基于HFSS分支定向耦合器设计实验报告学院电子科学与工程学院姓名学号指导教师2016年10月27日目录一、实验目的 (1)二、设计任务 (1)三、设计思路 (2)四、注意事项 (2)五、基于HFSS分支定向耦合器设计过程 (2)5.1 分支定向耦合器简介 (2)5.2 使用HFSS设计分支定向耦合器 (2)5.2.1 分支定向耦合器的理论计算 (2)5.2.2 HFSS设计简介 (3)5.2.3 HFSS设计环境概述 (3)5.3 新建HFSS工程 (4)5.4 创建分支定向耦合器模型 (4)5.4.1 设置默认的单位长度 (4)5.4.2 定义变量 (4)5.4.3 添加新材料 (5)5.4.4 创建带状线金属层模型 (6)5.4.5 创建带状线介质层模型 (7)5.5 分配边界条件和激励 (8)5.6 求解设置 (9)5.6.1 单频求解设置 (9)5.6.2 扫频设置 (9)5.7 设计检查和运行仿真分析 (10)5.8 查看仿真分析结果 (11)5.8.1 查看S参数扫频结果 (11)5.9 分支定向耦合器的优化分析 (11)5.9.1 新建一个优化设计工程 (12)5.9.2 参数化分析设置和仿真分析 (12)5.9.3 查看参数化分析结果 (13)5.9.4 优化设计的设置和仿真分析 (13)5.9.5 查看优化结果 (15)5.9.6 优化后的S参数扫频结果 (15)5.9.7 优化后的场分布图 (16)5.9.8 查看4GHz频点的S矩阵 (16)六、加分项 (17)6.1 二阶分支定向耦合器建模 (17)6.2二阶分支定向耦合器仿真结果 (18)一、实验目的●了解分支定向耦合器电路的原理及设计方法。
●学习使用HFSS软件进行微波电路的设计、优化和仿真。
二、设计任务1.课题内容运用功分器设计原理，利用HFSS软件设计一个90°（180°）分支定向耦合器2.实现方式自选一种或多种传输线实现，如微带线、同轴线、带状线，要求输入输出端口阻抗为50Ω。
3.基本要求实现一个单阶90°分支定向耦合器的设计，带内匹配，隔离端口，任选一种微波传输线结构实现，中心工作频率为4.0GHz。
4.加分项多阶（），匹配隔离良好，，功率不等分，多种传输线实现，带阻抗变换功能（输出端口阻抗不为50Ω）三、设计思路四、注意事项1.传输线特性阻抗的计算2.电长度与物理长度的换算五、基于HFSS分支定向耦合器设计过程5.1 分支定向耦合器简介定向耦合器是把两根传输线放置在足够近的位置使得一条线上的功率可以耦合到另一条线上的元件。
它的两个输出端口的信号幅度可以相等也可以不等，一种应用特别广泛的耦合器是3dB 耦合器，这种耦合器的两个输出端口输出信号的幅度是相等的。
5.2 使用HFSS设计分支定向耦合器本节使用HFSS软件设计一个分支定向耦合器，此外分支定向耦合器使用带状线结构。
分支定向耦合器的工作频率为4GHz，带状线介质厚度为3mm，介质材料的相对介电常数为2.16，损耗角正切为0.001；带状线的金属层位于介质层的中央；端口匹配负载均为50Ω。
5.2.1 分支定向耦合器的理论计算使用AWR公司Microwave Office的TXLine工具，可以计算出在上述设计条件下，带状线的物理长度__________D__D_Dd__D_Dd__________Ԋĝ图5.2.1 分支定向耦合器模型图5.2.2 HFSS设计简介此外分支定向耦合器使用带状线结构，因此HFSS工程可以采用终端驱动求解类型。
4个端口都与背景相接处，所以采用波端口激励，且端口负载阻抗设置为50 Ω。
为了简化建模操作以及节省计算时间，带状线的金属层使用理想导体来实现，即通过创建二维平面然后给二维平面指定理想导体边界条件来模拟带状线的金属层，带状线金属层位于介质层的中央。
在HFSS中，与背景层相接触的表面会自动设置为理想导体边界，因此带状线上下两边的参考地无需额外指定，直接使用默认的理想导体边界即可。
5.2.3 HFSS设计环境概述求解类型：终端驱动求解建模操作:●模型原型：长方体、矩形面●模型操作：复制操作、合并操作、相减操作边界条件和激励：●边界条件：理想导体边界●端口激励：波端口激励求解设置：●求解频率：4GHz●扫频设置：快速扫频，扫频范围1-7GHz后处理：S参数扫频曲线、S矩阵5.3 新建HFSS工程1.运行HFSS 并新建工程2.设置求解类型设置当前设计为终端驱动求解类型。
从主菜单栏选择【HFSS】→【Solution Type】，打开如图5.3.1所示的Solution Type对话框，选中Driven Terminal单选按钮，然后单击【OK】按钮，退出对话框，完成设置。
图5.3.15.4 创建分支定向耦合器模型5.4.1 设置默认的单位长度设置当前设计在创建模型时使用的默认长度单位为毫米。
从主菜单栏选择【Modeler】→【Units】命令，打开如图5.4.1所示的“模型长度单位设置”对话框。
在该对话框中，Select units项选择毫米单位（mm），然后单击【OK】按钮，退出对话框，完成设置。
图5.4.15.4.2 定义变量定义4个设计变量L1、W1、L2、W2，分别设置其初始值为12.75mm、2.51mm、12.75mm、4.08mm。
从主菜单栏中选择【HFSS】→【Design Properties】命令，打开“设计属性”对话框。
在该对话框中，单击按钮，打开Add Property 对话框；在Add Property 对话框的Name项输入变量名L1，Value项输入变量的初始值12.75mm，如图5.4.2所示。
然后单击按钮，退回到“属性”对话框。
此时，“属性”对话框会列出添加的变量L1，确认无误后单击“属性”对话框的按钮，同理定义变量W2、L2、W1，完成变量定义。
图5.4.25.4.3 添加新材料向材料库中添加新的介质材料，并设置其为建模时使用的默认材料；新添加材料的相对介电常数为2.16，介质损耗正切为0.000429。
从主菜单栏中选择【Tools】→【Edit Configured Libraries】→【Materials】命令，在弹出对话框中单击按钮，打开如图5.4.3所示的View/Edit Material 对话框。
在该对话框中，MaterialName 项输入材料名称Material1，Relative Permittivity项对应的Value值处输入相对介电常数2.16，Dielectric Loss Tangent 项对应的Value 值处输入介质的损耗正切0.001。
然后单击按钮，退出对话框，完成向材料库中添加新材料的操作。
图5.4.35.4.4 创建带状线金属层模型1.创建矩形平面在HFSS模型窗口中，通过矩形平面作图工具创建如下两个矩形平面。
表5.4.4 矩形平面参数表rectanglestrat_point Xsize Ysizerectangle_1 (0,0) L1+W2 L2+W1rectangle_2 (W2,W1) L1-W2 L2-W1 2.两个平面作减法运算用rectangle_1减去rectangle_2，得到如下图形（图5.4.4）：图5.4.43.画出端口图形如下所示（图5.4.5）：图5.4.54.合并图形通过unite运算得到分支定向耦合器的基本结构（图5.4.6）图5.4.65.4.5 创建带状线介质层模型1.创建介质层长方体参数如下表：表5.4.5 长方体参数表start_point Xsize Ysize Zsize(-6,-3,-1.5) L1+W2+12mm L2+W1+12mm 3mm 创建后的介质层如下（图5.4.7）：图5.4.72.设置介质层材料将Material中的材料改为‘Material1’（图5.4.8）图5.4.85.5 分配边界条件和激励1.设置分支定向耦合器带状线为理想导体边界在操作历史树下选中带状线，选中后的带状线模型会高亮显示；然后右键单击工程树下的Boundaries节点，从弹出菜单中选择【Assign】→【Perfect E】，打开Perfect E Boundary 对话框，直接单击对话框按钮，设置选中的带状线为理想导体边界，如图5.5.1所示。
图5.5.12.设置耦合器四个端口为波端口激励首先设置端口1 的激励单击F 键，切换到面选择状态，选中1、4端口所在的端面右键，从弹出菜单中选择【Assign】→【Wave Port】，同理设置2、3端口。
图5.5.2双击工程树Boundaries节点下的端口激励P1、P2、P3、P4，打开Wave Port 对话框，选中对话框的PostProcessing选项卡，确认其端口阻抗为50Ω，如图5.5.3所示；然后单击【OK】按钮关闭该对话框。
图5.5.35.6 求解设置由于设计的分支定向耦合器工作频率为4GHz，所以可以设置自适应网格剖分频率4GHz，另外，为了查看设计的分支定向耦合器在工作频率两侧的频率响应，需要设置1-7GHz 的扫频分析。
5.6.1 单频求解设置右键单击工程树下的Analysis节点，在弹出菜单中选择【Add Solution Setup】命令，打开如图5.6.1所示的Solution Setup对话框。
在该对话框中，Setup Name项保留默认名称Setup1；Solution Frequency项输4GHz，即设置求解频率为4GHz；Maximum Number of Passes项输入20，即设置HFSS 软件进行网格剖分的最大迭代次数为20；Maximum Delta S 项输入0.02，即设置收敛误差为0.02；其他项保持默认设置。
然后单击【OK】按钮，完成求解设置，退出对话框。
设置完成后，求解设置的名称Setup1会添加到工程树的Analysis 节点下。
图5.6.15.6.2 扫频设置展开工程树的Analysis节点，选中求解设置Setup1，单击右键，在弹出菜单中选择【AddFrequency Sweep】，打开如图5.6.2所示的Edit Sweep 对话框，进行扫频设置。
在该对话框中，Sweep Name 项保留默认的名称Sweep1；Sweep Type 项选择Fast，设置扫频类型为快速扫频；在Frequency Setup栏，Type项选择LinearStep，Start项输入1GHz，Stop项输入7GHz，Step项输入0.05GHz，即设置扫频范围为1-7GHz，频率步进为0.05GHz。
然后单击对话框【OK】按钮，完成扫频设置，退出对话框。