題目環形定向耦合器的仿真設計學號學生姓名專業名稱通信與信息工程所在系（院）通信工程指導教師 微波四端口元器件多端口微波器件簡述任何一個微波系統都是由很多功能不同的微波器件和有源電路組成，微波器件在系統中起著微波能量的定向傳輸、分配、衰減、儲存、隔離、濾波、相位控制、波形轉換、阻抗匹配與變換的作用。微波器件的種類繁多，按導行系統結構分類，可分為波導型、同軸線型、微帶線型等；按工作波形分類，可分為單模元件和多模元件；按功能分類，分為：匹配元件、連接元件、定向耦合元件、濾波元件、衰減與相移元件、諧振器等。按端口的數目分為單端口、雙端口、n端口器件。如按網絡特性分類，則分為：線性與非線性網絡、互易與非互易網絡、有耗與無耗網絡、對稱與非對稱網絡。與低頻電路的設計不同，微波系統無論有源還是無源，都必須考慮阻抗匹配問題，阻抗匹配網絡是設計微波電路與系統時采用最多的電路元件。這主要是由于微波電路傳輸的事電磁波而不是低頻電路的電壓和電流。如不匹配，將會引起反射，造成傳輸能量的損失。本文研究的是微波多端口器件，它們在微波傳輸系統中有多個端口與傳輸線或其他器件相連，如果器件不匹配，在接頭處會引起不同程度的反射，造成傳輸能量的損耗，使器件性能變差。所以，匹配的性能良好的微波器件是所追求的目標。傳統制作微波器件方法是手工計算與實驗調整相結合。但由于微波器件本身就有很多沒有或者無法細致考慮的因素，因此，設計微波器件的主要難點是在進行多次計算優化設計的基礎上，還要經行大量細致的調試工作。因為微波工作頻率高，元件尺寸小，尺寸稍有偏差，微波器件性能就可能發生很大的變化。當然調試優化工作可以由仿真軟件協助完成。微波系統的設計越來越復雜，對電路的性能要求越來越高，電路的功能越來越多，電路的尺寸要求越做越小，而設計周期越來越短，傳統的設計方法已經不能滿足系統設計的需要，使用微波EDA軟件進行微波元器件與微波系統的設計已經成為微波電路設計的必然趨勢。無耗可逆四端口網絡的基本性質（1）無耗可逆四端口網絡可以完全匹配，且為一個理想定向耦合器。（2）有理想定向性的無耗可逆四端口網絡不一定四個端口均匹配，故四個端口匹配時定向耦合器的充分條件，而不是必要條件。（3）有兩個端口匹配且互易隔離的無耗可逆四端口電路必為一個理想的定向耦合器。定向耦合器基本概念定向耦合器是微波系統中應用最廣泛的元件：它是一種具有方向性功率分配器。它的結構形式是多種多樣的，它用于提取波導系統中的部分能量以便監視該系統的功率、頻率和匹配情況，或觀察脈沖形狀和比較相位，或用在微波鑒頻器中以穩定微波源，有時在微波接受系統中，用以向微波系統引入本機震蕩能量。定向耦合器的種類繁多，結構迥異，分析方法也不盡相同，按傳輸線類型分，有波導定向耦合器、同軸線定向耦合器、帶狀線或微帶定向耦合器等；按耦合輸出方向分，有同向定向耦合器和方向定向耦合器等；按耦合強弱分，有強耦合定向耦合器和弱耦合定向耦合器等。盡管如此，所有類型的定向耦合器都有共通的特性：當其中一端口有微波能輸入時，其余三端口之一應無輸出。定向耦合器常用于對規定流向微波信號進行取樣。在無內負載時，定向耦合器往往是一四端口網絡。定向耦合器常有兩種方法實現，一為耦合定向耦合器，其耦合區長度為四分之一的整數倍，其直接輸出和耦合輸出端口在結構上不相鄰，輸出相位差往往是90度或180度，剩余的一個端口稱為隔離端，理論上隔離端不輸出任何能量。另一種為分支線定向耦合器，兩輸出端口結構上相鄰，輸出相位差也可以實現90度或180度，常用語強耦合場合。參數說明：耦合度：當其余端口接匹配負載時，耦合端輸出功率與主線輸入功率之比。耦合損耗：由于一定能量傳輸到耦合端而引起主線輸出功率減小，它等于主線插入損耗的理論值。主線損耗：當匹配負載接主線外各端口時，主線插入損耗包括能量耦合損耗和能量耗散損耗兩方面。方向性：當功率在指定方向上傳輸時，耦合端口的輸出功率與同樣功率在相反方向傳輸時同一耦合端口的輸出功率之差。同樣，在耦合器上標注的功率是指輸入端口的最大輸入功率，輸出口和耦合端口不能用標注的最大功率輸入。輸出口和耦合端口的最大輸入功率由耦合度和負載電阻決定。定向耦合器的簡單機理圖3-1給出了波導窄壁雙孔定向耦合功率的原理圖。圖中耦合孔位于波導的公共窄壁上，兩孔大小形狀相同，間距為g/4，若功率從端口1輸入，則稱端口1和2之間的波導為主導，端口3和4之間的波導為副波導。振幅為a1的入射波，攜帶功率P1由端口1輸入，經小孔①耦合，在副波導中激勵起向左右方向傳輸的兩個波，在圖中標明為a波和b波。有典型波導中TE10模的場型分布可知，這里的小孔耦合主要是磁耦合，這種單一的磁耦合是不可能有方向性的，所以a波和b波兩者幅度相等，均為k|a1|，這里k≤1，稱之為耦合系數。由于k≤1，故可忽略第①小孔分功率后對P1的影響，而認為主波導中第②小孔處的入射波功率仍為P1，經小孔②耦合在副波導中再次激勵起想做有兩個方向傳輸的a’波和b’波，他們幅度相等，仍為k|a1|。由于兩空間距為g/4，從圖中可見，傳輸到T4參考面上的a’波相對于a波行程上多走了（g/4）×2=g/2，故相位上滯后π，因此兩波相互抵消，使得端口4的輸出功率P4=0；而端口3上的b波和b’波兩者行程一樣，故應同向疊加，使得式（3-1）在此，端口3稱為耦合臂，端口4稱為隔離臂，端口2稱為直通臂。圖3-1波導定向耦合器原理圖雙孔定向耦合器明顯的缺陷是只能在窄頻帶情況下是用，為了展開工作頻帶，措施之一是增加小孔數目，讓個孔的半徑不相等，或者將耦合空加工成橢圓形或長槽形，這樣就有可能在一個較寬的頻帶內，經這些小孔耦合的眾多的波在隔離臂近似互相抵消，而在耦合臂得以加強。對稱理想定向耦合器的散射矩陣對稱理想耦合器存在兩種。第一類，假設端口1和4完全隔離，由于結構對稱，端口2和3也完全隔離，即式（3-2）結構對稱還使散射參數有下關系：，式（3-3）設網絡各端口均已調匹配，即Sii=0（1，2，3，4），同時考慮到網絡的互易性，綜合上述特點，散射矩陣應有如下形式：式（3-4）理想無耗定向耦合器滿足的條件式（3-5）[s]H的第一行乘以[s]第一列，得式（3-6）[s]H的第一行乘以[s]的第四列，得式（3-7）可見S12S13為純虛數，其中一種可能是式（3-8）故第一類對稱定向耦合器的散射矩陣為式（3-9）由此可以看出第一類對稱理想定向耦合器的一個特點，在直通臂和耦合臂的外向波之間存在著90°的相位差。對于第二類對稱理想定向耦合器，假設端口1和3完全隔離，由于結構的對稱性，端口2和4也完全隔離，即式（3-10）結構對稱使散射參數有下列關系：式（3-11）設網絡各端口均已調好匹配，Sii=0（1，2，3，4），綜合以上特點，并考慮到該對稱四端口網絡的無耗互易性，最好得第二類對稱理想耦合器的散射矩陣為式（3-12）定向耦合器的主要技術指標定向耦合器的主要技術指標有耦合度C、方向性D、隔離度I、插損IL、電壓駐波比VSWR和帶寬等。在圖3-2中，我將端口1的輸入功率定義為P1，端口2、3和4的輸出功率分別定義為P2，P3，P4。圖3-2單節耦合線耦合器耦合度C耦合度定義為輸入端和耦合端的功率之比，即式（3-13）耦合度是一個負數，在習慣上往往稱其絕對值，即分貝數越小耦合越強，分貝數越大耦合越弱。稱為“分貝耦合系數”或簡稱為“分貝耦合”。顯然，由于輸入功率總是大于輸出功率，故此分貝數必為復制。但習慣上只說它的絕對值，而不提及符號，例如“3db定向耦合器”，實際上它的分貝耦合系數為-3dB。分貝耦合越大，表明耦合到副通道的能量越少，耦合越弱。電壓耦合系數定義為：主通道輸入電壓（設由端口1輸入）與副通道輸出電壓（設由端口2輸出）之比，可表示為式（3-14）隔離度I在理想的情況下，副通道中一個端口有輸出時，另一個相反端口應沒有輸出。但實際上由于設計或結構不佳，另一端口常有一些輸出。用此正反向兩個輸出功率之比的分貝數來表示定向傳輸的性能，則稱為“定向性系數”或簡稱“定向性”。設副通道中端口2為所需輸出端口，端口3為隔離端口，則定向性系數定義為隔離度定義為輸入端與隔離端的功率之比，即式（3-15）D越大，說明定向性越好，或者說輸入端口與隔離端口的隔離度越好。理想情況下，。實用中常對通帶中的D提出一個最低要求，例如大于20dB。除了上面兩個主要的參量外，一般還有隔離度，以及作為功率輸入的1端口反射系數S11等。隔離度與方向性和耦合度的關系是D=C+I式（3-16）帶寬的各種定義耦合器的帶寬是指耦合器在一定條件下能滿足一定技巧指標要求的工作頻率范圍，包括絕對帶寬、相對帶寬、倍頻程和帶寬比。絕對帶寬的定義是式（3-17）式中表示耦合器的最高工作頻率，表示耦合器的最低工作頻率。相對帶寬的定義是式（3-18）式中為中心工作頻率。倍頻程的定義為式（3-19）其中n就是指倍頻程。帶寬比的定義是式（3-20）180°混合電橋180°混合結是一種在兩個輸出端口之間有180°相移的四端口網絡。它也可以工作在同相輸出。180°混合網絡所用的符號如圖3-3所示。施加到端口1的信號將在端口2和端口3被均勻分成兩個同相分量，而端口4將被隔離。若輸入施加到端口4，則輸入將在端口2和端口3等分成兩個有180°相位差的分量，而端口1將被隔離。當做為合成器使用時，輸入信號施加在端口2和端口3，在端口1將形成輸入信號的和，而在端口4則形成輸入信號的差。因此端口1稱為和端口，端口4稱為差端口。所以理想的3dB的180°混合網絡的散射矩陣又下列形式式（3-21）圖3-3180°混合電橋可以證明這個矩陣式幺正的和對稱的。180°混合網絡可以制作成幾種形式：環形混合網絡或稱環形波導容易制成平面形式，但也可以支撐波導形式。另一類平面型180°混合網絡使用漸變匹配線和耦合線。此外，還有另一種類型的混合網絡是混合波導節或魔T。AnsoftHFSS仿真軟件的原理及應用HFSS發展歷程HFSS軟件是由美國Ansoft公司開發的世界上第一個商業化的三維結構電磁場仿真軟件，是目前國際上主流的三位高頻電磁場仿真軟件之一。HFSS是一種基于物理原型的EDA設計軟件。2003年2月美國Ansoft公司與美國安捷倫科技公司簽訂了一項協議，Ansoft公司收購安捷倫公司的高頻結構仿真軟件，安捷倫公司將停止生產HFSS軟件，同時購買60套Ansoft公司HFSS軟件，Ansoft推出v8.0版本。同年5月Ansoft公司發布了HFSS最新版本V9.0，即基于三維電磁場設計和分析的電子設計工業標準。

2005年8月Ansoft公司在美國發布HFSSV10.0.為了便于提高設計與分析效率，與現有版本相比，強化了CAD工具和其他分析工具間的配合。HFSSV10.0還新增了讀取其他分析工具結果的“DataLink”功能。能夠利用此功能，與Ansoft的信號完整性分析工具SIwave進行協作分析。HFSSV10.0追加了芯片封裝與印制電路板的協作分析功能，減輕了波形分析的處理負荷。HFSS仿真原理HFSS采用的理論基礎是有限元方法。有限元法師一種積分方法，其解是頻域的，所以HFSS是由頻域到時域，對于設計各種輻射器及求本征模問題很有效。HFSS應用切向矢量有限元法。所謂的有限元法，就是將整個區域分割成許多很小的子區域，這些子區域通常稱為“單元“或”有限元“，將求解邊界問題的原理應用于這額子區域中，求解每個小區域，通過選取恰當的嘗試函數，使得對每一個單元的計算變得非常簡單，通過對每個單元進行重復而簡單的計算，再將其結果總和起來，便可以得到用整個矩陣表達的整個區域的解，這一整體矩陣又常常是稀疏矩陣，可以更進一步簡化和加快求解過程。由于計算機非常適合重復性計算和處理過程，因此整體矩陣的形成過程很容易使用計算機處理來實現。AnsoftHFSS仿真軟件的應用和特點AnsoftHFSS仿真軟件的應用AnsoftHFSS仿真軟件是一個基于有限元法的電磁仿真軟件，是一個計算電磁結構的交互軟件包。HFSS在強大、直觀的環境下為研制微波、射頻、高速數字部件及系統，提供了無可匹敵的精確度。在HFSS的桌面上，你能找到HFSS的全套功能，這是一個可以完全支持基于三維電磁場設計的界面。HFSS能進行全面的全參數化設計，從幾何結構、材料特性到分析、控制及所有后處理。該軟件強大的參數化三維建模能力和高性能的圖形能力，大大節省了設計時間。HFSS有多個機制允許設計人員根據自己的需要去制作用戶特定的設計流程。視窗、對話框、工具欄、甚至菜單均可被用戶通過配置或缺省來支持個性化參數定義。使用者可通過主菜單、工具欄、項目樹和文本欄來靈活操作界面命令計算模擬器，還包括分析電磁結構細節問題時的后處理命令。使用AsoftHFSS軟件能夠計算：基本電磁場數值解和開放邊界，近遠場輻射問題。端口阻抗和傳輸常數。S參數、相應端口的歸一化阻抗和反射系數問題。（4）結構的本征?；蛑C振解。AnsoftHFSS的優越性首先，其強大的三維建模功能為我們設計各種形狀的微波元器件稱為可能。HFSS提供了長方形、圓形、直線等平面基本圖形。圓柱、圓錐、長方體等各種立體基本圖形，使構造各種形狀的微波元器件變得簡單易行。其次，HFSS提供了元件的材料庫。我們可以隨心所欲設置元件的材料性能。第三，HFSS提供了各種頻率的激勵源，我們可以隨意設置，最終找到所涉及微波元器件的中心頻率。第四，HFSS提供了多端口網絡的電磁場分布圖和S參數，使我們能方便地考察涉及元器件性能。第五，HFSS提供的優化分析功能能使我們得到最優化設計結果。AnsoftHFSS仿真微波器件的一般步驟（1）建立微波器件的二維模型。（2）設定匹配元件的變量。（3）通過觀察器件的S參數和反射系數，分別對各個變量進行優化分析。對各個變量的優化分析結果經行綜合分析，最終找到最優化的參數。HFSS設計流程啟動HFSS軟件，新建一個工程。（2）選擇求解類型。在HFSS中有三種求解類型：模式驅動求解，終端驅動求解和本征模求解。(3)創建參數化設計模型。在HFSS設計中，創建參數化模型包括：構造出準確的幾何模型，指定模型的材料屬性以及準確地非配邊界條件和端口激勵。（4）求解設置。求解設置包括定求解頻率，收斂誤差和網絡剖分最大迭代次數等信息；如果需要進行掃頻分析，還需要選擇掃頻類型并指定掃頻范圍。（5）運行仿真計算。在HFSS中，仿真計算的過程是全自動的。軟件根據用戶指定的求解設置信息，自動完成仿真計算，無需用戶干預。（6）數據后處理，查看計算結果，包裹S參數，場分布，電流分布，諧振頻率，品質因數Q，天線輻射方向圖等。另外，HFSS還集成了Ansoft公司的Optimetrecs設計優化模塊，可以對設計模型進行參數掃描分析，優化設計，調諧分析，靈敏度分析和統計分析。利用AnsoftHFSS設計環形定向耦合器設計要求設計要求如下：1．輸入端口的特性阻抗50歐姆；2．輸出端口的特性阻抗50歐姆；3．中心頻率f=0.9GHz;4．頻帶0.8GHz~1.0GHz；5．散射參數兩個輸出端口3dB。仿真過程與測試結果1.運行HFSS并新建工程，設置求解類型。設置當前設計為終端驅動求解類型。如圖5-1圖5-1設置求解類型2.設置默認的長度單位為毫米單位。如圖5-2圖5-2“長度單位設置”對話框3.建模相關選項設置如圖5-3圖5-33 DModelerOptions對話框4.定義變量length。如圖5-4定義一個設計變量length，設置其初始值為24.5mm圖5-4添加設計變量5.添加新材料。如圖5-5向材料庫中添加新的介質材料，并設置其為建模時使用的默認材料；新添加材料的相對介電常數為2.33，介質損耗正切為0.000429。圖5-5View/EditMaterial對話框6.創建帶狀線介質層模型。圖5-6所示的對話框，對話框中輸入數字6，表示創建的是正六邊體模型。圖5-6SegmentNumber對話框圖5-7“屬性”對話框Command選項卡界面圖5-8“屬性”對話框的Attribute選項卡界面設置。圖5-9新建的正六邊體模型7.創建帶狀線金屬層模型圖5-10（a）創建矩形面圖5-10（b）復制矩形面圖5-10（c）創建模型圖5-10（d）生成完整的環形帶狀線模型圖5-10環形帶狀線生成過程8.設置環形帶狀線Trace為理想導體邊界如圖5-11圖5-11設置環形帶狀線Trace為理想導體邊界9.仿真與測試結果圖5-12環形電橋的S參數曲線結果說明：由圖5-12可以看出在0.9GHz處端口1和端口4的輸出分量分別為-7.18dB和-11.75dB，而端口2和端口3的輸出分別為-3.65dB和-5.10dB。達到設計指標要求。結論大學四年的學習生活即將過去，在這四年中，老師的諄諄教誨、同學無私的幫助，加上自己的刻苦努力，我掌握了大部分專業知識的理論，實際動手能力也大為提高。在大學學習生活中，畢業設計算是對學生的理論知識和動手能力的一次綜合檢驗。這次畢業設計課題是環形定向耦合器的仿真設計，這是對我的理論知識的一次綜合的考驗。通過一個學期的努力，終于完成了我的畢業設計。在做畢業設計的這段時間內，我一直在不斷的學習，通過查閱各種與設計有關的資料，使我了解了很多從課本上面學不到的知識，很多非理論的應用性很強的知識。我覺得畢業設計的過程，不僅是一個提高自己動手能力的過程，更是證明自己大學四年學習成果的過程。通過對這次的畢業設計，我對自己專業課的學習有了更直接、更全面的了解。在整個過程中，雖然出現了許多意想不到的問題，比如對理論基礎的掌握和AnsoftHFSS軟件的一些細節操作，但是經過導師的指導和自己琢磨，我終于還是解決了這些問題。在這次畢業設計的之后，給我感觸最深的是，細心、嚴謹是克服困難并找到出路的關鍵。因為我發現在調試的過程中，經常會出現一些莫名其妙的錯誤，其實這些看似很小的錯誤，大部分是由于細節問題所引起的。所以說，這次的畢業設計給了我一個很大的教育，那就是不管以后做什么事，都要抱著務實的態度和嚴謹的作風。這樣才能給自己交一份滿意的答卷。致謝畢業設計整整持續了近半年的時間，現在終于到結尾了。剛拿到這個課題時，覺得這個課題太難了。但是在今天回過去看看，卻十分的欣慰，因為我成功完成了我的畢業設計，克服了自己原以為很難克服的困難。這是我讀大學幾年下來工作量最大的一次，這也是對我大學幾年所學知識最好的檢驗。經過這次設計，提高了我很多的能力，比如實驗水平、分析問題的能力、對問題執著追求答案的毅力、合作精神、嚴謹的工作作風等。在這期間凝結了很多人的心血，在此表示衷心的感謝。沒有他們的幫助，我將無法順利完成這次設計。首先，我要特別感謝老師對我的悉心指導，在設計期間，郭老師幫助我收集文獻資料，理清設計思路，并提出有效的改進方案。導師淵博的知識、嚴謹的學風、誨人不倦的態度和學術上精益求精的精神使我受益終生。感謝班里同學給予我無私的幫助，他們對我所遇到的難題的解答讓我受益匪淺。另外，我要感謝母校所有老師與同學幾年來對我的關心與支持，感謝各位老師在學習期間對我的嚴格要求。同時也要感謝身邊同學的熱心幫助，沒有你們的支持與關心，就沒有我今天的畢業設計！參考文獻吳萬春，梁昌洪.微波網絡及其應用[M].北京:國防工業出版社，1980：50~150.王新穩，李萍.微波技術與天線[M].北京:電子工業出版社，2005：3~50.吳明英，毛秀華.微波技術[M].西安:西北電訊工程學院出版社，1979：2~40.王文祥.微波工程基礎[M].成都:電子科技大學大功率微波真空電子學國防科技重點實驗室，2005：136~144.李嗣范.微波元件原理與設計[M].北京:人民郵電出版社，1982：168~171.同潤卿，李英慧.微波技術基礎[M].北京:北京理工大學出版，2004：139~165.葛義榮.定向耦合器在微波傳輸系統中的應用[M].北京:航空計測技術，2001：32~33.周萌.帶狀線定向耦合器的分析與設計.西安電子科技大學碩士學位論文，2009：1~5.[9]廖承恩.微波技術基礎[M].西安:西安電子科技大學出版社，1995：100~330.[10]石德萬.波導—帶狀線—同軸線定向耦合器的研究[D].電子科技大學碩士學位論文，2007.[11]CohnSB.Shieldcoupled-striptransmissionline.IRETransactionsonMicrowaveTheoryandTechniques，1955，MTT-3(10)：29~38.[12]CohnSB.CharacteristicImpedancesofbroadside-coupledstriptransmissionlines.IRETransactionsonMicrowaveTheoryandTechniques，1960，MTT-8(11)：633~637.附錄一、傳播的TEM特性1.相速度、傳播常數和波導波長帶狀線中傳輸的TEM模，則相速度與頻率無關，為式（1-1）傳播常速為式（1-2）波導波長或帶狀線波長為式（1-3）式中為自由空間波長。2.特性阻抗及最高工作頻率1）導體厚度為零的帶狀線特性阻抗可由其單位長度電容來求得，即式（1-4）其中L和C是傳輸線單位長度的電感和電容，因此若知C就能求出零厚度帶狀線的特性阻抗。Cohn最先用保角變換方法求得零厚度導體帶狀線的特性阻抗。用保角變換方法求解上述拉普拉斯方程過程復雜，且解中包含橢圓函數，不便于工程應用。對于實際計算，已經通過對于精確解的曲線擬合得到了簡單的公式。根據線寬W和高度b求特性阻抗?？紤]到邊緣場的影響，中心導體的寬度應加寬，其效果相當于導體兩端加段圓弧，以半徑R表示，則導體寬度應增加為，一般取R=0.2205b，這樣導體寬度就變成W+0.441b。導體與地板之間的單位長度電容應為式（1-5）帶狀線的單位電容則為