实验四微波环形电桥元件的设计与仿真.docx

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实验四微波环形电桥元件的设计与仿真

实验四-微波环形电桥元件的设计与仿真

实验四微波环形电桥元件的设计与仿真

一、实验目的

1.设计一个微波环形电桥元件

2.查看并分析该微波环形电桥元件的S参数

二、实验设备

装有HFSS13.0软件的笔记本电脑一台

三、实验原理

在微带电桥中，当信号从p2输入时，由于p2端口到达p1端口和到达p3端口的长度相同，因此信号平分并等幅同相自p1端口和p3端口输出，而沿p2>p1>p4,p2>p3>p4两条路径的距离相差

，p2端口输入的信号传到p4端口形成大小相等、相位相反的两路，从而在p4端口互相抵消而无输出，p2端口与p4端口可看做互相隔离的。

同理，若信号从p3端口输入，信号将等幅同相自p4端口和p2端口输出，而不会自p1端口输出，p3端口和p1端口是隔离的。

若信号自p4端口输入，p1端口和p3端口将等幅反相输出。

若信号自p1端口输入，p4端口和p2端口将等幅反向输出。

四、实验内容

设计一个微波环形电桥元件，其指标要求如下：

工作频率为4GHz。

环形电桥元件设计仿真中采用微带结构实现。

选用介质板的介电常数为εr=2.33，厚度为h=2.286mm。

最终获得S参数曲线的仿真结果。

五、实验步骤

1.建立新工程

了方便建立模型，在Tool>Options>HFSSOptions中讲DuplicateBoundarieswithgeometry复选框选中。

2.将求解类型设置为激励求解类型：

（1）在菜单栏中点击HFSS>SolutionType。

（2）在弹出的SolutionType窗口中

（a）选择DrivenModal。

（b）点击OK按钮。

3.设置模型单位

（1）在菜单栏中点击3DModeler>Units。

（2）在设置单位窗口中选择：

mm。

4.设置模型的默认材料

点击Material对应的按钮，在弹出的材料设置窗口中点击AddMaterial按钮，添加介电常数（RelativePermittivity）为2.33的介质，将其命名为My_sub。

点击OK结束。

5.建立环形电桥模型

（1）首先建立介质基片

（a）在菜单栏中点击Draw>RegularPoyhedron。

（b）在坐标输入栏中输入中心点的坐标：

X：

0，Y：

0，Z:

-1.143按回车键。

（c）在坐标输入栏中输入半径向量：

dX：

22.345mm/cos（30*pi/180），dY：

0，dZ：

0按回车键。

（d）在坐标输入栏中输入棱柱的高度：

dX：

0，dY：

0，dZ：

2.286按回车键。

（e）在弹出的SegmentNumber窗口中将多边形数改为6。

在特性（Property）窗口中选择Attribute标签，将该名字修改为Substrate。

（2）建立Trace

（a）在菜单栏中点击Draw>Rectangle,创建矩形模型。

（b）在坐标输入栏中输入起始点的坐标：

X：

-0.89154，Y：

0，Z：

0按回车键。

（c）在坐标输入栏中输入长、宽：

dX：

1.78308，dY：

22.345，dZ：

0按回车键。

（d）在特性（Property）窗口中选择Attribute标签，将该名字修改为Trace。

（3）为Trace设置理想金属边界条件。

（a）在菜单栏中点击Edit>Select>ByName,在弹出的窗口中选择Trace。

（b）在菜单栏中点击HFSS>Boundaries>Assign>PerfectE。

在弹出的对话框中将其命名为Perf_Trace，点击OK按钮。

（4）为Trace设置激励端口

（a）在菜单栏中点击Modeler>GridPlane>XZ，将工作主平面更改为XOZ平面。

（b）在菜单栏中点击View>ModifyAttributes>Orientation

（c）在观察窗口中选择观察视角，Right，点击Apply，然后点击Close结束。

（d）创建矩形端口面，点击Draw>Rectangle。

（e）运用捕捉功能，在3D窗口中移动鼠标，当鼠标移动到棱柱矩形侧面左下角点时，此时鼠标形状为正方形表示已经捕捉到该顶点，点击鼠标左键。

（f）在3D模型窗口中拖动鼠标，当鼠标捕捉到右下角顶点时，点击鼠标左键。

（g）在特性（Property）窗口中选择Attribute标签，将该名字修改为Port。

（h）在菜单栏点击HFSS>Excitations>Assign>WavePort,在LumpedPort窗口的General标签中，将该端口命名为p1。

（i）在Modes标签的IntegrationLine中点击None，选择NewLine，在坐标栏中输入以下坐标：

X：

10.9，Y：

22.345，Z：

-1.143；dX：

0，dY：

0，dZ：

1.143按回车键结束输入。

点击Next直至结束。

（5）创建其他Trace和波端口

（a）在菜单栏中点击Edit>Select>ByName,在弹出的窗口中选择Trace、Port。

（b）点击Edit>Duplicate>AroundAxis，设置：

Axis：

Z，Angle：

60（deg），Totalnumber：

4，点击OK结束。

（6）建立Ring

（a）在菜单栏中点击Modeler>GridPlane>XZ，将工作主平面更改为XOZ平面。

（b）点击Draw>Circle，在坐标输入栏中输入圆心点的坐标：

X：

0，Y：

0，Z:

0按回车键。

在坐标输入栏中输入圆半径：

dX：

11.795，dY：

0，dZ：

0按回车键。

（c）在特性（Property）窗口中选择Attribute标签，将该名字修改为Outer。

（f）在菜单栏中点击Edit>Select>ByName,在弹出的窗口中选择Trace、Trace_1、Trace_2、Trace_3、Outer

（g）在菜单栏中点击Modeler>Boolean>Unite

（h）点击Draw>Circle，在坐标输入栏中输入圆心点的坐标：

X：

0，Y：

0，Z:

0按回车键。

在坐标输入栏中输入圆半径：

dX：

10.795，dY：

0，dZ：

0按回车键。

（i）在特性（Property）窗口中选择Attribute标签，将该名字修改为Inner。

（j）在菜单栏中点击Edit>Select>ByName,在弹出的窗口中选择Outer、Inner

（k）在菜单栏中点击Modeler>Boolean>Subtract,在Subtract窗口中作如下设置：

BlankParts:

Outer

ToolParts:

Inner

Clonetoolobjectsbeforesubtract复选框不选，点击OK结束设置。

6.求解设置

（1）设置求解频率

（a）在菜单栏中点击HFSS>AnalysisSetup>AddSolutionSetup。

（b）在求解设置窗口中作如下设置：

SolutionFrequency：

4GHz；MaximumNumbersofPasses：

20；MaximumDeltaSperPass：

0.02；点击OK按钮。

（2）设置扫频

（a）在菜单栏中点击HFSS>AnalysisSetup>AddSweep。

（b）选择Setup1，点击OK。

（c）在扫频设置窗口中作如下设置：

SweepType：

Fast；FrequencySetupType：

LinearStep；Start：

2GHz；Stop：

7GHz；Step：

0.05GHz。

（d）将SaveField复选框选中，点击OK按钮。

7.保存工程

在菜单栏中点击File>SaveAs，在弹出的窗口中将该工程的命名为shiyan4，并选择路径保存。

8.求解该工程

点击HFSS>AnalyzeAll

9.S参数

（1）S参数

（a）点击HFSS>Result>CreateModalSolutionDataReport

（b）选择RectanglePlot

（c）在Trace窗口中设置：

Solution:

Setup1:

Sweep1;Domain:

Sweep;点击Y标签，选择：

Category:

Sparameter;Quantity:

S（p1,p1）、S（p2,p1）、S（p3,p1）、S（p4,p1）;Function:

dB。

（d）点击NewReport按钮完成。

（2）S参数相位

（a）点击HFSS>Result>CreateModalSolutionDataReport

（b）选择RectanglePlot

（c）在Trace窗口中设置：

Solution:

Setup1:

Sweep1;Domain:

Sweep;点击Y标签，选择：

Category:

Sparameter;Quantity:

S（p2,p1）、S（p4,p1）;Function:

cang_deg。

（d）点击NewReport按钮完成。

六、实验结果

仿真图如下：

微波环形电桥元件的S参数曲线如下：

微波环形电桥元件的S参数相位曲线如下：

由上图微波环形电桥元件的S参数曲线可知，中心频率4GHz，端口1的自反射

大约为-32.5524dB，从端口1到端口2和从端口1到端口4的传输量（

，

）。

从微波环形电桥元件的S参数相位曲线图可以看出

的相位为-230.4709°，在带外，

的相位为-48.4392°，两者相差180°，与理论吻合很好。

而端口1和端口3的传输量

也为-32.5524dB，显示了隔离特性。

七、问题思考及小结

本实验设计了一个微波环形电桥元件，此环形电桥元件通过微带结构实现，工作频率为4GHz选用介质板的介电常数为εr=2.33，厚度为h=2.286mm。

通过本次实验，我学会了如何在HFSS中实现对电桥环形贴片和馈电的建模，掌握了端口和边界的设置，了解了微波环形电桥元件的结构，并通过仿真直观地查看了该微波环形电桥元件的S参数。

最开始在实验时由于粗心设置模拟单位时没有设置成mm，导致结果出不来，重新设置之后，问题解决。