图设计就完成了。

图4.12 由原理图生成的版图

4.4.2 版图仿真

仿真步骤也与第三章相同，这里仅给出在数据显示窗口的S11、S21、S31和S41的曲线，如图4.13。

由图4.13所示，版图的仿真数据依旧很好。

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