結果與討論

本章節第二型修改式環形耦合電路板材採用Rogers 4003C 作為基板來 設計，製作材質的介電係數（dielectric constant εr = 3.65），板材厚度為1.524 mm，損耗正切 ( Loss tangent = 0.0065 )，電路的饋入方式則採用 50 歐姆 SMA 饋入，詳細尺寸如圖 4.6 所示。同樣分別比較差模與和模兩種模態的 模擬與量測響應圖，差模模態為Port 1 為輸入端的頻率響應圖，而和模模 態為Port 3 為輸入端的頻率響應圖。

Via

Port 1 Port 2

Port 3

Port 4 Unit: mm

( a )

Port 1 Port 2

Port 3 Port 4

( b )

圖 4.7、圖 4.8 與圖 4.9 為利用 Keysight ADS 2013 (Advanced Design System)模擬與使用向量網路分析儀 E5071C 進行量測之 S 參數圖。圖 4.7 為差模與合模的反射損耗(Return loss)與隔離度(Isolation)之頻率響應圖。其 中在中心頻率1.8GHz，在差模實測反射損耗−20log|𝑆₁₁|為21.4 dB，而在 合模實測反射損耗−20log|𝑆₃₃|為33.2 dB，兩種模態隔離度為-39 dB，兩者 皆有符合預期設計要求。

圖 4.8 為差模與和模兩輸出端之傳輸損耗曲線圖，其中實測在中心頻 率 1.8GHz 時，差模插入損耗−20log|𝑆₂₁|與−20log|𝑆₄₁|為3.6 dB，而和模 插入損耗−20log|𝑆₂₃|與−20log|𝑆₄₃|為3.3 dB，在差模大約有 0.6 dB 的損耗 產生，而和模損耗約0.3 dB，兩者模擬與量測相當接近，符合設計要求。

圖 4.9 為差模與和模兩輸出端之相位曲線圖，其中在 1.79 GHz，在差 模實測S21的相位約為90°，S41的相位約為-89°，兩者符合差模兩輸出端會 有180 度相位差特性；在 1.77GHz，和模實測 S23的相位約為-90°，S43的相 位約為-80°，也接近和模兩輸出端具有相同相位的特性，符合電路設計希 望要求。

圖 4.7 第二型反射損耗與電路隔離度（a）差模 ;（b）合模

Simulation: |S21|

|S21|

Simulation: |S23|

|S23|

Simulation: |S21|

|S21|

Simulation: |S₂₃|

|S₂₃|

|S₄₃|

|S₄₃|

Phase (degree)

-150

第五章

第三型修改式環形耦合器設計

5.1 簡介

本章節介紹第三型修改式環形耦合器設計，與第一型和第二型稍微不 同，設計重點在於利用兩端開路單耦合線與兩個對地電感並聯來取代環形 耦合電路的 270 度傳輸線，環形耦合電路四段傳輸線阻抗皆為 70.7Ω，同 樣會比較差模與和模兩種模態之間的模擬與量測響應，差模與和模分別會 有在兩輸出端產生 180 度的相位差與相同相位。

5.2 設計原理與方法

第三型設計為等功率設計，因此其四段傳輸線的阻抗皆為 70.7Ω，以兩 端開路單耦合線與並聯兩對地電感結構，來取代環形耦合電路 270 度傳輸 線，其結構圖如圖 5.1 所示。

open

open

Z

0e3

, Z

0o3

θ

₃

L

₃

L

3

與前兩型電路設計方法相同，將阻抗為70.7Ω 且電氣長度為 270 度之

利用模擬軟體模擬第三型修改式環形耦合器的理想響應。圖 5.3 為差

5.3 結果與討論

本章節設計第三型修改式環形耦合電路板材採用Rogers 4003C 作為基 板來設計，製作材質的介電係數（dielectric constant εr = 3.65），板材厚度為 1.524 mm，損耗正切 ( Loss tangent = 0.0065 )，電路的饋入方式採用 50 歐 姆 SMA 接頭饋入，詳細尺寸規格如圖 5.5 所示。同樣分別比較差模與和 模兩種模態的模擬與量測響應圖，差模模態為Port 1 為輸入端的頻率響應 圖，而和模模態為Port 3 為輸入端的頻率響應圖。

Port 1

Port 2

Port 3 Port 4

Unit: mm

Via

( a )

Port 1 Port 2

Port 3 Port 4

( b )

圖 5.5 第三型修改式環形耦合器（a）電路佈局圖 ;（b）實際佈局圖

圖 5.6、圖 5.7 與圖 5.8 為利用 Keysight ADS 2013 (Advanced Design

圖5.7 第三型傳輸損耗（a）差模 ;（b）合模

Simulation: |S21|

|S21|

Simulation: |S23|

|S23|

Simulation: |S₂₁|

|S₂₁|

Simulation: |S23|

|S₂₃|

|S43|

|S₄₃|

第六章

第四型修改式環形耦合器設計

6.1 簡介

本章節介紹第四型修改式環形耦合器設計，與第三型類似，差別在於 將兩端開路單耦合線與並聯對地電感結構換成同端開路單耦合線與並聯 兩對地電感結構來取代環形耦合電路 270 度傳輸線，四段傳輸線的阻抗皆 為 70.7Ω，同樣會比較差模與和模兩種模態之間的模擬與量測響應，差模 與和模分別會有在兩輸出端產生 180 度的相位差與相同相位。

6.2 設計原理與方法

第四型設計為等功率設計，因此其四段傳輸線的阻抗皆為 70.7Ω，以同 端開路單耦合線與並聯兩對地電感結構，來取代環形耦合電路 270 度傳輸 線，其結構圖如圖 6.1 所示。

open open

Z

0e4

, Z

0o4

θ

₄

與前三型電路設計方法皆相同，利用第四章式(4.1)的同端開路耦合線

利用模擬軟體模擬第三型修改式環形耦合器的理想響應。圖 6.3 為差

6.3 結果與討論

本章節設計第四型修改式環形耦合電路板材採用Rogers 4003C 作為基 板來設計，製作材質的介電係數（dielectric constant εr = 3.65），板材厚度為 1.524 mm，損耗正切 ( Loss tangent = 0.0065 )，電路的饋入方式採用 50 歐 姆 SMA 接頭饋入，其詳細尺寸規格如圖 6.5 所示。同樣分別比較差模與 和模兩種模態的模擬與量測響應圖，差模模態為Port 1 為輸入端的頻率響 應圖，而和模模態為Port 3 為輸入端的頻率響應圖

Port 1 Port 2

Port 3 Port 4

Unit: mm Via

( a )

Port 1 Port 2

Port 3 Port 4

( b )

圖 6.6、圖 6.7 與圖 6.8 為利用 Keysight ADS 2013 (Advanced Design 時，差模插入損耗−20log|𝑆₂₁|與−20log|𝑆₄₁|為3.3 dB，而在 1.74GHz，和 模插入損耗−20log|𝑆₂₃|與−20log|𝑆₄₃|為3.2 dB，在兩種模態模擬與量測都

圖6.7 第四型傳輸損耗（a）差模 ;（b）合模

Simulation: |S21|

|S21|

Simulation: |S23|

|S23|

Simulation: |S21|

|S21|

Simulation: |S₂₃|

|S23|

|S₄₃|

|S43|

第七章 結論

本論文提出了四型具有耦合線結構的修改式環形耦合器，每個結構都 有效的縮減傳統環形耦合器尺寸，結合耦合線與電感結構可有效的實現出 來，將本論文提出的四型修改式環形耦合器與傳統環形耦合器做詳細的對 比，如表 7.1 所示，四型修改式環形耦合器與傳統環形耦合器實際佈局圖 如圖 7.1 所示。可以發現四型電路的電路尺寸皆較傳統環形耦合器來的要 小，成功的縮減了傳統環形耦合器四分之三波長傳輸線的電路面積。

在第二章的部分，首先介紹環形耦合電路的基本架構，提出環形耦合 電路阻抗計算與理想響應。在第三章介紹第一型電路設計，設計為不等功 率設計，透過兩端開路雙耦合線與並聯對地電感結構來取代270 度傳輸線。

第四章到第六章分別介紹二、三、四型電路設計，設計皆為等功率設計，

分別透過兩端與同端開路耦合線並聯電感結構來取代270 度傳輸線並實現 出來。

在電路設計的過程中，我認為最困難的部分在於雖然耦合線奇偶模阻 抗與電器長度的解可以有無限多組解，但在佈局上還需要把可以實現的間 距考量進去，像是如果間距只有0.1mm 或是更近，造成實作上的難度增加，

因此所以需要花非常多的時間找到一組適合的解。再來就是電路模擬微調 的階段，這就是過程中經驗的累積，也是需要花非常多的時間與精力。最 後，微調有了逐漸良好的方向，可以藉由模擬與量測結果比較得知，四種

1.8GHz 尺寸大小 Return Loss(dB) Isolation(dB) 𝑆₁₃/𝑆₃₁ 𝑆₁₁ 𝑆₃₃

傳統環形耦合器

(圖 7.1a) 55.3 × 28.8 𝑚𝑚² 43.5 39 -44.3 第一型

(圖 7.1b) 26.85 × 27.6 𝑚𝑚² 36.6 37.4 -34.8 第二型

(圖 7.1c) 28.7 × 33.4 𝑚𝑚² 21.4 33.2 -39 第三型

(圖 7.1d) 27 × 19.8 𝑚𝑚² 28.2 32.2 -50.4 第四型

(圖 7.1e) 31.77 × 18.5 𝑚𝑚² 24 27.7 -28

1.8GHz Insertion Loss(dB) Output Port Phase(degree) 𝑆₂₁/𝑆₄₁ 𝑆₂₃/𝑆₄₃ 𝑆₂₁ 𝑆₄₁ 𝑆₂₃ 𝑆₄₃ 傳統環形耦合器 3.2 3.2 -271 -93 -93 -96

第一型 7.9/0.9 0.8/7.8 -270 -87 -90 -86 第二型 3.6 3.3 90 -89 -90 -80 第三型 3.3 3.3 -271 -87 -90 -87 第四型 3.3 3.2 -270 -94 -90 -97

表 7.1 傳統環形耦合器與四型電路數據比較表

(a)

(b) (c) (d) (e)

圖 7.1 傳統環形耦合器與四型電路實際佈局圖

(a)傳統環形耦合器；(b)第一型；(c)第二型；(d)第三型；(e)第四型

參考文獻

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在文檔中 利用耦合傳輸線之修改式環形耦合器之設計 (頁 32-0)