9.1-9.2 環(huán)形定向耦合器簡介和HFSS設(shè)計概述

    9.1 環(huán)形定向耦合器簡介

    環(huán)形定向耦合器是由周長為3/2 個導(dǎo)波波長的閉合圓環(huán)和4 根輸入/輸出傳輸線相連接而構(gòu)成的，與圓環(huán)相連接的4 根傳輸線的特征阻抗為Z0，圓環(huán)的特征阻抗為，端口①到 端口②、端口①到端口④、端口③到端口④之間的長度為 1/4 個導(dǎo)波波長，端口②到端口③ 之間的長度為 3/4 個導(dǎo)波波長。圖 9.1 給出了微帶線或帶狀線結(jié)構(gòu)環(huán)形定向耦合器的示意圖。當(dāng)微波信號由端口①輸入，端口②、端口③、端口④皆接匹配負載時，輸入信號功率可以等分成兩部分，分別由端口②和端口④輸出，端口③無信號輸出，端口①和端口③彼此隔離。

圖 9.1 環(huán)形定向耦合器示意圖

    環(huán)形定向耦合器的散射矩陣可以表示為：

    9.2 使用 HFSS 設(shè)計環(huán)形定向耦合器概述

    本章使用 HFSS 軟件設(shè)計一個環(huán)形定向耦合器，此環(huán)形耦合器使用帶狀線結(jié)構(gòu)。耦合器的工作頻率為 4GHz，帶狀線介質(zhì)層厚度為2.286mm，介質(zhì)材料的相對介電常數(shù)和損耗正切分別為 2.33 和 0.000429；帶狀線的金屬層位于介質(zhì)層的中央；端口負載皆為標準的50歐姆。環(huán)形耦合器的 HFSS 模型如圖 9.2 所示。

圖 9.2 環(huán)形耦合器在HFSS 中的模型

    9.2.1 耦合器的理論計算

    使用帶狀線計算工具（如 Agilent 公司 Advanced Design System 的Linecalc 工具，AWR 公司Microwave Office 的 TXLine 工具或者微波EDA網(wǎng)提供的帶狀線在線計算工具——網(wǎng)址： http://kaiqijixie.cn/tools/tools_109.html），可以計算出在上述設(shè)計條件下，帶狀線的導(dǎo)波波長為49.13mm，特征阻抗 Z0 = 50 時對應(yīng)的帶狀線寬度 W50 = 1.78mm ，特征阻抗  = 70.7歐姆時對應(yīng)的帶狀線寬度W70.7 = 0.98mm 。

    9.2.2 HFSS 設(shè)計簡介

    此環(huán)形耦合器使用帶狀線結(jié)構(gòu)，因此HFSS工程可以采用終端驅(qū)動求解類型。4個端口都與背景相接觸，所以采用波端口激勵，且端口負載阻抗設(shè)置為50歐姆。為了簡化建模操作以及節(jié)省計算時間，帶狀線的金屬層使用理想薄導(dǎo)體來實現(xiàn)，即通過創(chuàng)建二維平面然后給二維平面指定理想導(dǎo)體邊界條件來模擬帶狀線的金屬層；帶狀線的金屬層位于介質(zhì)層的中央。在 HFSS 中，與背景相接觸的表面會自動設(shè)置為理想導(dǎo)體邊界，因此帶狀線上下兩邊的參考地?zé)o須額外指定，直接使用默認的理想導(dǎo)體邊界即可。

    與圓環(huán)相連接的 4 根帶狀傳輸線長度取1/4 個波長，即 12.28mm，圓環(huán)外徑為12.22mm， 因此傳輸線終端到圓心的距離為24.5mm，正六邊體的外接圓半徑設(shè)置為24.5/cos(30°)mm。 為了能自由改變端口傳輸線的長度，定義一個設(shè)計變量 length 表示傳輸線終端到圓心的距離，變量的初始值取 24.5mm。

    耦合器的工作頻率為4GHz，所以在進行求解設(shè)置時，自適應(yīng)網(wǎng)格剖分頻率設(shè)置為4GHz。 另外，為了查看定向耦合器在工作頻率兩側(cè)的頻率響應(yīng)，需要在設(shè)計中添加 1～7GHz 的掃頻設(shè)置。

    9.2.3 HFSS 設(shè)計環(huán)境概述

    >> 求解類型：終端驅(qū)動求解

    >> 建模操作：正多邊體、矩形面、圓面、復(fù)制操作、合并操作、相減操作 

    >> 邊界條件邊界條件：理想導(dǎo)體邊界 

    >> 端口激勵：波端口激勵

    >> 求解設(shè)置：求解頻率 4GHz 

    >> 掃頻設(shè)置：快速掃頻，頻率范圍為 1～7GHz

    >> 后處理：S 參數(shù)掃頻曲線、S 矩陣

    下面就來詳細介紹具體的設(shè)計操作和完整的設(shè)計過程。