【文章內容簡介】 4)發(fā)射機和接收 機共用天線 如果我們使用的發(fā)射機和接收機共用一根天線 。 就需要調整至不同的頻率并使用濾波器防止它們之間相互干擾 ， 如果使用環(huán)行器連接在它們之間 ， 就可以少用一個濾波器 。 因為發(fā)射信 號通過環(huán)行器耦合到天線 ， 天線入射信號通過環(huán)行器直接耦合到了接收機 。 5)在移動通信中的典型應用 移動通信已經(jīng)經(jīng)歷了模擬語音移動通信 (第一代 )、數(shù)字語音移動通信 (第二代 ， 如 GSM 、CDMA)兩代 ， 現(xiàn)在已進入了能夠覆 蓋全球的多媒體通信 第三代 ， 其主要特點是可以實現(xiàn)全 球漫游 ， 使任意時間 、 任意地點 、 任意用戶之間的交流成為可能 ， 將 來還 要發(fā)展到第四代高速移動通信 。 這些系統(tǒng)都屬于無線通信之列 ， 它們都要采用微波作為傳輸手段 ， 因此微波鐵氧體環(huán)行器都是不可或缺的基本器件 。 環(huán)行器在移動通信中的應用是在基站系統(tǒng)中主要 作收 、 發(fā)信機的天線共 用 裝置 (雙工器或多工器 )， 在發(fā)射和接收系統(tǒng)中作為 功 率放大器 。 開 關放大器的輸 入 和輸出隔離以及在測量系統(tǒng)中起去耦作用 。 1)環(huán)行器用于雙工系統(tǒng) 。 環(huán) 行器和上行帶通濾波器 、 下行帶通濾波器的組合 ， 用于發(fā)射 — — 天線 —— 接收系統(tǒng) ．這種雙工系統(tǒng)是異頻收發(fā)系統(tǒng) 。 以區(qū)別于雷達技術中同頻 雙工系統(tǒng) 。 2)為兩個隔離器和 90 度 電橋組合成合路器 ， 為兩合一器件 。 也可以做成四合一合路器 ， 它由四個隔離器和三個 90度 電橋組成 。 這種合路器端 1和端 2間的隔離必須大于 50dB。 3)為功放級間的匹配和去耦 。 在固態(tài)放大系統(tǒng)中 ， 串級式放大器級間的隔離是必要的 ， 增加整個放大器的穩(wěn)定性 。 4)消除發(fā)射源之間的相互干擾 ， 它亦是和若干個濾波器組合在一起使用 。 和上述級間去耦作用相類 似 ， 不同點是這里是消除異頻干擾 。 5)為二合一天線發(fā)射系統(tǒng) 。 兩個不同頻率的發(fā)射源通過兩個環(huán)行器和兩個濾波器組合而成 ．也可成四合一、 十六合一 ， 這在蜂窩移動通信基站中是非常有用的 ， 它可與合路器組合起來使用 。 本文 環(huán)行器 的 研究意義 由于微帶環(huán)行器具有小型化、輕量化、性能高、可靠性好、易與微波系統(tǒng)集成等優(yōu)點 ， 從而成為現(xiàn)階段研究的熱點 。 本文就是研究和仿真一種四端口的 環(huán)行器 。 它可以用來監(jiān)視功率和頻譜 ， 把功率進行分配和合成 ， 以及構成平衡混頻器和測量電橋等 。 第二章 環(huán)行器 相關原理 環(huán)行器 是 4 端口網(wǎng)絡 ， 可以由微帶線制成 ， 環(huán)行器 的結構如圖 21 所示 ， 環(huán)的全部長度為 3? /2， 4 個分支并聯(lián)在環(huán) 上 ， 將環(huán)分成 4 段 ， 各段的長度如圖所示 。 圖 21 環(huán)行器 環(huán)行器 的 S參數(shù) 環(huán)行器 具有兩個端口相互隔離 ， 另外兩個端口平分輸入功率的特性 ， 因此可以看做是一個3 分貝的定向耦合器 。 在中心頻率 ， 當 環(huán)行器 的 1 端口輸入信號時 ， 4 端口的輸出如下 。 ? 到達 2 端口的兩路信號等幅同相 ， 2 端口有輸出 ， 相位滯后 90? 。 ? 到達 3 端口的兩路信號等幅同相 ， 3 端口有輸出 ， 相位滯后 90? 。 ? 到達 4 端口的兩路信號等幅反相 ， 4 端口無輸出 。 其中 2 端口和 3 端口輸出振幅相同 ， 因此有如下關系式： 21S = 12 （ j） ， 31S = 12 （ j） ， 41S =0 (式 ) 當 環(huán)行器 的 2 端口輸入信號時 ， 1， 3， 4 端口的輸出如下 。 ? 到達 1 端口的兩路信號等幅同相 ， 1 端口有輸出 ， 相位滯后 90? 。 ? 到達 4 端口的兩路信號等幅同相 ， 4 端口有輸出 ， 相位滯后 90? 。 ? 到達 3 端口的兩路信號等幅反相 ， 3 端口無輸出 。 其中 1 端口和 4 端口輸出振幅相同 ， 因此有如下關系式： 12S = 12 （ j） ， 32S =0 ， 42S = 12 （ j） （式 ） 當 環(huán) 行器 的 3 端口輸入信號時 ， 1， 2， 4 端口的輸出如下 。 ? 到達 1 端口的兩路信號等幅同相 ， 1 端口有輸出 ， 相位滯后 90? 。 ? 到達 2 端口的兩路信號等幅反相 ， 2 端口無輸出 。 ? 到達 4 端口的兩路信號等幅同相 ， 4 端口有輸出 ， 相位滯后 270? 。 其中 1 端 口和 4 端口輸出振幅相同 ， 因此有如下關系式： 13S = 12 （ j） ， 23S =0 ， 43S 12 j （式 ） 當 環(huán)行器 的 4 端口輸入信號時 ， 1， 2， 4 端口的輸出如下 。 ? 到達 1 端口的 兩路信號等幅反相 ， 1 端口無輸出 。 ? 到達 2 端口的兩路信號等幅反相 ， 2 端口有輸出 ， 相位滯后 90? 。 ? 到達 3 端口的兩路信號等幅同相 ， 3 端口有輸出 ， 相位滯后 270? 。 其中 2 端口和 3 端口輸出振幅相同 ， 因此有如下關系式： 14S =0 ， 24S = 12 （ j） ， 34S = 12 j （式 ） 在理想情況下 ， 中心頻率上它的 4 端口是完全匹配的 。 由上面的分析可以得到 環(huán)行器 的散射矩陣如下： [S]= 1200000000jjjjjj?????????????? (式 ) 由 環(huán)行器 的散射矩陣可以知道 ， 理想 環(huán)行器 為 3 分貝定向耦合器 。 本文 環(huán)行器 的設計指標 本設計的指標如下： ? 中心頻率選擇射頻段的 。 ? 帶寬為 10%。 ? 在通帶內 ， 11S 和 41S 小于 25dB。 ? 在通帶內 ， 21S 大于 。 ? 在通帶內 ， 31S 大于 。 ? 微帶線基板的厚度為 。 ? 微帶線基板的相對介電常數(shù)為 。 ? 各個端口傳輸線的特性阻抗采用 50? 。 第三章 環(huán)行器 的設計與仿真 利用 ADS設計 環(huán)行器 創(chuàng)建項目 創(chuàng)建 一個 環(huán)行器 項目 ， 具體步驟如下： 1. 啟動 ADS 軟件 ， 彈出主視窗 。 2. 選擇主視窗【 File】菜單 【 New Project】 ,彈出【 New Project】對話框 ， 在【 New Project】對話框中輸入項目名稱和這個項目默認的長度單位 ， 項目名稱為 RatRace1_Coupler， 默認的長度單位為 millimeter。 3. 【 New Project】對話框如圖 所示 ， 單擊【 New Project】對話框中的【 OK】按鈕 ， 完成創(chuàng)建 環(huán)行器 項目 ， 同時一個未命名的原理圖（ untitled1）自動打開 。 圖 創(chuàng)建 環(huán)行器 項目 untitled1 上 ， 選擇菜單【 File】 【 Save Design】 ,彈出【 Save Design As】對話框 ， 在【 Save Design As】對話框中 ， 輸入新建的設計名稱為 RatRace1_1,然后單擊【保存】按鈕 ， 將原理圖命名為 RatRace1_1。 設計原理圖 在 RatRace1_1 的原理圖上 ， 根據(jù)設計向導給出的參數(shù)搭建 環(huán)行器 電路并設置參數(shù) 。 搭建電路 1. 在 原理圖的元件面板上 ， 選擇微帶線【 TLinesMicrostrip】 ,元件面板上出現(xiàn)與微帶線對應的元件圖標 ， 在微帶線元件面板上選擇 MTEE,4 次插入原理圖的畫圖區(qū) ， MTEE 是微帶線的 T 形結 ， 可以將電路由一路分為兩路 ， 并可以給出每個支路微帶線的寬度 。在原理圖中對 4 個 MTEE 都設置如下 。 分別用 W W2 和 W3 表示 T 形結每個支路微帶線的寬度 。 ? 設置 W1=。 ? 設置 W2=。 ? 設置 W3=。 設置完成的 環(huán)行器 4 個端口如圖 所示 。 圖 環(huán)行器 的 4 個端口 2. 在微帶線元件面板上 ， 選擇 Mcurve 元件三次插入原理圖的畫圖區(qū) 。 Mcurve 是一段弧形的微帶線 ， 可以設置這段微帶線的寬度 W、半徑 Radius 和所張開的角度 Angle。 分別雙擊圖區(qū)中的 3 個 Mcurve,設置它們的參數(shù) ， 參數(shù)都設置如下 。 ? 設置 W=。 ? 設置 Angle=60。 ? 設置 Radius=。 用導線將 4 個 MTEE 和三個 Mcurve 連接起來 ， 這構成 環(huán)行器 的半個環(huán) ， 現(xiàn)在 環(huán)行器 的原理圖如圖 所示 。 圖 半個 環(huán)行器 的原理圖 3. 在微帶線元件面板上選擇 MLIN 和 Mcurve,插入原理圖的畫圖區(qū) ， MLIN 插入 2 次 ，Mcurve 插入 3 次 。 分別雙擊畫圖區(qū)的 2 個 MLIN 和 3 個 Mcurve,設置它們的參數(shù) ， 參數(shù)設置如下 。 ? 2 個 MLIN 的參數(shù)設置相同 。 ? 設置 MLIN 的 W=。 ? 設置 MLIN 的 L=。 ? 3 個 Mcurve 的參數(shù)設置相同 。 ? 設置 Mcurve 的 W= ? 設置 Mcurve 的 Angle=60。 ? 設置 Mcurve 的 Radius=。 用導線將 2 個 MLIN 和 3 個 Mcurve 連接起來 ， 這構成 環(huán)行器 的另半個環(huán) ， 另半個環(huán)的原理圖如圖 所示 。 圖 另半個環(huán)的 原理圖 4. 將前面搭建的電路用導線連接起來 ， 構成 環(huán)行器 ， 現(xiàn)在 環(huán)行器 的原理圖如圖 所示 。 圖 環(huán)行器 原理圖 設置微帶線參數(shù)控件 1. 在 原理圖的元件面板列表上 ， 選擇微帶線【 TLinesMicrostrip】 ,元件面板上出現(xiàn)與微帶線