基于HFSS分支定向耦合器设计说明书文档格式.docx

1、5.9.3查看参数化分析结果 125.9.4优化设计的设置和仿真分析 135.9.5查看优化结果 145.9.6优化后的 S参数扫频结果 155.9.7优化后的场分布图 . 155.9.8查看 4GHz 频点的 S矩阵 15六、 加分项 166.1二阶分支定向耦合器建模 166.2二阶分支定向耦合器仿真结果 17、 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。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

2、口阻抗为 50?。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 50? ）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

3、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 50?5.2.1分支定向耦合器的理论计算5.2.2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5.2.3HFSS 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

4、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 ? 。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。5.2.4HFSS 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

5、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

6、【 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 N

7、ame 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，

8、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 T angent 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rec

9、tanglestrat pointXsizeYsizerectangle 1（0,0）L1+W2L2+W1rectangle 2（W2,W1）L1-W2L2-W12. 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 ）：3.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 pointZsize（-6,-3,-1.5）L1+W2+1

10、2mmL2+W1+12mm3mm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

11、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 50? ，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

12、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.

13、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 【 Add Frequency 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 Fr

14、equency 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。设置完成后，扫频设置的名称 Sweep1 会添加到工程树 Analysis Setup1 节点下。图 5.6.25.7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 设计的前期工作， 接下 来就可以运行仿真计算，查看设计结果了。在运行仿真计算之前，通常需要进行设计

15、检查， 检查设计的完整性和正确性。在工具栏中点击【 Validation Check 】按钮，进行设计检查，并弹出如图 5.7.1 所示的 “检查结果显示”对话框。 “扫描结果显示”对话框的每项都显示图标，表示当前 HFSS 设计正确、完整。单击关闭对话框，点击工具栏的【 Analyze All 】按钮，运行仿真分析。图 5.7.15.8查看仿真分析结果设计的分支定向耦合器工作频率为 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，我们要观察耦合器在 1-7GHz 频带内 S 参数的扫频特性。5.8.1查看 S 参数扫频结果右键单击工程树下的 Results

16、节点，在弹出菜单中选择 【 Create T erminal Solution Data Report 】【 Rectangular Plot 】命令，打开“结果报告设置” 对话框。 在该对话框中， Category 项选中 Terminal S Parameter ，Quantity 项按住 Ctrl 键的同时选中 St（P1,P1） 、St（P2,P1） 、 St（P3,P1） 和 St（P4,P1） ，在 Function 栏选中 dB，如图 5.8.1 阴影部分所示。 然后单击按钮， 生成结果报告； 再单击按钮关闭对话框。 此时， 生成的 S11、S21、S31 和 S41 在 1-7

17、GHz 范 围内随频率的变化曲线报告如图 5.8.2 所示。图 5.8.1图 5.8.2在未优化前，我们可以从上图中看出们对结果进行优化。S11、S41 在 4Ghz 处并未满足设计要求，下面我5.9分支定向耦合器的优化分析利用 Optimetrics 模块对分支定向耦合器的 L2 进行参数扫描分析和设计优化。参数扫 描分析的目的是：在工作频率为 4GHz 时，查看 S11、S21 、S31 和 S41 随着变量 L2 的变化 曲线；优化设计的目标是：在工作频率为 4GHz 时，求解出 L2 的长度，使 S11 和 S41 均小 于等于 -10dB 。5.9.1新建一个优化设计工程1. 从主菜

18、单栏选择【 File 】【 Open 】，或者直接单击工具栏的按钮，打开上一节所保存 的工程文件 Project3.hfss ；然后从主菜单栏选择【 File 】【 Save As】，把工程文件另 存为 Project3_Optim.hfss 。2. 展开工程树下的 Analysis 节点，再展开 Analysis 节点下的 Setup1 项，选中 Sweep1 项， 然后单击工具栏的按钮，删除扫频设置。5.9.2参数化分析设置和仿真分析1 添加参数扫描变量选中工程树下的 Optimetrics 节点，单击右键，从弹出菜单栏中选择【 Add 】 【Parametric 】，打开 Setup S

19、weep Analysis 对话框， 单击对话框的按钮， 打开 Add/Edit Sweep 对话框；在 Add/Edit Sweep 对话框中， Variable 项选择变量 L2 作为扫描变量， 扫描类型选择为 LinearStep ，Start 、Stop 、Step 项分别输入 11 、15 、0.1 ，单位为 mm ， 然后单击【 OK】按钮，设置过程和设置结果如图 5.9.1 所示。单击按钮，回到 Setup Sweep Analysis 对话框。图 5.9.12 定义输出变量定义 2 个输出变量 S11 和 S41。选择 Setup Sweep Analysis 对话框的 Cal

20、culations 选项 卡，单击（ Setup Calculations ）按钮，打开 Add/Edit Calculation 对话框，设置好后如 图 5.9.2 所示。3 参数化分析求解单击工具栏的【 Validate 】按钮，检验设计的正确性。检查完成且没有错误时，进行下 一步的仿真计算。选中工程树 Optimetrics 节点下的 ParametricSetup1 项，单击右键， 在弹出菜单中选择【 Analyze 】命令，运行仿真分析。5.9.3查看参数化分析结果1 创建 S11、 S41随变量 L2 变化的关系图右键单击工程树中的 Results 项，从弹出菜单中选择【 Crea

21、te Modal Solution Data Report 】【 Rectangular Plot 】。在该对话框中， X 项选择 L2；在 Y 栏下方的 Category 列选择 Output Variables ，Quantity 列通过按下 Ctrl 键同时选择 St（P1,P1） 和 St（P4,P1） ， Function 列选择 dB；然后单击按钮， 就创建了输出变量 S11和 S41与变量 L2的关系曲 线图，如图 5.9.3 所示。图 5.9.3从结果图中可以看出，当变量 L2 值逐渐增大时，在 14.00-14.50mm 间 S11和 S41存在 最小值，并且均小于 -10d

22、B。5.9.4优化设计的设置和仿真分析1） 从主菜单栏选择【 HFSS】【 Design Properties 】，打开“设计属性”对话框，选中 上方的 Optimization 单选按钮， 在变量 L2 栏勾选 Include 项，然后单击按钮完成设 置。2） 单击选中工程树下的 Optimetrics 节点，单击右键，在弹出菜单中选择【 Add 】 【 Optimization 】，打开“优化设置”对话框。在该对话框的 Goals 选项卡界面，优 化器 Optimizer 栏选择 Quasi Newton ， Max. No. of Iterations 栏保持默认的 1000不变。Acc

23、eptable 项输入 0.0005 ，表示目标函数的值小于或者等于设定的 0.0005 时， 停止优化分析； Noise 项保持默认的 0.00001 不变。3） 添加优化目标函数（ Cost Function ）。这里优化设计要达到目标是：当工作频率为 4GHz 时，S11 和 S41均小于等于 -10dB。设置完成后的对话框界面如图 5.9.4 所示。4） 设置优化变量。 选择 Variables 选项卡，在 Variable 列只有 L2 一个变量， 在 Override 列勾选 Offset 对应的复选框， 在 Starting Value 列输入 14.10 ，勾选 Include

24、 列下面 的复选框，分别在 Min 和 Max 列输入 14.00 和 14.50 ，设定变量 Offset 的优化范围 在 14.00-14.50 之间。完成后的界面如图 5.9.5 所示。图 5.9.55） 选择 General 选项卡，Parametric 栏选择 ParametricSetup1 ，同时选中下方的 Solve the parametric before sweep optimization 单选按钮，并勾选 Update design parameter values after optimization 复选框。选择 Options 选项卡，确认清空 Savefiel

25、ds and mesh 复选框。至此，完成优化设置，单击按钮退出对话框。6） 优化设置完成后，在工程管理窗口工程树的 Optimetrics 节点下会自动添加一个 OptimizationSetup1 项。右键单击 OptimizationSetup1 ，从弹出菜单中选择 【 Analyze 】 命令，运行优化分析，整个优化过程需要持续几分钟的时间。5.9.5查看优化结果1 目标函数与运算迭代次数的关系曲线图查看目标函数值与迭代次数的关系曲线图的步骤如下：右键单击工程树OptimizationSetup1 项，从弹出菜单中选择【 View Analysis Result 】命令，打开“目标 函

26、数值与迭代次数的关系实时显示”对话框。在该对话框中，选择 Plot 项是以图形形 式显示目标函数值与迭代次数的关系，选择 Table 项则是以数值列表形式显示，如图5.9.6 所示。优化分析完成后，在 Table 列表里会列出变量 L2 优化后的最佳值。因此， 我们可以发现 L2 的最优值大约在 14.20mm 。图 5.9.65.9.6优化后的 S 参数扫频结果优化后的 S 参数扫频结果如图 5.9.7 所示。5.9.7优化后的场分布图优化后的场分布图，如图 5.9.8 所示。图 5.9.85.9.8查看 4GHz 频点的 S 矩阵右键单击工程树下的 Results 节点，从弹出菜单中选择【

27、 Solution Data 】命令，在结 果显示窗口中，选择 LastAdaptive ，处选择 Matrix Data 选项卡，选择 Real/Imaginary ， 此时窗口下方即以（实部，虚部）的形式显示耦合器在 4GHz 处的 S 矩阵，如图 5.9.9 所 示。图 5.9.9从结果显示数据中可以得出，数点后两位） ：设计的分支定向耦合器在 4GHz 处的 S 矩阵为 （精确到小六、 加分项6.1二阶分支定向耦合器建模表 6.1.1 中心频率 4Ghz 时带状线参数表标号归一化特性导纳阻抗?L（mm）W（mm）B（mm）150.012.751.6720.414120.80.2630.70770.70.94表 6.1.2 HFSS 模型参数表Structurexyz4*L1L3+W1L1-W2/2L3-W1W1rectangle 3L1-W2/2-W3/2L1+W2/2rectangle 42*L1+W3/2rectangle 53*L1+W2/2SubstractL3+W1+8mmB-4-B/26.2二阶分支定向耦合器仿真结果远远小于设计要求中的 -15dB 。图 6.2.2从 S21 和 S31 的相位图中可以看出， 在中心频率 4GHz 时，二者相位差接近 90 ，误差在 2 范围之内，满足设计要求。