【正文】 輔助設(shè)計(jì) 。 ADS提供的設(shè)計(jì)向?qū)Оㄘ?fù)載電路設(shè)計(jì)向?qū)АV波器設(shè)計(jì)向?qū)?、放大器設(shè)計(jì)向?qū)?、混頻器設(shè)計(jì)向?qū)Ш驼袷幤髟O(shè)計(jì)向?qū)У?。 目前 ADS提供設(shè)指南包括 GSM設(shè)計(jì)指南、 WLAN設(shè)計(jì)指南、CDMA設(shè)計(jì)指南和 RFIC設(shè)計(jì)指南等 。 ADS可以對(duì)原理圖設(shè)計(jì)進(jìn)行仿真分析 ， 仿真結(jié)果在數(shù)據(jù)顯示窗口中顯示 。 使用者也可以通過軟件建立自己的仿真模板 。 1. 線性分析 線性分析為頻域、小信號(hào)電路的仿真分析方法 ， 可以對(duì)線性和非線性射頻電路進(jìn)行線性分析 。 2. 諧波平衡和增益壓縮分析 諧波平衡和增益壓縮分析為頻域、大信號(hào)、非線性、穩(wěn)態(tài)電路的仿真分析方法 ， 可以用來分析具有多頻輸入信號(hào)的非線性電路 ， 得到諧波 失真、功率壓縮點(diǎn) 。 諧波平衡和增益壓縮仿真是一個(gè)有效的頻域分析工具 ， 與時(shí)域瞬態(tài) SPICE仿真分析相比 ， 諧波平衡和增益壓縮仿真可以給非線性電路提供一個(gè)比較快速有效的分析方法 ， 對(duì)現(xiàn)今頻率越來越高的通信系統(tǒng)來說 ， 顯得尤為重要 ， 填補(bǔ)了時(shí)域瞬態(tài) SPICE仿真和小信號(hào) S參數(shù)仿真的不足 。 瞬時(shí)仿真是傳統(tǒng) SPICE軟件采用的最基本的仿真方法 ， SPICE軟件可以說是所有電路仿真軟件的鼻祖 ， 能 夠?qū)δM和數(shù)字電路進(jìn)行仿真 。 4. 電路包絡(luò)分析 電路包絡(luò)仿真是近年來通信系統(tǒng)的一項(xiàng)標(biāo)志性技術(shù) ， 可以講高頻調(diào)制信號(hào)分解為時(shí)域和頻域兩部分進(jìn)行處理 ， 非常適合對(duì)數(shù)字調(diào)制射頻信號(hào)進(jìn)行快速、全面的分析 。 5. 電磁仿真分析 ADS 軟件采用矩量法 (Momentum)對(duì)電路進(jìn)行電磁仿真分析 。 矩量法將激勵(lì)和加載分割成若干部分 ， 并將一個(gè)泛函方程化為矩陣方程 ， 從而得到射頻電路電磁分布的數(shù)值解 ， 若激勵(lì)和加載分割成越來越多個(gè)部分 ， 矩量法的電磁數(shù)值解就越精確 。 ADS與其他軟件廠商元件模型的連接 現(xiàn)在 商業(yè)化的電子軟件不斷涌現(xiàn) ， 各種軟件的主要功能和側(cè)重點(diǎn)也有所不同 ， 因此軟件的開放和兼容是不容忽視的問題 ， 軟件和軟件、軟件和硬件、軟件和測(cè)試設(shè)備、軟件和元器件生產(chǎn)商之間的聯(lián)系和溝通在設(shè)計(jì)中值得關(guān)注 。 1. 與其他軟件的連接 ADS 軟件提供了豐富的接口 ， 允許與其他軟件連接 。 ADS 軟件的布局轉(zhuǎn)換器可以將其他 EDA 或者 CAD軟件產(chǎn)生的布局文件導(dǎo)入到 ADS軟件中進(jìn)行編輯 。 環(huán)行器概述 環(huán)行器 ， 一種只允許信號(hào)從一個(gè)端口到另一個(gè)端口單向流動(dòng)的三端器件 ， 在通信系統(tǒng)或者雷達(dá)中用于隔離發(fā)射和接收通道 。 目前環(huán)行器大致上使用的是圓盤結(jié) , Y 型結(jié) , 雙 Y 結(jié) , 三角結(jié)的中心諧振導(dǎo)體 。 此后 ， 環(huán)行器得到了快速的發(fā)展 ， 它被廣泛的應(yīng)用于通信和雷達(dá)系統(tǒng)中的收發(fā)組件上 。 大家都知道 ， 無線通信系統(tǒng) 中 的 任 一條通信線路包括發(fā)射系統(tǒng)和接收系統(tǒng) 。 下圖 11 就 是無線收 、 發(fā)信機(jī)(transceiver)的射頻 前 端部分 的 示意圖 。 對(duì)一個(gè)環(huán)行器而言 ， 當(dāng)一端口接發(fā)射機(jī) ， 二端口接天線 ， 三端口接接收機(jī)時(shí) ， 發(fā)射機(jī)發(fā)射的微波信號(hào)大部分只能通過二端口的天線發(fā)送出去 ， 只有少量的信號(hào)泄漏到三端口進(jìn)入接收機(jī) ； 天線收到的微波信號(hào)大部分只能傳送到三端口的接收機(jī) ， 從而避免了微波信號(hào)的相互影響 ， 所以微波在環(huán)行器的各端口間的傳輸是非互易的 。 此外 ， 它還可以用在移相、延時(shí)以及多路分離通道中 。 在器件工作原理方面 ， 從上世紀(jì)中葉第一只法拉第旋轉(zhuǎn)環(huán)行器出現(xiàn)到后來的場(chǎng)移式器件 ， 隨后 提出結(jié)型環(huán)行器而掀起的結(jié)型環(huán)行器研究的熱潮 ， 以及有 Tanaka 用雙極型晶體管實(shí)現(xiàn)環(huán)行器而引出的對(duì) MMIC 環(huán)行器的一系列研究 ； 在分析方法方 面 ， 出現(xiàn)了有限元法 (FEM)、邊界元法 (BEM)、時(shí)域有限差分法 (FDTD)、矩量法 (MOM)等一系列電磁場(chǎng)分析方法 ； 在傳輸線的形式方面 ， 從最初的波導(dǎo)型、同軸轉(zhuǎn)換環(huán)行器到現(xiàn)在的微帶式、集中參數(shù)式、全磁（全鐵氧體）式等微小型器件 ， 以及鰭線、槽線等各種環(huán)行器 ； 在器件尺寸大小方面 ， 從大體積的波導(dǎo)式結(jié)型、差相移式環(huán)行器到應(yīng)用于把手機(jī)等無線設(shè)備的超小型環(huán)行器 ， 以及受微波毫米波電路技術(shù)的推動(dòng)而研究開發(fā)的 MMIC環(huán)行器 及薄膜器件等 ； 在工作頻率方面 ， 已經(jīng)形成了從特高頻到微波段甚至毫米波段（主要是 8mm）的產(chǎn)品系列 。 據(jù)資料顯示 ， 2021 年我國(guó) 環(huán)行器 /隔離器的產(chǎn)量約為 100 萬只左右 ， 1 億元的銷售產(chǎn)值 。而且隨著國(guó)家對(duì)第三代移動(dòng)通信（ 3G）政策的支持與投入 ， 給微波器件的發(fā)展帶來了更好的契機(jī) 。 從電學(xué)性質(zhì)上看 ， 鐵氧體的電阻率很高 ，在微波波段 ， 其值在 一般在 610 到 810 ? /cm 之間 ， 這個(gè)數(shù)值比鐵的電阻率高出了 12 個(gè)數(shù)量級(jí) ， 是一種半導(dǎo)性的磁性材料 。 鐵氧體的相對(duì) 介電常數(shù)的實(shí)部約為 10~20， 所以在不加恒磁 場(chǎng)時(shí)它實(shí)際上是一種高介電常數(shù)的介質(zhì) 。 鐵氧體又是一種非線性的各向異性磁性材料 ， 其磁導(dǎo)率隨外加磁場(chǎng)而變 ； 且在恒定磁場(chǎng)偏置下 ， 鐵氧體在各個(gè)方向上的磁導(dǎo)率是不同的 。 鐵氧體的磁性是由自旋電子引起的 ， 其飽和磁化強(qiáng)度 4? SM 在幾百到幾千高斯之間 。 所謂微波鐵氧體一般指旋磁性的鐵氧體 。 與這種旋磁性相關(guān)的電磁波波段 ， 通常從米波到毫米波段 。 另外 ， 要研究微波電磁場(chǎng)與磁性物質(zhì)的相互作用 ， 金屬磁體也受著趨膚 效應(yīng)的限制 ， 只有鐵氧體是最好的研究對(duì)象 。 鐵氧體在微波波段具有 許多特別的性質(zhì)和效應(yīng) ， 最主要的有下面四種： 1. 磁導(dǎo)率的張量性：當(dāng)各向同性的鐵氧體處在直流磁場(chǎng)和微波磁場(chǎng)的同時(shí)作用下 ， 其磁導(dǎo)率變成反對(duì)稱張量 ， 而且該張量的各分量均為復(fù)數(shù) 。如果磁性介質(zhì)尺寸較大或所處的微波場(chǎng)不均勻 ， 共振情況還會(huì)變的復(fù)雜 。 旋轉(zhuǎn)角度 一般說來是樣品的尺寸、磁化強(qiáng)度和介電常數(shù)等的函數(shù) 。 以上這些效應(yīng)不但是微波鐵氧體中最受重視的物理問題 ， 而且也 是各種各樣的鐵氧體微波器件的物理基礎(chǔ) 。 然后 ， 它又被諧振隔離器和差相移式環(huán)行器所取代 。 1960 年代場(chǎng)移式器件和帶線結(jié)環(huán)行器相繼出 現(xiàn) 。 至今環(huán)行器仍然是用量最大的微波鐵氧體器件之一 。 當(dāng)被用做隔離器時(shí) ， 環(huán)行器的一個(gè)端口接上匹配負(fù) 載 ， 成為一個(gè)二端口器件 。 使用隔離器就是一個(gè)很好的選擇 。 2)功放間隔離 功放不是一直無條件的穩(wěn)定 ， 不同級(jí)的功放往往會(huì)互相干擾 ， 如果功放沒有正確的匹配負(fù)載 ， 也會(huì)產(chǎn)生干擾 ， 尤其是高功率的功放 ， 反射回來的能量往往能損壞到發(fā)射源 。 3)天線與發(fā)射機(jī)或接收機(jī)間隔離 如果發(fā)射機(jī)直接連接到天線 ， 將被天線的任何阻抗變化所影響 (比如 ， 雪或靠近的障礙物 )。 同樣 ， 如果接收機(jī)也直接連接到天線上 ， 因?yàn)榻邮諜C(jī)的第一級(jí)往往是低噪聲功放 ， 它的輸入阻抗往往調(diào)整到 最小的噪聲 ， 而并非與天線匹配阻抗 。 4)發(fā)射機(jī)和接收 機(jī)共用天線 如果我們使用的發(fā)射機(jī)和接收機(jī)共用一根天線 。 因?yàn)榘l(fā)射信 號(hào)通過環(huán)行器耦合到天線 ， 天線入射信號(hào)通過環(huán)行器直接耦合到了接收機(jī) 。 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 。 開 關(guān)放大器的輸 入 和輸出隔離以及在測(cè)量系統(tǒng)中起去耦作用 。 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) 。 2)為兩個(gè)隔離器和 90 度 電橋組合成合路器 ， 為兩合一器件 。 這種合路器端 1和端 2間的隔離必須大于 50dB。 在固態(tài)放大系統(tǒng)中 ， 串級(jí)式放大器級(jí)間的隔離是必要的 ， 增加整個(gè)放大器的穩(wěn)定性 。 和上述級(jí)間去耦作用相類 似 ， 不同點(diǎn)是這里是消除異頻干擾 。 兩個(gè)不同頻率的發(fā)射源通過兩個(gè)環(huán)行器和兩個(gè)濾波器組合而成 ．也可成四合一、 十六合一 ， 這在蜂窩移動(dòng)通信基站中是非常有用的 ， 它可與合路器組合起來使用 。 本文就是研究和仿真一種四端口的 環(huán)行器 。 第二章 環(huán)行器 相關(guān)原理 環(huán)行器 是 4 端口網(wǎng)絡(luò) ， 可以由微帶線制成 ， 環(huán)行器 的結(jié)構(gòu)如圖 21 所示 ， 環(huán)的全部長(zhǎng)度為 3? /2， 4 個(gè)分支并聯(lián)在環(huán) 上 ， 將環(huán)分成 4 段 ， 各段的長(zhǎng)度如圖所示 。 在中心頻率 ， 當(dāng) 環(huán)行器 的 1 端口輸入信號(hào)時(shí) ， 4 端口的輸出如下 。 ? 到達(dá) 3 端口的兩路信號(hào)等幅同相 ， 3 端口有輸出 ， 相位滯后 90? 。 其中 2 端口和 3 端口輸出振幅相同 ， 因此有如下關(guān)系式： 21S = 12 （ j） ， 31S = 12 （ j） ， 41S =0 (式 ) 當(dāng) 環(huán)行器 的 2 端口輸入信號(hào)時(shí) ， 1， 3， 4 端口的輸出如下 。 ? 到達(dá) 4 端口的兩路信號(hào)等幅同相 ， 4 端口有輸出 ， 相位滯后 90? 。 其中 1 端口和 4 端口輸出振幅相同 ， 因此有如下關(guān)系式： 12S = 12 （ j） ， 32S =0 ， 42S = 12 （ j） （式 ） 當(dāng) 環(huán) 行器 的 3 端口輸入信號(hào)時(shí) ， 1， 2， 4 端口的輸出如下 。 ? 到達(dá) 2 端口的兩路信號(hào)等幅反相 ， 2 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(guān)系式： 13S = 12 （ j） ， 23S =0 ， 43S 12 j （式 ） 當(dāng) 環(huán)行器 的 4 端口輸入信號(hào)時(shí) ， 1， 2， 4 端口的輸出如下 。 ? 到達(dá) 2 端口的兩路信號(hào)等幅反相 ， 2 端口有輸出 ， 相位滯后 90? 。 其中 2 端口和 3 端口輸出振幅相同 ， 因此有如下關(guān)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 。 本文 環(huán)行器 的設(shè)計(jì)指標(biāo) 本設(shè)計(jì)的指標(biāo)如下： ? 中心頻率選擇射頻段的 。 ? 在通帶內(nèi) ， 11S 和 41S 小于 25dB。 ? 在通帶內(nèi) ， 31S 大于 。 ? 微帶線基板的相對(duì)介電常數(shù)為 。 第三章 環(huán)行器 的設(shè)計(jì)與仿真 利用 ADS設(shè)計(jì) 環(huán)行器 創(chuàng)建項(xiàng)目 創(chuàng)建 一個(gè) 環(huán)行器 項(xiàng)目 ， 具體步驟如下： 1. 啟動(dòng) ADS 軟件 ， 彈出主視窗 。 3. 【 New Project】對(duì)話