微波课设2.docx

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微波课设2

太原理工大学现代科技学院

微波技术与天线课程设计

设计名称

专业班级

学号

姓名

指导教师

……………………………………装………………………………………订…………………………………………线………………………………………

专业班级学号姓名成绩

1、环形定向耦合器简介

环形定向耦合器是由周长为3/2个导波波长的闭合圆环和4根输入/输出传输线相连接而构成的，与圆环相连结的4根传输线的特征阻抗为Zo，圆环的特征阻抗为端口①到端口②、端口①到端口④、端口③到端口④之间的长度为1/4个导波波长，端口②到端口③之间的长度为3/4个导波波长。

图给出了微带线或带状线结构环形定向耦合器的示意图。

当微波信号由端口①输入，端口②、端口③、端口④皆接匹配负载时，输入信号功率可以等分成两部分，分别由端口②和端口④输出，端口③无信号输出，端口①和端口③彼此隔离。

2、使用HFSS设计环形定向耦合器概述

3、新建HFSS工程

1、运行HFSS并新建工程

双击桌面上的HFSS快捷方式，启动HFSS软件。

HFSS运行后，会自动新建一个工程文件，选择主菜单栏【File】【SaveAs】命令，把工程文件另存为RingHybrid.hfss；然后右

键单击工程树下的设计文件名HFSSDesign1，从弹出菜单中选择【Rename】命令项，把设计文件重新命名为Coupler。

2、设置求解类型

设置当前设计为终端驱动求解类型。

4、创建环形定向耦合器模型

1、设置当前设计在创建模型是使用的默认长度单位为毫米

从主菜单栏中选择【tools】命令，打开【options】对话框。

单击对话框的Drawing选项卡，选中

复选框，如图所示。

然后单击【确定】按钮，退出对话框，完成设置。

2、定义一个设计变量length设置其初始值为24.5mm。

3、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2.33，介质损耗正切为0.000429。

4、创建一个正六边体模型作为带状线的介质层，其材料属性为My_Sub，正六边体外接圆半径长度为length/cos（30deg）高度为2.286mm并命名为Substrate。

单击工具栏的【ok】按钮，在3D模型窗口的任一位置单击鼠标左键确定一个点；然后再xy面移动鼠标光标，绘制出一个圆形后，单击鼠标左键确定第二个点；最后沿着z轴方向移动鼠标光标，绘制出一个圆柱形后单击鼠标左键确定第三个点。

此时，弹出对话框，在对话框中输入数字6，表示创建的是正六边体模型，然后单击【ok】按钮结束。

单击按钮后，弹出所创建的正六边体模型的“属性”对话框的command选项卡，在centerposition项对应的value值处输入正六边形的底面圆心坐标（0，0，-1.143）；在startposition项对应的value值处输入坐标值（length/cos（30deg）,0mm,-1.143mm）设置正六边形的半径为length/cos（30deg）

然后，单击属性对话框的attribute选项卡，在name项对应的value值处输入正六边体的名称substrate；单击transparent项对应的value值处的按钮，设置正六边体的透明度为0.4。

5、①创建图所示的矩形面

单击工具栏

按钮，进入创建矩形面模型的状态，在三维模型窗口任意位置单击鼠标左键确定一个点；然后再xy面移动鼠标光标，绘制出一个矩形后单击鼠标左键确定第二个点，此时弹出矩形面“属性”对话框。

单击该对话框的command选项卡，在position项对应的value值处输入矩形面起始点坐标（-0.89,0,0）在Xsize项对应的value值处输入矩形面的宽度1.78，Ysize项对应的value值处输入矩形面的长度变量然后单击对话框的attribute选项卡，在name项对应的value值处输入矩形面的名称trace最后单击确定按钮，生成如图所示的矩形面。

②复制矩形面

从操作历史树中单击选中新建的矩形面Trace，单击工具栏的

按钮，打开如图所示的对话框，执行沿坐标轴旋转复制操作。

在该对话框中，Axis项选择Z单选按钮，Angle项输入60deg，Totalnumber项输入4，然后单击ok按钮。

此时会弹出复制操作生成的物体的“属性”对话框，直接单击对话框的确定按钮，完成复制操作，在x0y面复制生成夹角为60的3个同样大小的矩形面。

③创建图所示模型

单击工具栏的

按钮，进入创建圆面模型的状态，在3D模型窗口任一位置单击鼠标左键确定一个点；然后再xy面移动鼠标光标，在绘制出一个圆形后单击鼠标左键确定第二个点，此时弹出圆面“属性”对话框。

单击对话框的command选项卡，在项对应的value值处输入圆面的圆心坐标,在项对应的value值处输入圆面的半径12.22；然后单击对话框的attribute选项卡，在name项对应的值处输入圆面的名称outer；最后单击确定按钮，生成该圆面。

按住ctrl键，同时从操作历史树中按先后顺序单击选择trace、trace1trace2、trace3、outer，或单击工具栏的

按钮，执行合并操作；把上面选中的5个面模型合并成一个模型。

④生成完整的环形带状线模型

再次单击

按钮，单击该对话框的command选项卡，在center项对应的value值处输入圆面的圆心坐标（0,0,0），在项对应的value值处输入圆面半径11.24；然后单击对话框的选项卡，在项对应的值处输入圆面的名称inner；单击确定按钮，生成该圆面。

按住ctrl键，同时从操作历史树中按先后顺序单击选中outer和inner；单击工具栏的

按钮，执行相减操作。

至此，就创建好了完整的耦合器环形带状线模型。

五、分配边界条件和激励

设置环形带状线Trace为理想导体边界条件，设置其4个输入/输出端口的激励方式为波端口激励。

1.设置环形带状线Trace为理想导体边界

在操作历史树下选中环形带状线Trace,选中后的环形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】→【PerfectE】，打开PerfectEBoundary对话框，如图9.18所示。

直接单击对话框的OK

按钮，设置选中的环形带状线Trace为理想导体边界。

2.设置耦合器4个端口为波端口激励

耦合器4个端口的编号如图9.19所示，4个端口的激励方式都设置为波端口激励。

首先设置端口1为波端口激励。

单击F键，切换到面选择状态。

在介质层Substrate的上表面靠近端口1处，单击鼠标，选中物体Substrate的上表面，然后按下快捷键Ctrl+B，此时会选中端口1所在的表面。

选中端口1表面后，右键单击工程树下的Excitations节点，从弹出菜单中选择【Assign】→【WavePort】，打开如图9.20所示的“终端线设置”对话框，单击该对话框的OK

按钮，设置端口1的激励方式为波端口激励。

端口1的激励方式设置完成后，默认的端口激励名称Waveport1和终端线名称Trace_T1会添加到工程树的Boundaries节点下。

右键单击工程树Boundaries节点下的端口激励名称Waveport1，从弹出菜单中选择【Rename】命令，重新命名激励名称为P1；在工程树下，单击P1左侧的

按钮，展开P1，会看到默认的终端线名称Trace_T1；右键单击终端线名称Trace_T1，在弹出菜单中选择【Rename】命令，重新命名终端线名称为T1。

双击工程树Boundaries节点下的端口激励P1，打开WavePort对话框，选中对话框中的PostProcessing选项卡，确认其端口阻抗为50Ω，如图9.21所示；然后单击确认按钮，关闭该对话框。

使用相同的操作，分别设置端口2、端口3、端口4的激励方式为波端口激励，并把波端口激励和终端线的名称分别命名为P2、P3、P4和T2、T3、T4。

波端口设置后之后，工程树下的Boundaries节点如图所示。

说明

在终端驱动求解类型下，HFSS11版本和HFSS11之前的版本关于波端口激励的设置操作是完全不同的。

在HFSS11之前的版本中，终端驱动求解类型在定义波端口激励时需要用户手动设置终端线（TerminalLines）作为电压的积分路径，HFSS根据设置的终端线计算端口节点电压。

在HFSS11版本中，由用户手动设置终端线作为电压积分路径计算节点电压，改为由系统自动设置终端线作为磁场的积分路径计算节点电流。

本章是基于HFSS11版本操作讲解的，对于之前版本的操作，读者可以参考相关版本软件自带的帮助文档。

六、求解设置

本章设计的环形耦合器工作频率为4GHz,所以设置自适应网格剖分频率为4GHz。

另外，为了查看设计的环形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。

1.求解设置

右键单击工程树下的Analysis节点，从弹出菜单中选择【AddSolutionSetup】命令，打开如图9.23所示的SolutionSetup对话框。

在该对话框中，SetupName项保留默认名称Setup1；SolutionFrequency项输入4GHz，即设置求解频率为4GHz；MaximumNumberofPasses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；MaximumDeltaS项输入0.02，即设置收敛误差为0.02；其他项保持默认设置。

然后单击确认按钮，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。

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，从弹出菜单中选择【AddFrequencySweep】，打开如图9.24所示的EditSweep对话框，进行扫频设置。

在该对话框中，SweepName项保留默认的名称Sweep1；SweepType项选择Fast，设置扫频类型为快速扫频；在FrequencySetup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。

然后单击对话框的OK按钮，完成扫频设置，退出对话框。

设置完成后，扫频设置的名称Sweep1会添加到工程树Analysis节点的Setuo1项下面，如图9.25所示。

七、设计检查和运行仿真分析

通过前面的操作，我们已经完成了模型创建和求解设置等HFSS设置的前期工作，接下来就可以运行仿真计算，并查看分析结果了。

在运行仿真计算之前，通常需要进行设计检查，检查设计的完整性和正确性。

单击工具栏的√按钮，进行设计检查。

此时，会弹出如图9.26所示的“检查结果显示”对话框，该对话框中的每一项都显示图标√，表示当前的HFSS设计正确、完整。

单击Close关闭对话框，准备运行仿真计算。

右键单击工程树下的Analysis节点，从弹出菜单中选择【AnalyzeAll】命令，或者单击工具栏

按钮，运行仿真计算。

仿真计算过程中，工作界面上的进度条窗口会显示出求解进度，信息管理窗口也会有相应的信息提示，并会在仿真计算完成后，给出完成提示信息。

八、查看仿真分析结果

设计的环形耦合器工作频率为4GHz，设计中仿真分析了耦合器1～7GHz频段的扫频特性。

在分析结果中，我们主要查看两个指标：

一是1～7GHz频带内S参数的扫频特性；二是在4GHz工作频点上的S参数矩阵。

查看S参数扫频结果

右键单击工程树下的Results节点，从弹出菜单中选择【CreateTerminalSolutionDataReport】→【RectangularPlot】命令，打开“结果报告设置”对话框。

在该对话框中，Category项选中TerminalSParameter，Quantity项按住Ctrl键的同时选中St（T1,T1）、St（T1，T2）、St（T1，T3）和St（T1，T4），在Funcion栏选中dB，如图9.27阴影部分所示。

点击ok绘图，结果如下：

图为端口1输入时的插入损耗，回波损耗和隔离度的幅频曲线图，s11和s13为插入损耗，s12为隔离度，s14为回波损耗。

在2.5G到5.5GHz内性能良好。

图为端口2输入时的插入损耗，回波损耗和隔离度的幅频曲线图，s21和s23为插入损耗，s22为隔离度，s24为回波损耗。

图为端口3输入时的插入损耗，回波损耗和隔离度的幅频曲线图，s31和s33为插入损耗，s32为隔离度，s34为回波损耗。

图为端口4输入时的插入损耗，回波损耗和隔离度的幅频曲线图，s41和s43为插入损耗，s42为隔离度，s44为回波损耗。

图为信号从端口1输入时，端口1，2，3，4的相位关系图，从图上可以看出端口1的相位变化最快，端口3的相位变化次之，端口2，4的相位变化最慢。

端口1，3的斜率也比2，4大。

图为信号从端口2输入时，端口1，2，3，4的相位关系图，从图上可以看出端口2的相位变化最快，端口3，4的相位变化次之，端口1的相位变化最慢。

端口1，2的斜率比3，4大。

图为信号从端口3输入时，端口1，2，3，4的相位关系图，从图上可以看出端口3的相位变化最快，端口1，2的相位变化次之，端口4的相位变化最慢。

端口3的斜率也比1，2，4大。

图为信号从端口4输入时，端口1，2，3，4的相位关系图，从图上可以看出端口4的相位变化最快，端口2的相位变化次之，端口1，3的相位变化最慢。

端口1，3的斜率比2，4大。

由于环形耦合器是个互易器件则

图1跟图2中端口1对端口2和端口2对端口1的S曲线一致

图1跟图3中端口1对端口3和端口3对端口1的S曲线一致

图1跟图4中端口1对端口4和端口4对端口1的S曲线一致

在4GHz处端口2和端口4的输出功率是端口1输入功率的一半（约为-3dB）

端口3和端口1互相隔离（隔离度>40dB）

环形定向耦合器特性：

当信号从端口1输入时，端口4隔离无信号输出，端口2和端口3等功率反相输出。

当信号从端口4输入时，从端口2和端口3等功率同相输出，端口1成为隔离端，无信号输出，端口1和

端口4是隔离的

又对称性也可知，端口2和端口3也是隔离的

从波程差角度来看：

当信号从端口1输入时，端口2的相位为90°，到端口3为270°，故端口3比端口2滞后180°；而端口

1信号经过端口2到达端口4的相位为180°，经端口3到达端口4的为360°，两路信号相位相反，在端

口4抵消无信号输出，而在端口2和端口3反相等功率输出

当信号从端口4输入时，在端口2和端口3的相位为90°，端口2和端口3相位相等；而端口4的信号经

过端口2到达端口1的相位为180°，经端口3到达端口1的相位为360°，在端口1抵消无信号输出，而

在端口2和端口3同相等功率输出

九、课程设计心得

经过这几天的课程设计，过程曲折可谓一语难尽。

在此期间我也失落过，也曾一度热情高涨。

从开始时满富盛激情到最后汗水背后的复杂心情，点点滴滴无不令我回味无长。

同时我认为我们的工作是一个团队的工作，团队需要个人，个人也离不开团队，必须发扬团结协作的精神。

某个人的离群都可能导致导致整项工作的失败。

设计中只有一个人知道原理是远远不够的，必须让每个人都知道，否则一个人的错误，就有可能导致整个工作失败。

团结协作是我们实习成功的一项非常重要的保证。

而这次实习也正好锻炼我们这一点，这也是非常宝贵的。