AWR仿真分支线耦合器

### AWR 仿真分支线定向耦合器设计与分析 #### 一、设计要求 - **中心频率**：925MHz - **基材**：FR4，介电常数 4.4，损耗正切 0.02 - **高度**：1.6mm - **微带金属厚度**：T = 0.035mm - **输入输出阻抗**：100Ω - **扫频范围**：6GHz - 12GHz #### 二、理论分析 ##### 2.1 分支线定向耦合器简介 分支线定向耦合器是一种常见的四端口微波无源器件，主要用于信号的分配与合成，具有良好的方向性和隔离特性。传统的分支线耦合器通常采用四条四分之一波长的传输线组成，在中心频率附近能实现90°相移。 根据微带传输线理论，随着阻抗值的增加，传输线的宽度会逐渐变窄。当所有端口均处于匹配状态时，由端口①输入的功率将通过不同的路径被传输到其他三个端口，并经合成或抵消后输出，具体过程如下： 1. **直通端**：信号经过路径 A→B，路径长度为 λg/4，输出相位比输入信号滞后 π/2。 2. **耦合端**：信号在主线和支线的交点 A 处分为两路，分别经过路径 A→B→C 和 A→D→C，相位差为 0°（等幅同相），经过叠加从端口③输出，输出信号相位滞后于输入信号 π。 3. **隔离端**：信号途径 A→D 和 A→B→C→D 两条路径，路径长度分别为 λg/4 和 3λg/4，信号相位差为 180°（等幅反相），理想情况下两路信号相互抵消，端口④无输出。 由此可以看出，直通端和耦合端的输出信号存在90°相位差，而隔离端理论上没有输出信号。 ##### 2.2 关键参数 - **耦合度(Coupling)**：定义为输入端口的输入功率P1与耦合端口的输出功率P3的比值，单位为dB。耦合度越大表示耦合强度越弱，当耦合度为3dB时，耦合端的输出功率为输入功率的一半。 - **方向性系数(D)**：用于衡量直通端和耦合端之间的相位差异。 - **隔离度(Isolation)**：定义为输入功率P1与隔离端输出功率P4的比值。理想状态下，隔离端无信号输出，但在实际应用中由于信号反射，隔离端仍会有少量功率输出。因此，在耦合器设计过程中，需尽可能减小隔离端的输出功率，以提高方向性和耦合度。 #### 三、原理图及仿真分析 根据设计要求，当Z2 = 100Ω时，Z1 = 2 * Z2 = 70.7Ω。使用微带线工具(TXLine)来计算微带线的宽度和长度。随着阻抗的增加，微带线会变得更窄更长。 ##### 3.1 原理图与Layout结构 - **原理图**：包含四个端口，分别代表输入端、直通端、耦合端和隔离端。 - **Layout结构结果图**：显示了微带线的具体布局和连接方式。 ##### 3.2 损耗分析 - **损耗**：-3dB - **隔离度**：-58dB 为了优化性能，需要通过调整四分之一波长的长度来调节谐振频率的偏移，并通过调整微带线宽度来控制损耗。如果S21和S31的损耗相差较大，会导致效率降低。因此，应尽量使S21和S31接近-3dB且等功分。如果不等功分，可以通过增大宽度来增大某一路的损耗，从而达到平衡。 通过对AWR仿真分支线定向耦合器的设计和分析，我们可以深入了解该器件的工作原理、关键参数及其对性能的影响，这对于微波无源器件的设计和优化具有重要的参考价值。