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1、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日目录一、实验目的1二、设计任务1三、设计思路1四、注意事项1五、基于HFSS分支定向耦合器设计过程25.1 分支定向耦合器简介25.2 使用HFSS设计分支定向耦合器25.2.1 分支定向耦合器的理论计算25.2.2 HFSS设计简介25.2.3 HFSS设计环境概述35.3 新建HFSS工程35.4 创建分支定向耦合器模型35.4.1 设置默认的单位长度35.4.2 定义变量45.4.3 添加新材料45.4.4 创建带状线金属层模型55.4.5 创建带状线介质层模型65.5 分
2、配边界条件和激励75.6 求解设置85.6.1 单频求解设置85.6.2 扫频设置95.7 设计检查和运行仿真分析105.8 查看仿真分析结果105.8.1 查看S参数扫频结果105.9 分支定向耦合器的优化分析115.9.1 新建一个优化设计工程115.9.2 参数化分析设置和仿真分析115.9.3 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17一、 实验目
3、的l 了解分支定向耦合器电路的原理及设计方法。l 学习使用HFSS软件进行微波电路的设计、优化和仿真。二、 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S11-10dB，隔离端口S41-10dB，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（N2），匹配隔离良好S11-15dB，S41-15dB，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）3.
4、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.
5、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g4=12.75mm，特征阻抗Z0=50时对应的带状线宽度W50=2.51mm, 特征阻抗Z0=35.4时对应的带状线宽度W50=4.08mm。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
6、。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:l 模型原型：长方体、矩形面l 模型操作：复制操作、合并操作、相减操作边界条件和激励：l 边界条件：理想导体边界l 端口激励：波端口激励求解设置：l 求解频率：4GHzl 扫频设置：快速扫频，扫频范围1-7GHz后处理：S参数扫频
7、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【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（
8、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，
9、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Value值处输入相对介电常数2.16，Dielectric L
10、oss Tangent 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rectanglestrat_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）：图5.4.43. 画出端口图形如下所
11、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_pointXsizeYsizeZsize(-6,-3,-1.5)L1+W2+12mmL2+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
12、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，
13、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4GH
14、z；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0.02，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
15、 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Frequency 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
16、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。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
17、节点，在弹出菜单中选择【Create Terminal 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1-7GHz 范围内随频率的变化曲线报告如图5.8.2所示。图5.8.1
18、图5.8.2在未优化前，我们可以从上图中看出S11、S41在4Ghz处并未满足设计要求，下面我们对结果进行优化。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
19、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 Sweep 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
20、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Calculations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。图5.9.23 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
21、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【Create 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)，F
22、unction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-10dB。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】
23、，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。Acceptable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。图5.9.4（4） 设置优化变量。选择Variables选项卡，在Variab
24、le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5.9.5（5） 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 aft
25、er optimization 复选框。选择Options 选项卡，确认清空Save fields 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
26、单中选择【View Analysis Result】命令，打开“目标函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。图5.9.7从S参数扫频结果图中可以看出，在4GHz频点处的S11=-22dB、S41=-44dB，满足设计要求，并且从1端口到2端口，从1端口到3端
27、口均有3dB左右的衰减。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【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，设计的分支定向耦合器在4GHz处的S矩阵为（精确到小数点后两位）：S0.01+j0.08-0.69-0.09+j0.710
28、.01-0.690.01+j0.070.01+j0.02-0.09+j0.71-0.09+j0.710.01+j0.020.01-j0.05-0.67-j0.170.01-0.09+j0.71-0.67-j0.170.01-j0.04S0-0.7j0.70-0.700j0.7j0.700-0.70j0.7-0.70S120-1j0-100jj00-10j-10六、 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)1150.0 12.75 1.67 220.414120.8 12.75 0.26 230.7077
29、0.7 12.75 0.94 2表6.1.2 HFSS模型参数表StructureXsizeYsizeZsizexyzrectangle_14*L1L3+W1000rectangle_2L1-W2/2L3-W10W10rectangle_3L1-W2/2-W3/2L3-W1L1+W2/2W10rectangle_4L1-W2/2-W3/2L3-W12*L1+W3/2W10rectangle_5L1-W2/2L3-W13*L1+W2/2W10Substract4*L1L3+W1+8mmB0-4-B/2图6.1.1 二阶分支定向耦合器模型图6.2二阶分支定向耦合器仿真结果图6.2.1从仿真结果图中可以看出，在中心频率4GHz时，S21和S31之差在0.1dB以内，S11与S41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。18