1、 综合课程设计实验报告 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 一、实验目的一、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
2、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 0 Z；串联分支的微带线阻抗为 0 /2 S ZZ，长度为/ 4 g ；并联分支的微带线阻抗为 0P ZZ，长度为 / 4 g 。 图图 1 分支线定向耦合器分支线定向耦合器 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 Micr
3、owave 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 50
4、mm。 微带分微带分支线定向耦合器的结构支线定向耦合器的结构 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，
5、其阻抗都等于特征阻抗为 50。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 / 4 g ，计算得为13.426mm。 串联分支的微带线阻抗为 0 /2 S ZZ，长度为/ 4 g 。计算得阻抗为 35.36，对应的微带线宽度为3.246mm，长度为13.061mm。 1 2 3 4 五、微波元件的电路仿真五、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： 定向耦合器结构定向耦合器结构设计设计 根据设计指标对相关
6、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上为传输特性曲线 左下为反射特性左下为反射特性 最右为相位传输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： 版图版图 六、实物制版与测试六、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
