移动通信已经经历了模拟语音移动通信 (第一代 )、数字语音移动通信(第二代，如GSM 、CDMA)两代，现在已进入了能够覆 盖全球的多媒体通信--第三代，其主要特点是可以实现全 球漫游，使任意时间、任意地点、任意用户之间的交流成为可能 ，将来还要发展到第四代高速移动通信。这些系统都属于无线通信之列，它们都要采用微波作为传输手段 ，因此微波铁氧体环行器都是不可或缺的基本器件。环行器在移动通信中的应用是在基站系统中主要 作收、发信机的天线共用装置(双工器或多工器)，在发射和接收系统中作为功率放大器。开 关放大器的输入和输出隔离以及在测量系统中起去耦作用。
2.环行器相关的典型应用
1)环行器用于双工系统。环 行器和上行带通滤波器、下行带通滤波器的组合，用于发射 — —天线——接收系统 ．这种双工系统是异频收发系统。以区别于雷达技术中同频双工系统 。
2)为两个隔离器和90度电桥组合成合路器，为两合一器件。也可以做成四合一合路器，它由四个隔离器和三个90度电桥组成。这种合路器端1和端2间的隔离必须大于 50dB。
3)为功放级间的匹配和去耦。在固态放大系统中，串级式放大器级间的隔离是必要的，增加整个放大器的稳定性。
4)消除发射源之间的相互干扰，它亦是和若干个滤波器组合在一起使用。和上述级间去耦作用相类似，不同点是这里是消除异频干扰。
5)为二合一天线发射系统。两个不同频率的发射源通过两个环行器和两个滤波器组合而成 ．也可成四合一、十六合一 ，这在蜂窝移动通信基站中是非常有用的，它可与合路器组合起来使用。 1.2.4
由于微带环行器具有小型化、轻量化、性能高、可靠性好、易与微波系统集成等优点，从而成为现阶段研究的热点。本文就是研究和仿真一种四端口的环行器。它可以用来监视功率和频谱，把功率进行分配和合成，以及构成平衡混频器和测量电桥等。
本文环行器的研究意义
第二章 环行器相关原理
环行器是4端口网络，可以由微带线制成，环行器的结构如图2-1所示，环的全部长度为3?/2，4个分支并联在环上，将环分成4段，各段的长度如图所示。
图2-1 环行器
2.1 环行器的S参数
环行器具有两个端口相互隔离，另外两个端口平分输入功率的特性，因此可以看做是一个3分贝的定向耦合器。
在中心频率，当环行器的1端口输入信号时，2、3、4端口的输出如下。
? 到达2端口的两路信号等幅同相，2端口有输出，相位滞后90?。 ? 到达3端口的两路信号等幅同相，3端口有输出，相位滞后90?。 ? 到达4端口的两路信号等幅反相，4端口无输出。
其中2端口和3端口输出振幅相同，因此有如下关系式：
S21=
11（-j） ， S31=（-j） ， S41=0 (式2.1) 22当环行器的2端口输入信号时，1，3，4端口的输出如下。
? 到达1端口的两路信号等幅同相，1端口有输出，相位滞后90?。 ? 到达4端口的两路信号等幅同相，4端口有输出，相位滞后90?。 ? 到达3端口的两路信号等幅反相，3端口无输出。
其中1端口和4端口输出振幅相同，因此有如下关系式：
S12=
11（-j） ， S32=0 ， S42=（-j） （式2.2） 22当环行器的3端口输入信号时，1，2，4端口的输出如下。
? 到达1端口的两路信号等幅同相，1端口有输出，相位滞后90?。 ? 到达2端口的两路信号等幅反相，2端口无输出。
? 到达4端口的两路信号等幅同相，4端口有输出，相位滞后270?。
其中1端口和4端口输出振幅相同，因此有如下关系式：
S13=
11（-j） ， S23 =0 ， S43j （式2.3） 22当环行器的4端口输入信号时，1，2，4端口的输出如下。
? 到达1端口的两路信号等幅反相，1端口无输出。
? 到达2端口的两路信号等幅反相，2端口有输出，相位滞后90?。 ? 到达3端口的两路信号等幅同相，3端口有输出，相位滞后270?。
其中2端口和3端口输出振幅相同，因此有如下关系式：
S14=0 ，S24=
11（-j） ，S34=j （式2.4） 22在理想情况下，中心频率上它的4端口是完全匹配的。由上面的分析可以得到环行器的散射矩阵如下：
?0?j?j0??0?j?1??j0? (式2.5) [S]=0j?2??j0??0??0?jj
由环行器的散射矩阵可以知道，理想环行器为3分贝定向耦合器。
2.2 本文环行器的设计指标 本设计的指标如下：
?中心频率选择射频段的2.4GHz。 ?带宽为10%。
?在通带内，S11和S41小于-25dB。 ?在通带内， S21大于-3.2dB。
?在通带内，S31大于-3.1dB。 ?微带线基板的厚度为0.5mm。 ?微带线基板的相对介电常数为4.2。 ?各个端口传输线的特性阻抗采用50?。
第三章
环行器的设计与仿真
3.1 利用ADS设计环行器
3.1.1 创建项目
创建一个环行器项目，具体步骤如下： 1. 启动ADS软件，弹出主视窗。
2. 选择主视窗【File】菜单>【New Project】,弹出【New Project】对话框，在【New Project】
对话框中输入项目名称和这个项目默认的长度单位，项目名称为RatRace1_Coupler，默认的长度单位为millimeter。
3. 【New Project】对话框如图3.1所示，单击【New Project】对话框中的【OK】按钮，完
成创建环行器项目，同时一个未命名的原理图（untitled1）自动打开。
图3.1 创建环行器项目
4.在未命名的原理图untitled1上，选择菜单【File】>【Save Design】,弹出【Save Design As】对话框，在【Save Design As】对话框中，输入新建的设计名称为RatRace1_1,然后单击【保存】按钮，将原理图命名为RatRace1_1。
3.2 设计原理图
在RatRace1_1的原理图上，根据设计向导给出的参数搭建环行器电路并设置参数。
3.2.1 搭建电路
1. 在原理图的元件面板上，选择微带线【TLines-Microstrip】,元件面板上出现与微带线对
应的元件图标，在微带线元件面板上选择MTEE,4次插入原理图的画图区，MTEE是微带线的T形结，可以将电路由一路分为两路，并可以给出每个支路微带线的宽度。在原理图中对4个MTEE都设置如下。
分别用W1、W2和W3表示T形结每个支路微带线的宽度。
?设置W1=0.527mm。 ?设置W2=0.527mm。 ?设置W3=0.991mm。
设置完成的环行器4个端口如图3.2所示。
图 3.2 环行器的4个端口
2. 在微带线元件面板上，选择Mcurve元件三次插入原理图的画图区。Mcurve是一段弧
形的微带线，可以设置这段微带线的宽度W、半径Radius和所张开的角度Angle。分别双击图区中的3个Mcurve,设置它们的参数，参数都设置如下。
?设置W=0.527mm。 ?设置Angle=60。