基于AWR的微带线分支线耦合器设计-从原理到版图

生活不易，喵喵叹气。马上就要上班了，公司的ADS的版权紧缺，主要用的软件都是NI 的AWR，只能趁着现在没事做先学习一下子了，希望不要裁我。用了一段时间，AWR感觉也挺好用的。

本AWR专栏只是学习的小小记录而已，都会分享工程，参考的书籍是张媛媛老师的AWR射频微波电路设计与仿真教程，我目测是由浅入深非常好的书籍。

很久很久以前，使用过ADS进行耦合器的设计：15、ADS使用记录之耦合器设计。当时直接套ADS模板就行了，只能说ADS在进行这些常用电路设计时比AWR方便多了。

1、分支线耦合器理论

1.1、分支线耦合器基本结构

简单分析一下一个3dB的分支线耦合器，3dB也就是等分。其中：
1端口输入信号，处于匹配状态。
2端口是信号输出端口，信号从端口1到端口2得到了一半的功率，相移90°；
3端口也是信号输出端口，信号从端口1到端口3得到了一半的功率，相移180°；
4端口是隔离端口，1端口输入的信号无法到达4端口，无功率传输；

分支线耦合器指标参数包括：
S(1，1)—回波损耗;
S(2，1)—端口1、2的耦合度;
S(3，1)—端口1、3的耦合度;
S(4，1)—端口 1、4的隔离度;
S(3，2)—端口2、3的隔离度;

1.2、分支线耦合器设计参数

功率分配比（或者说耦合度）是耦合器设计的关键指标，对于非等分的微带线分支线耦合器，其设计参数如下图：

上图中，4个端口的连接线均为$Z_0=50\Omega$，电长度可取任意值。$Z_{C1}$可由下面公式计算得出（K为功率分配比）：
$$Z_{C1}=Z_0\bullet \frac{K}{\sqrt{1+K^2}}$$

$Z_{C2}$可由下面公式计算得出：
$$Z_{C2}=Z_{0}K$$

${\theta }_{C1}$和${\theta }_{C2}$可由下面公式计算得出（实际上就是四分之一波长线）：
$${\theta }_{C1}={\theta }_{C2}=90^{\circ }$$

1.3、分支线耦合器的假想设计目标

此处假设要设计一个工作在1GHz的分支线耦合器，其功率分配比为1.5，也是就是要求：
$$S_{21}(\mathrm{dB})-S_{31}(\mathrm{dB})=20\lg K=20\times \lg 1.5=3.52dB$$
那么$Z_{C1}$可由下面公式计算得出：
$$Z_{C1}=Z_0\bullet \frac{K}{\sqrt{1+K^2}}=0.832Z_0=41.6\Omega$$
$Z_{C2}$可由下面公式计算得出：
$$Z_{C2}=Z_{0}K=1.5Z_0=75\Omega$$
${\theta }_{C1}$和${\theta }_{C2}$就是四分之一波长线：
$${\theta }_{C1}={\theta }_{C2}=90^{\circ }$$

2、AWR分支线耦合器原理图设计

2.1、AWR分支线耦合器原理图设计参数

功率分配比为1.5的设计参数上面都已经算出来了，此处直接标在图中：

使用AWR自带的TXLINE转化为实际的微带线，使用的板材是最常见的FR4：

仿真频率设置为0.5-1.5GHz：

2.2、AWR分支线耦合器原理图设计结果

在Output Equations中添加下面方程，来测量分配比K：

运行仿真，得到的结果如下所示，原理图仿真效果杠杠的：

3、AWR分支线耦合器版图设计

3.1、AWR分支线耦合器基础版图设计

把上面的原理图转换为版图，在原理图界面点击View-View Layout即可，可以看到默认是一坨的：

Ctrl+A选中所有结构，在Edit中选中Snap Objects的Snap Together：

则结构自动连接好了：

3.2、AWR分支线耦合器版图面积减少

上面原理图都是使用的MLIN类型的微带线，就是直的一根。在此将部分微带线换成长度固定，形状可调的类型：

然后调整版图，使其紧凑一点：

4、AWR分支线耦合器版图仿真

版图仿真的流程和在AWR中进行版图仿真、网格剖分、电流密度可视化—以威尔金森功分器的设计为例类似，在此不重复介绍具体流程了。

4.1、电磁仿真STACKUP设置

4.2、ACE电磁仿真(Coupler ACE原理图)

按住shift选择所有的微带线结构，右键选择Properties打开，设置允许EM Extraction：

设置成功后，点击EXTRACT后，所有要进行电磁分析的器件都会呈现红色：

运行仿真，结果如下：

4.2、AXIEM电磁仿真(Coupler AXIEM原理图)

把Coupler ACE原理图复制一份，命名为Coupler AXIEM，修改电磁仿真器为AXIEM（矩量法）：

运行仿真，结果如下：

按照在AWR中进行版图仿真、网格剖分、电流密度可视化—以威尔金森功分器的设计为例中的教程查看网格剖分：

按照在AWR中进行版图仿真、网格剖分、电流密度可视化—以威尔金森功分器的设计为例中的教程查看电流密度：