混合环设计分析解析

微波/毫米波电路分析与设计课程设计Rat-raceRingDesign姓名：吴星寒学号：912104220246专业:通信工程\u\指导老师：李兆龙

专业:通信工程\u\Rat-raceRingMicrostrip180°hybridcoupler(rat-racering)isanimportantRF/microwavecomponentin4G/5GandWPANwirelesscommunicationindustry.Task&Requirements:Designsuchacomponentworkingat24.125GHz,usingsubstrateRT/duroid6002,20milthickness.Requirements:20dBreturnlossbandwidth>6%20dBisolationbandwidth>6%Amplitudeimbalance<1dBInsertionLoss<1dB

实验设计原理:Rate-racering即微带环形耦合器或者混合环，是四端口网络，可以由微带线制成。整个环的周长为1.5X，四个分支线并联在环上，将环分为4段。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。当端口1输入信号时，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°；达到端口4的两路信号等幅反相，端口4无输出；达到端口3的两路信号等幅同相，端口3有输出，相位滞后90°。其中端口2和端口3输出振幅相同。得到如下关系式：S31=S21=1/也3)S41=0端口2输入信号时，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°；到达端口4的两路信号等幅同相，端口4有输出，相位滞后70°；到达端口3的两路信号等幅反相，端口3无输出。其中端口1和端口4输出振幅相同。得到如下关系式：S12=1R2(-j)S42=1R2jS32=0S14=°.S24=1R2j

S34=1/也(-j)当端口4输入信号时，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°；到达端口S14=°.S24=1R2j

S34=1/也(-j)当端口3输入信号时，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°；到达端口2的两路信号等幅反相，端口2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°。其中端口1和端口4输出振幅相同。得到如下关系式:S13=E-j)S23=0S43=1/也(-j)实验设计步骤：1、创建Project创建一个混合环prj，我们所设计的原理图及仿真结果都将保存在这个项目中，将此工程命名为ratracering，长度单位设为mil。创建完成及之后的路径如下：

FileViewFrojectView白.•D:\Us&rs\Santi\ratrac&ring_prj酷DA_RRCoupIer1_rat_racering,dsnElrat_racering.dsnElrat_racering.dsn2、搭建混合环原理图在原理图元件面板列表上选择Tlines-Microstrip中的微带线参数设置控件MSub和PassiveCircuitDG-MicrostripCircuits中的混合环元件RRCplr，将他们插入原理图，画图区参数设置如下：MSubMSUBMSublH=20.0milEr=2.94Mur=1Cond=1.0E+50Hu=3.9e+034milT=0.6mm1anD=0.0012Rough"milDA_RRCoupler1_rat_raceringDA_RRCoupler1Subst=MMSub1MF=24.125GHzZo=50OhmDelta=0mil注：Msub中H表示微带线基板厚度；Er表示基板相对介电常数;Mur表示相对磁导率；Cond表示相对电导率；HuMSUBMSublH=20.0milEr=2.94Mur=1Cond=1.0E+50Hu=3.9e+034milT=0.6mm1anD=0.0012Rough"milRRCplr中Subst表示参数由Msub1决定；F表示混合环中心频率；Z0表示四个端口传输线特性阻抗；Delta表示用于调谐的分支长度增加量3、利用设计向导生成混合环原理图选中RRcoupler电路，选择DesignGuid菜单中的PassiveCircuit，弹出对话框，选中对话框中的MicrostripControlWindow，弹出PassiveCircuitDesignGuid，选择DesignAssistant中的Design，系统将自动完成设计过程所得结果如下：

MITEE''''Tee2■■■■Subst^MSubr■W1=29.387mil.W2=29.387milW3=52.797mil'MITEE''''Tee2■■■■Subst^MSubr■W1=29.387mil.W2=29.387milW3=52.797mil'MCURVE....Cuive2Subst="MSubr'W=29.387mil--Angle=6D-•Radius^25.4[]7mil.MITEE————1ee3■■■■..Subst="MSubr...W1=29.387mil.W2=29.387mil'W3=52.797mil'Port.IR3MCURVE.CurvelSubst=*MSub'1"''W=29.387mil--Angle=60-•••Radius=25.407mil.MTEE''''Teel•••••Subst=-MSubr•.W1=29.387mil.W2=29.387mil'W3=52.797mil'MCURVECurves''''Subst^MSubd".W=29.387mil•Port1-P4••.Num=4..Port-.P2..Num=2VPort-P1..Num=1Num=3MlCURVE.Curves'Subst='"MSub1*.W=29.387mil---Angle=60•••.Radius=25.4D7.miL'MTEE'.■fee4■■■■-Subst^MSubr-.W1=29.3B7mil._W2=29.3S7mil.W3=52.797milMCURVE'Ciifve4'Subst^MSubrW=29.387mil-Angle=fiO...Radius=25.407milMLIN-•TL2....Subst=；MSub1W=29.387*miiIL二52.797mil'MCURVE--Cuive5...Subst="MSub.rW=29.387milAngle=6D''MLIN----Angle=6D...TL[Radius=25.4D7milSubst=；MSubrW=29.337milIL=52.797mil4、选择MLIN、Term和Ground,4次插入原理图画图区。将4个Port部分删除，在此电路图中插入微带线参数控件MSub，和S参数仿真元件并设置如图所示参数：软S-PARAMEIERS■■ramSP1Start=20.125GHzStop=28.125GHzStep=0.05GHzMSubMSUBMSublH二200milEr二294Mur=1Cond=1.0Et50Hu=3.9e+034mil'MSubMSUBMSublH二200milEr二294Mur=1Cond=1.0Et50Hu=3.9e+034mil'T=0.6milTanD=00Q12Rough=0milStart=20.125GHz，表示频率扫描的起始频率;Stop=28.125GHz，表示频率扫描的终止频率；Step=0.05GHz，表示频率扫描的频率间隔。5、计算微带线参数W和L并完成最终原理图

选中MLIN，选择Tool中的LineCalc,选择StartLineCalc将MSub中的参数及中心频率填入弹出框中并计算，所得结果如图所示：将所得W=40.715748mil和L=207.199606参数赋给原理图中的MLIN，但仿真出的中心频率偏离要求的24.124较远，经反复调试参数，得到最终原理图：■S_Params_Quad_dB_Smith"Jerm•Jerm3.Nurn=3TermTerm1Num=1,Z=5QOhm-MCURVE...CurvelSubst=taMSubrW=29.387milAngle=60Radius.=25.407milMTEE————1ee2----Subst=."MSub1".yv1=29.387mil.W2=29.387milVV3=52.797niil*MLIN.Jerm•Jerm3.Nurn=3TermTerm1Num=1,Z=5QOhm-MCURVE...CurvelSubst=taMSubrW=29.387milAngle=60Radius.=25.407milMTEE————1ee2----Subst=."MSub1".yv1=29.387mil.W2=29.387milVV3=52.797niil*MLIN..••TL3Subst="MSub1".VV=66.5milz/fL=238mil\fMCURVE...Curve2Subst="MSubVW=29.387mil-Angle=60Radius^25.407milMTEE---Iee3...Subst=：MSubFvy1=29.387mjlW2=29.387milW3=52797mil&_HaramSP1Start=20.125GHzl....Stop=28.125GHzS-PARAMETERS.J1MCURVE'既叶Curve3。。'TL4''''Siibst=-MSub1*'•津璧亍半次W=29.387mil--=66.5mil..Angle=60•——jL=238mil.Radius=25.407.mil.-Teelp"7ee4..W1=29.387mil厂W1=29.387mil..W2=29.387milW3=52.797milW2=29.387milSubSt=-MSubrW3=52；797milW=66.5milZ=50OhmL=238milMCURVECurves''''Subst=-MSub1"W=29.387milAngle*。...Radius=25.407milMLIN••••MCURVE-•TL2....Curve5...Subst=；MSub1".Subst="MSub.1'W=29.387mil'W=29.387milMLIN..•TL1....Subst="MSubrW=29.387milMCURVECirve4■••■Subst='MSub1*W=29.387mil--.Angie=60...Radius=25.407milTermTerm2Step=0.05GHzNum=2Z=50OhmMLIN..•TL&•••Subst=BMSub.1"W=66.5milL=238milIerm4Num=4Z=50Ohm因结构对称，给出部分参数图:

■Tee3■■■■.Subst="MSubT'..WlF29.387mjl.■Tee3■■■■.Subst="MSubT'..WlF29.387mjl.W2=29387mil'W3=52797mil'S-PARAIra'i■■•SP1-•••.Start=2Q.125GHzStop=28.125GHzStep=C.05GHz'MCURVEnN.密•••,■TL4''Subst=,'MSub1h.•甲贸了Sub1'W^29L387mil■-W=66.5mil.Angle=60--•L=238mi1..RadiuE5.4W.milM■Tee4,,,■.W1=29.337mil.W2=29L387milW3=52.797mil'TermTerm2Num=2'Z=5CChm••■MLIN■••...TL1....SutEt=MSiA1"'W=29.3S7mil''L=52.797mil'『milMCURVE'Cun/e4‘‘,■•Subst^MSubl".-W=29.387mil-•.Angl^&O...RadiJS=25.4a7milMLIN————TL&••••Subst="MSubi1".W=«e.5mjl.L=238mir'7rm-•Term4.Num=4.Z=30Ohm其中W=66.5mil,L=238mil。原理图仿真：选择原理图工具栏中的仿真Simulate，运行仿真，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花费的时间等，如图：hpeesoisim44:12-FileSimuIation/Synthesi&TextWindowSimulation/SynthesisMessagesI卫Status/SummaryResourceusage:Totalstopwatchtime=0.30secondsSimulationfinishe日：dataset'DA_RRCouplerl_r.'D:\Users\Santi\ratracering_prj/data'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，给出S各参数仿真结果如下（下图）：S-ParametersvsFrequencyForwardTsnsmtsBon,dB2.2hInputReflectionCoeficientfeq(20.13GHzto28.13GHe)fieq<20.13GHzto23.13Gbft)W.D■2.2-2.4RewrseTransmiission,dB6BD2

(荷一L河mpOutputRelectionScefficientfreq(2D.133Hztc2B.13GHZ■:InputReflectonCoefficientfreqC2D.13GHzt=2B.133HZ；FcrwaidTransmiission,dB.2,4.e.B.D,2.4.6.B

点点^点-s,-s.-3,-s,-s.mlfreq=21.88GHzdB(S(1,1))=-23.187m2freq=25.23GHzdB(S(131))=-23.288m1_1T3Q11/11T/IlliIlliIlliIlliIlliIlliIlliIlliIlli1D2DSD-405D

--■--((Lwfflpm3freq=24.13GHzdB(S(3,1))=-3.102m5freq=22.02GHzdB(S(431))=-23.096freq=26.77GHzdB(S(4,1))=-23.008仿真结果分析：m5freq=2