东南大学信息学院大四上综合课程设计报告(微波组)

课程名称： 微波方向综合课程设计 实验名称： 微波元件设计、仿真与测试 院 （系）： 信息科学与工程学院 专业班级： 040101 姓 名： XXXX 学 号： 040101 指导教师：

20XX年XX月XX日

综合课程设计实验报告

一、实验目的

1. 了解定向耦合电路的原理和设计方法；

2. 学习使用Microwave office软件进行微波电路的设计、优化、仿真； 3. 掌握定向耦合器的制作及调试方法。

二、实验原理

定向耦合器是一个四端口网络（如图1所示），其中端口1是输入端，端口2是直通端，端口3是耦合端，端口4是隔离端。

分支线定向耦合器（3dB）是一种常用的微带定向耦合器，如图2.2所示，图中连接四个端口的微带线阻抗为Z0；串联分支的微带线阻抗为

ZS?Z0/2，长度为?g/4；并联分支的微带线阻抗为ZP?Z0，长度为

?g/4。

图1 分支线定向耦合器

由奇偶模分析可知，当信号从1端口输入时，分支线定向耦合器的2端口为直通端、3端口为耦合端、4端口为隔离端，2、3端口之间输出信号的幅度相同、相位相差900。

三、实验内容和设计指标

实验内容：

1. 了解微带分支线定向耦合器的工作原理；

2. 根据指标要求，使用Microwave office软件设计一个微带分支线定向

耦合器，并对其参数进行优化、仿真。

设计指标：

在介电常数为4.5，厚度为1mm的FR4基片上（T取0.036mm，Loss tangent取0.02），设计一个中心频率为f、相对带宽为10%，用于50欧姆系统阻抗的3dB微带分支线定向耦合器。要求：工作频带内各端口的反射系数小于-20dB，输入端与隔离端的隔离度大于25dB，直通端与耦合端的传输损耗小于3.5dB。定向耦合器的参考结构如图3.1所示，在设计时要保证四个端口之间的距离大于10mm，以便于测试。左右端口的距离应为40或50mm。

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微带分支线定向耦合器的结构

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在进行设计时，主要是以定向耦合器的S参数作为优化目标进行优化仿真。S21、S31是传输系数，反映传输损耗；S41反映了输入端与隔离端之间的隔离度；S11、S22、S33、S44分别是输入、输出端口的反射系数。根据S21，S31的相位仿真结果可以得到这两个输出端口的相位差。

四、理论设计过程

首先根据介电常数为4.5，厚度为1mm的FR4基片（T取0.036mm，Loss tangent取0.02）等条件，计算3dB定向耦合器的各项尺寸参数。 对于端口处的微带线和并联分支，其阻抗都等于特征阻抗为50Ω。在3GHz的中心频率下，计算得宽度为1.8844mm。对于并联分支，长度为?g/4，计算得为13.426mm。

串联分支的微带线阻抗为ZS?Z0/2，长度为?g/4。计算得阻抗为

35.36Ω，对应的微带线宽度为3.246mm，长度为13.061mm。

五、微波元件的电路仿真

在MWOffice中按上述计算的尺寸进行设计，并根据仿真结果进一步调整优化，得到如下的结果。其中为保证左右端口距离为40mm，延长了端口处微带线的长度。

电路结构图为：

定向耦合器结构设计

根据设计指标对相关参数进行仿真。仿真观察的主要参数是，传输系数S21、S31，反映传输损耗；S41反映了输入端与隔离端之间的隔离度；S11、S22、S33、S44分别是输入、输出端口的反射系数。根据S21，S31的相位仿真结果可以得到这两个输出端口的相位差。

相应的仿真结果为：

左上为传输特性曲线 左下为反射特性 最右为相位传输特性

依照此设计电路，在Protel中产生了相应的版图，版图如下：

版图

六、实物制版与测试

根据上述仿真结果进行制版，对制作出的实物进行各项参数的测试。得到如下的结果：

首先观察从输入端到直通端的传输系数，即S21。

图 S21测试结果

可以发现实物的中心频率与理论值3GHz略有偏差。在3GHz上的S21为-4.173dB。接下来观察直通端到耦合端的传输系数即S31。

图 S31测试结果

在3GHz上S31为-4.527dB，传输损耗比到直通端的略大。再观察隔离度，中心频率与3GHz也有一定误差。

图 S41测试结果

七、分析与讨论

将实物测试结果与仿真结果进行对比，可以得到如下几点结论。 实物测试结果与仿真结果之间存在偏差，这可能是由于制作工艺只能精细到0.01mm，无法达到仿真的精细程度。

实物的中心频率与理想的3GHz存在一定偏差，这除了工艺精度的问题，还有可能是由于仿真中选取的仿真频率值之间存在一定跨度，对中心频率的仿真本身存在误差。

从实物测试结果看，器件的主要特性和理论比较吻合，但在各项具体参数值上和理论存在一定误差。S21和S31即直通端和耦合端的传输损耗都比仿真结果略大，这可能是由于仿真中没有考虑实物存在的一些损耗，如辐射损耗等。

类似的，反射系数、隔离度与仿真结果也有一定偏差。这其中也存在测量器件的误差可能，比如端口阻抗不是准确的50Ω等。

八、结论

通过这学期的微波综合课程设计的学习和实践，学习了使用EDA软件（Microwave Office）进行微带线微波器件的设计仿真的方法，巩固加强了微波基本知识，学习了几种基本器件的参数设计方法。此外，学习了利用Protel产生版图的方法，并实际操练了如何利用频谱仪测量微波器件的频率特性。最终较好地完成了自己仿真一个定向耦合器并产生制作版图这一任务。

在这门课程的学习中，自己的动手能力、EDA软件操作能力都得到了一定的锻炼。同时，在分组进行器件特性测量的过程中，自己的合作能力和团队协调能力也得到了应用和发挥。

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