利用ads设计超宽带定向正交耦合器的设计与实现_毕业设计论文(编辑修改稿)

利用ads设计超宽带定向正交耦合器的设计与实现_毕业设计论文(编辑修改稿)内容摘要：

/ 2 图 奇模激励 由偶 模激励可知，对称面两端输入信号相等，对称面相当于开路，取对称面左半平面进行研究得： 11 2eeab  （ 23） 其中 e 为偶模激励下的反射系数，由面对称网络的对称性可得右半平面： 12 2eeab  （ 24） 由奇模激励可知，对称面两端输入信号相反，对称面相当于短路，取对称面左半平面进行研究得： 11 2ooab  （ 25） 其中 o 为奇模激励下的反射系数，由面对称网络的对称性可得右半平面： 12 2ooab  （ 26） 由上面分析可得：  1 1 1 1 2e o e ob b b a      （ 27）  2 2 2 1 2e o e ob b b a      （ 28） 那么可推出原网络反射系数  和正向传输系数 T ：  11 12 eoba      （ 29）  21 12 eobT a     （ 210） 根据散射参数的定义： iijjVs V （ 211） iV 代表 i 端口的输出电压， jV 代表 j 端口的输入电压，结合网络的对称性，互易性，可得一般 二端口 面对称网络的散射矩阵为： 1 1 1 22 1 2 2ss TS ss T   （ 212） 其中  为原面对称网络的反射系数， T 为正向传输系数，分别对应 11s 和 21s ，且该矩阵沿主对角线对称。 将式（ 29）（ 210）代入（ 212）可得： 第二章 定向耦合器的理论分析 9 12 e o e oe o e oS             （ 213） 根据图 （ ） 和图 （ ） ，结合式（ 21） ~（ 24）和（ 211）可得偶模激励的散射矩阵和奇模激励的散射矩阵如下： eeeeeS  （ 214） oooooS     （ 215） 式（ 213）可改写为：  12 eoS S S （ 216） 本节主要通过奇偶模分析法讨论一般二端 口面对称网络的散射矩阵，下面在本节基础上讨论四端口定向耦合器网络。 四端口面对称网络 本节在上一节面对称网络奇偶模分析的基础上对四端口定向耦合器分别进行奇模激励分析和偶模激励分析。 实际工作时，定向耦合器做为子系统与其他器件级联，其他器件的输入输出阻抗均为特征阻抗 50Ω，所以理论计算时需要端接特征阻抗 0Z。 根据奇偶模分析的原理，将激励信号 2U 分解为一对奇模激励（ +U、U）和一对偶模激励（ +U、 +U），分别对应耦合器的奇模结构和偶模结构。 如图～图 所示： Z 0Z 0Z 0Z 02 UU 3 I 3U 1I 1U 4 I 4U 2 I 2 图 原始信号激励（ 2U）的定向耦合器 Z 0Z OZ 0Z 0UU 3 oI 3 oU 1 oI 1 oU 4 oI 4 oU 2 oI 2 o UZ 0 o电 壁 图 奇模激励（ +U、 U）的定向耦合器 超宽带定向正交耦合器的设计与实现 10 Z 0Z 0Z 0Z 0UU 3 eI 3 eU 1 eI 1 eU 4 eI 4 eU 2 eI 2 eUZ 0 e磁 壁 图 偶模激励（ +U、 +U）的定向耦合器 其中电压箭头向上为正，向下为负，电流箭头向右为正，向左为负。 由上面图 图 图 可知，将奇偶模两种情况叠加，可以得出原激励条件下的情况。 奇模激励下 ，传输线对称面电势为零（电壁），对称面两侧传输线特征阻抗为0OZ ，根据传输线网络 ABCD 矩阵（传输矩阵）可得 00c os( ) si n( )12si n( ) c os( )OOl jZ lU o U oljlI o I oZ           （ 217） 00c o s( ) sin( )34sin( ) c o s( )OOl jZ lU o U oljlI o I oZ           （ 218） 结合奇模结构具体电路，有 011U U o Z I o   （ 219） 022U o Z I o （ 220） 033U U o Z I o     （ 221） 044U o Z I o   （ 222） 解上述矩阵及方程可得： 000000c o s( ) sin ( )12 c o s( ) ( ) sin ( )OOOZl j lZU o UZZl j lZZ （ 223） 00002 2 c os( ) ( ) si n( )OOUUo ZZl j lZZ  （ 224） 000000c o s( ) sin ( )32 c o s( ) ( ) sin ( )OOOZl j lZU o UZZl j lZZ （ 225） 第二章 定向耦合器的理论分析 11 00004 2 c os( ) ( ) si n( )OOUUo ZZl j lZZ  （ 226） 由分析可知，该 4 组解均为模值形式，方向由箭头 标定。 偶模激励下，传输线对称面两侧电势相等（磁壁），因此对称面为开路形式，对称面两侧传输线特征阻抗为 0eZ ，根据传输线网络 ABCD 矩阵（传输矩阵）可得： 00c os( ) si n( )12si n( ) c os( )eel jZ lU e U eljlI e I eZ           （ 227） 00c os( ) si n( )34si n( ) c os( )eel jZ lU e U eljlI e I eZ           （ 228） 结合偶模结构具体电路，有： 011U U e Z I e   （ 229） 022U e Z I e （ 230） 033U U e Z I e   （ 231） 044U e Z I e   （ 232） 整理上述矩阵及方程可得 000000c o s( ) sin ( )12 c o s( ) ( ) sin ( )eeeZl j lZU e UZZl j lZZ （ 233） 00002 2 c os( ) ( ) si n( )eeUUe ZZl j lZZ  （ 234） 000000c o s( ) sin ( )32 c o s( ) ( ) sin ( )eeeZl j lZU e UZZl j lZZ （ 235） 00004 2 c os( ) ( ) si n( )eeUUe ZZl j lZZ  （ 236） 其中 2/   ，  为信号的波长， l 为传输线的长度。 原激励条件下定向耦合器各端口电压为奇模结构和偶模结构各端口电压的叠加，可得： 1 1 1U U e U o （ 237） 2 2 2U U e U o （ 238） 3 3 3U U e U o （ 239） 4 4 4U U e U o （ 240） 超宽带定向正交耦合器的设计与实现 12 原激励条件（ 2U）下，耦合器信号输入端口的输入阻抗为 1/ 1inZ U I ，为了与其他器件级联时候无反射匹配，那么要求 0inZZ ，即 01/ 1U I Z ，而当 0inZZ 时，电压 2U 平均分配，即 1UU ，那么有 0 /1Z U I。 由上述方程可解得： 0000 0 0 00 0 0 0c os ( ) si n( ) c os ( ) si n( )1 1 111 2 c os ( ) ( ) si n( ) 2 c os ( ) ( ) si n( )eOineOeOZZl j l l j lU U e U oZZZ Z Z ZII l j l l j lZ Z Z Z             （ 241）因为前提要求 0inZZ ，则： 000 0 0 00 0 0 0c o s( ) sin ( ) c o s( ) sin ( )12 c o s( ) ( ) sin ( ) 2 c o s( ) ( ) sin ( )eOeOZZl j l l j lZ Z Z Zl j l l j lZ Z Z Z          （ 242） 整理上式可得： 0 0 0eOZ Z Z （ 243） 进而求得： 1UU （ 244） 00222 c os( ) si n( )eOOeUUZZj  （ 245） 00000000si n( )32 c os( ) si n( )eOOeeOOeZZjZZUUZZjZZ （ 246） 40U （ ） 在该波段的中心频率上， 90ol ，代入上式可得电压耦合系数： 0031 eOZZUK U Z Z  （ 248） 下面求解该四端口定向耦合器的散射矩阵： 令 11 12 13 1421 22 23 2431 32 33 3441 42 43 44s s s ss s s sABSs s s sCDs s s s  （ 249） 该矩阵即为一般四端口网络的散射矩阵形式， 由一般二端口面对称网络的散射矩阵对称性可知： 11 1221 22ssA ss （ 250a） 第二章 定向耦合器的理论分析 13 13 1423 24ssB ss （ 250b） 31 3241 42ssC ss （ 250c） 33 3443 44ssD ss （ 250d） 下面根据四端口定向耦合器的特征来确定 S 矩阵的各个参数。 四端口定向耦合器为双面对称网络，符合一般面对称网络的规律，由上小节式（ 212）可知，矩阵 AD ， BC ，式（ 249）可改写为： 11 12 13 1421 22 23 2413 14 11 1223 24 21 22s s s ss s s sABSs s s sBAs s s s  （ 251） 定向耦合器有前向耦合和后向耦合两种，前向耦合 时， 1 端口为输入端， 2 端口为直通端， 4 端口为耦合端， 3 端口为隔离端。 由于仿真软件对应后向耦合方式，那么本文针对后向耦合进行分析，即信号从 1 端口输入时， 2 端口为直通端， 3 端口为耦合端， 4 端口为隔离端。 由于该四端口定向耦合器为无源互易无耗网络，根据互易性可知，当信号从 2 端口输入时， 1 端口为直通端， 4。