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基于HFSS分支定向耦合器设计实验报告学院电子科学与工程学院姓名学号指导教师2016年10月27日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，要求输入输出端口阻抗为50?。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。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?）设计思路注意事项传输线特性阻抗的计算电长度与物理长度的换算基于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，带状线的物理长度，特征阻抗时对应的带状线宽度,特征阻抗时对应的带状线宽度。分支定向耦合器的模型如图5.2.1所示。图5.2.1分支定向耦合器模型图5.2.2 HFSS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。5.2.3 HFSS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工程运行HFSS 并新建工程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【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Name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，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Val