微波集成電路論文解析

1、微波集成電路期末報(bào)告題目：基于左手材料的定向耦合器技術(shù)研究 姓名：楊一學(xué)號(hào)：1040811704專業(yè)：通信工程（微波方向）所在系：電子信息工程系目錄1. 前言3.2. 左手材料的介紹4.2.1 逆多普勒效應(yīng) 4.2.2 負(fù)折射率現(xiàn)象 4.2.3 逆 Goos-Hanchen位移效應(yīng)5.2.4 逆 Cerenkov 輻射效應(yīng) 6.3. 左手材料的發(fā)展 7.3.1 左手材料的概念起源于理論研究 73.2新世紀(jì)初左手材料問世引起矚目 73.3國內(nèi)研制單一結(jié)構(gòu)同時(shí)實(shí)現(xiàn)“雙負(fù)” 84. 微波四端口元器件1.04.1 多端口微波器件簡述 104.2 無耗可逆四端口網(wǎng)絡(luò)的基本性質(zhì) 104.3 定向耦合器基本

2、概念 1.14.3.1 定向耦合器的簡單機(jī)理114.3.2 對(duì)稱理想定向耦合器的散射矩陣 125. 技術(shù)路線155.1 定向耦合器的主要技術(shù)指標(biāo) 155.2耦合度C155.3 隔離度I155.4帶寬的各種定義1.66. 利用An soft HFSS設(shè)計(jì)環(huán)形定向耦合器 1.76.1設(shè)計(jì)要求錯(cuò)誤！未定義書簽。6.2 仿真過程 錯(cuò)誤！未定義書簽。6.3測試結(jié)果與數(shù)據(jù)分析236.4 結(jié)論237. 左手材料應(yīng)用展望24參考文獻(xiàn)251. 刖言本人的論文題目是基于左手材料的定向耦合器技術(shù)研究 。定向耦合器是 一種通用的微波、毫米波部件，可用于信號(hào)的隔離、分離和混合，如功率的監(jiān)測、 源輸出功率穩(wěn)幅、信號(hào)源隔離

3、、傳輸和反射的掃頻測試等。主要技術(shù)指標(biāo)有方向 性、駐波比、耦合度、插入損耗。隨著航空和航天技術(shù)的發(fā)展，要求微波電路和系統(tǒng)做到小型化、輕量化和 性能可靠，于是出現(xiàn)了帶狀線和微帶線。隨后由于微波電路與系統(tǒng)的需要又相繼 出現(xiàn)了鰭線、槽線、共面波導(dǎo)和共面帶狀線等微波集成傳輸線。這樣就出現(xiàn)了各種傳輸線定向耦合器。微波的傳統(tǒng)應(yīng)用是雷達(dá)和通信，這是微波作為信息載體的應(yīng)用?，F(xiàn)在雷達(dá) 大多數(shù)是微波雷達(dá)，利用微波工作的雷達(dá)可以使用尺寸較小的天線，來獲得很窄 的波束寬度，以獲取關(guān)于被測目標(biāo)性質(zhì)的更多的信息。由于微波具有頻率高、頻帶寬、信息量大的特點(diǎn)，所以也被廣泛應(yīng)用于各 種通信業(yè)務(wù)。第一個(gè)真正意義上的定向耦合器由H

4、.A.Wheeler在1944年設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)，Wheeler使用了一對(duì)長為四分之一中心頻率波長的圓柱來實(shí)現(xiàn)電場與磁場的能量 相互耦合，遺憾的是這種方法只能實(shí)現(xiàn)一個(gè)倍頻程的帶寬。本文研究了微波網(wǎng)絡(luò)散射矩陣的計(jì)算，利用仿真軟件An soft HFSS設(shè)計(jì)環(huán)形 混合電橋，進(jìn)而很好的理解和掌握微波集成傳輸線的傳輸特性、 微波元器件的端 口特性、耦合器的參數(shù)等相關(guān)內(nèi)容。經(jīng)過20多年的發(fā)展，HFSS以其無以倫比的仿真精度和可靠性，快捷的仿 真速度，方便易用的操作界面，穩(wěn)定成熟的自適應(yīng)網(wǎng)絡(luò)剖分技術(shù)使其成為高頻結(jié) 構(gòu)設(shè)計(jì)的首選工具和行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)，已經(jīng)廣泛的應(yīng)用于航空、航天、電子、半導(dǎo)體、 計(jì)算機(jī)、通信等多個(gè)領(lǐng)域，幫助

5、工程師們高效的設(shè)計(jì)各種高頻結(jié)構(gòu)，包括：射頻 和微波部件、天線和天線陣及天線罩，高速互連結(jié)構(gòu)、電真空器件，研究目標(biāo)特 性和系統(tǒng)部件的電磁兼容電磁干擾特性， 從而降低設(shè)計(jì)成本，減少設(shè)計(jì)周期，增 強(qiáng)競爭力。42. 左手材料的介紹2.1逆多普勒效應(yīng)在左手材料中所觀測到的頻率變化與常規(guī)介質(zhì)中的效應(yīng)相反。在常規(guī)介質(zhì) 中，當(dāng)觀察者向波源運(yùn)動(dòng)時(shí)，觀察者所測到的頻率要高于波源振動(dòng)的頻率， 這就 是多普勒效應(yīng)；假設(shè)均勻各向同性的左手介質(zhì)中， 一個(gè)波源輻射角頻率為w的電 磁波，它以速度V向著一個(gè)探測器運(yùn)動(dòng)，探測器所接收到的電波的角頻率為(2-1)kv1 -M2 / C、c + v式中，k=n /c，n為左手媒質(zhì)的折

6、射率，如果n=-1，則(2-2)當(dāng)目標(biāo)向著波源運(yùn)動(dòng)時(shí)，反射波的頻率將降低，這與通常媒質(zhì)相反，被稱為 逆多普勒效應(yīng)。逆多普勒效應(yīng)有著廣泛的應(yīng)用前景，可用于制備小型化、價(jià)格便宜、產(chǎn)生千 兆赫高頻電磁脈沖的裝置。世界各地的研究人員正在研究用于材料非破壞性實(shí)驗(yàn) 的高頻系統(tǒng)，但傳統(tǒng)千兆赫電磁波發(fā)生器不僅笨重、 成品高昂，且產(chǎn)生的頻寬較 窄。左手材料的逆多普勒效應(yīng)有望對(duì)該領(lǐng)域產(chǎn)生革命性的影響。2.2負(fù)折射率現(xiàn)象在自然物質(zhì)中，折射光線總是與入射光線分別位于法線的兩側(cè)，但當(dāng)電磁波經(jīng)過正常材料與左手材料分界面的時(shí)候，就會(huì)有令人吃驚的現(xiàn)象發(fā)生。電磁波從介質(zhì)1射向介質(zhì)2在界面處要滿足maxwell方程的邊界條件：E

7、t1 = Et2(2-3)Ht1 =已2(2-4)Hni - 4Hn2其中t代表切向分量，n代表法相分量。由折射定律sinn22二 2 *sin I n . “ 叫(2-6)(2-7)10,丄10, 2 : 0,丄2 : 0(2-8)可知，當(dāng)介質(zhì)1是正常材料，而2是左手材料時(shí)，即18時(shí)，界面上的EH的平行分量的方向是一致的，而垂直分量的方向卻反了過 來，再加上在介質(zhì)2內(nèi)k,E,H三者遵守左手定律，因而在界面上就會(huì)發(fā)生反常的 折射：折射光與入射光出現(xiàn)在界面法線的同一側(cè)。于是定義左手材料的折射率為負(fù)值(2-9)因此左手材料又被稱為“負(fù)折射率”2.3逆Goos-Hanchen位移效應(yīng)sinc電磁波從

8、光密媒質(zhì)入射到光疏媒質(zhì)時(shí)，當(dāng)入射角等于布儒斯特角時(shí)，即(2-10)將會(huì)發(fā)生全反射。全反射光束在介質(zhì)的分界面上將沿入射光波波矢量的平行 分量發(fā)生側(cè)向位移現(xiàn)象，這一現(xiàn)象最早由牛頓提出，并由Goos和Hanchen在實(shí)驗(yàn)上得到驗(yàn)證，因此命名為 Goos-Hanchen位移。但如果介質(zhì)2為左手材料時(shí)， 且|n 2| n1時(shí)，也會(huì)發(fā)生全反射，此時(shí)的反射光束同樣在界面上發(fā)生側(cè)向位移， 但是位移的方向與入射波波矢量的平行分量反向，這主要是因?yàn)樽笫植牧系呢?fù)相速的緣故，該現(xiàn)象就被稱為逆 Goos-Ha nche n位移效應(yīng)。2.4逆Cerenkov輻射效應(yīng)在真空中，勻速運(yùn)動(dòng)的帶電粒子不會(huì)輻射電磁波， 而當(dāng)一個(gè)帶

9、電粒子在介質(zhì) 中運(yùn)動(dòng)時(shí)會(huì)在其周圍引起誘導(dǎo)電流， 從而在其路徑上形成一系列次波源， 分別發(fā) 出次波。當(dāng)粒子速度超過介質(zhì)中光速時(shí)，這些次波相互干擾，從而輻射出電磁波， 稱為切倫科夫輻射。在正常的右手材料中，干涉形成的波前，即等相位面是一個(gè) 錐面，電磁波能量沿此錐面的法相方向輻射出去，是向前輻射的，形成一個(gè)向后的錐角，即能量輻射的方向與粒子運(yùn)動(dòng)方向的夾角二，可由下式計(jì)算得出：ccos(2-11)nv其中v是粒子運(yùn)動(dòng)的速度。但在左手介質(zhì)中，由于能量的傳播方向與相位的 傳播方向正好相反，因而輻射將背向粒子的運(yùn)動(dòng)方向發(fā)出， 輻射方向形成一個(gè)向 前的錐角，這就是逆Cerenkov輻射效應(yīng)。3. 左手材料的發(fā)

10、展3.1左手材料的概念起源于理論研究1967年，前蘇聯(lián)物理學(xué)家Veselago發(fā)表論文，首次報(bào)道了在理論研究中對(duì)物 質(zhì)電磁學(xué)性質(zhì)的新發(fā)現(xiàn)，即：當(dāng)&和卩都為負(fù)值時(shí)，電場、磁場和波矢之間構(gòu)成 左手關(guān)系。他稱這種假想的物質(zhì)為左手材料。電磁波在左手材料中的行為與在右 手材料中相反，如光的負(fù)折射、負(fù)的切連科夫效應(yīng)、反多普勒效應(yīng)等。材料世界 從此翻開新的一頁。在這一具有顛覆性的概念被提出后的三十年里， 在自然界并未發(fā)現(xiàn)實(shí)際的左 手材料。直到將近新世紀(jì)時(shí)才出現(xiàn)轉(zhuǎn)機(jī)。20世紀(jì)90年代，英國科學(xué)家Pendry等人受到光子晶體研究的啟發(fā)，提出了分別實(shí)現(xiàn)負(fù)介電常數(shù)和負(fù)磁導(dǎo)率介質(zhì)的理 論模型，重新開啟了該領(lǐng)域的研究。

11、Pen dry研究發(fā)現(xiàn)周期性排列的導(dǎo)電金屬線 對(duì)電磁波的響應(yīng)與等離子體對(duì)電磁波的響應(yīng)行為極為相似，通過此種方法獲得介電常數(shù)&為負(fù)的材料，從此人們開始對(duì)這種材料投入研究興趣。周期排列的金屬線結(jié)構(gòu)如圖1所示。2002年底，麻省理工學(xué)院孔金甌教授從理論上證明了左手材料存在的合理性，并稱這種人工介質(zhì)可用來制造高指向性的天線、聚焦微波波 束、實(shí)現(xiàn)“完美透鏡”、用于電磁波隱身等。3.2新世紀(jì)初左手材料問世引起矚目2000年，美國Smith等首次利用開口諧振環(huán)（SRR和電諧振器（如開口金 屬線）組成的陣列實(shí)現(xiàn)了“雙負(fù)”材料。 2002年7月，瑞士 ETHZ實(shí)驗(yàn)室的科 學(xué)家們宣布制造出三維的左手材料。美國衣阿

12、華州立大學(xué)（Iowa StateUniversity ）的S. Foteinopoulou 發(fā)表了利用光子晶體做為介質(zhì)的左手物質(zhì)理 論仿真結(jié)果。美國麻省理工學(xué)院的E.Cubukcu和K.Aydin在自然雜志發(fā)表文 章，描述了電磁波在兩維光子晶體中的負(fù)折射現(xiàn)象的實(shí)驗(yàn)結(jié)果。 左手材料的研制 進(jìn)入了美國科學(xué)雜志評(píng)出的 2003年度全球十大科學(xué)進(jìn)展，引起全球矚目。2004年，國際學(xué)術(shù)界開始出現(xiàn)中國科學(xué)家的身影。復(fù)旦大學(xué)的資劍教授領(lǐng) 導(dǎo)的研究小組經(jīng)過兩年的研究與設(shè)計(jì)，利用水的表面波散射成功實(shí)現(xiàn)了左手介質(zhì) 超平面成像實(shí)驗(yàn)，論文發(fā)表于著名的美國物理評(píng)論雜志上，引起學(xué)術(shù)界的高 度關(guān)注。2004年,俄羅斯莫斯科

13、理論與應(yīng)用電磁學(xué)研究所宣布用左手材料研制成功一 種具有超級(jí)分辨率的鏡片，這種鏡片可以構(gòu)成不會(huì)丟失信息、將所有能量完全復(fù) 制到成像點(diǎn)的完美透鏡(Perfect Lens)。其原理是左手介質(zhì)中能流方向和波矢 方向相反，左手介質(zhì)中倏逝波表現(xiàn)為指數(shù)增強(qiáng)場，相當(dāng)于透鏡對(duì)波進(jìn)行了放大。 同年，加拿大多倫多大學(xué)的科學(xué)家制造出一種左手鏡片，其工作原理與具有微波波長的射線有關(guān)，這種射線在電磁波頻譜緊鄰無線電波。 兩國科學(xué)家的研究成果 被美國物理學(xué)會(huì)評(píng)為2004年度國際物理學(xué)會(huì)最具影響的研究進(jìn)展。2005年，美國印第安那州普渡大學(xué)首次成功開發(fā)了波長1.5卩m的紅外線區(qū)域呈現(xiàn)負(fù)折射率的人造介質(zhì)左手性特異材料。波長為

14、1.5卩m的紅外線在光通信領(lǐng)域已被廣泛采用。在光通信控制技術(shù)方面，此前的研究熱點(diǎn)是硅微細(xì)線光導(dǎo) 波路及光子結(jié)晶，而此次LHMs的開發(fā)成功，則提供了一種全新的光控方法。2008年,德國斯圖加特大學(xué)Liu等制備了多層的U形金納米環(huán)結(jié)構(gòu)，分別 在120 THz和200 THz附近實(shí)現(xiàn)了負(fù)的介電常數(shù)和負(fù)的磁導(dǎo)率。利用雙模板輔助 化學(xué)電沉積法制備了周期性排列的金屬銀樹枝陣列，發(fā)現(xiàn)其在紅外波段具有很強(qiáng)的透射通帶，并且在對(duì)應(yīng)頻率表現(xiàn)出明顯的平板聚焦效應(yīng)， 得到了紅外波段的左 手材料。這是首次利用化學(xué)方法制備左手材料，對(duì)左手材料的發(fā)展起到了巨大推動(dòng)作用。同年美國加州大學(xué)伯克利分校 Vale ntine等用多層

15、魚網(wǎng)結(jié)構(gòu)第一次在 紅外波段實(shí)現(xiàn)三維的LHM，并通過棱鏡折射實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了其負(fù)折射行為。但是， 由于LHM的結(jié)構(gòu)單元遠(yuǎn)小于波長，目前的刻蝕工藝已經(jīng)嚴(yán)重制約了光波段LHM的進(jìn)一步發(fā)展。3.3國內(nèi)研制單一結(jié)構(gòu)同時(shí)實(shí)現(xiàn)“雙負(fù)”利用SRR環(huán)和開口金屬線組成陣列分別實(shí)現(xiàn)負(fù)磁導(dǎo)率和負(fù)介電常數(shù)，這種組陣方式的復(fù)雜性增加了制作難度。 能否通過單一結(jié)構(gòu)同時(shí)實(shí)現(xiàn)“雙負(fù)” ？國內(nèi)研 究者進(jìn)行了嘗試。已經(jīng)報(bào)道的有浙江大學(xué)的“ S形，復(fù)旦大學(xué)的“工”形， 西北工業(yè)大學(xué)的“ H形等。2008年6月，西安交通大學(xué)采用一種“巨”字形結(jié) 構(gòu)，利用絲網(wǎng)印刷在氧化鋁基板上進(jìn)行加工制作，獲得同時(shí)具有磁諧振和電諧 振結(jié)構(gòu)組成的左手材料。這種

16、單一結(jié)構(gòu)制作方便，雙負(fù)頻段較寬。通過模擬與測 試，單一結(jié)構(gòu)中能同時(shí)出現(xiàn)電諧振和磁諧振，并且由于諧振負(fù)區(qū)的重合而形成“雙 負(fù)”區(qū)域。采用絲網(wǎng)印刷制作的“巨”字結(jié)構(gòu)樣品如圖3-2所示。圖3-2氧化鋁底板測試樣品2008年8月，西北工業(yè)大學(xué)理學(xué)院趙曉鵬研究組在紅外波段左手材料制備方 面的研究取得新進(jìn)展。采用雙模板輔助化學(xué)電沉積制備金屬銀樹枝狀結(jié)構(gòu)陣列， 制備出大面積（平方厘米級(jí)）紅外左手材料。2009年9月，趙曉鵬研究組制備出藍(lán)光波段左手材料。采用雙模板輔助化學(xué)電沉積法，以聚苯乙烯小球?yàn)槌跫?jí)模 板，二維ZnO有序多孔薄膜為二級(jí)模板，制備了銀樹枝狀結(jié)構(gòu)陣列，同時(shí)還研 究了沉積電壓對(duì)ZnO有序多孔薄膜質(zhì)

17、量和銀樹枝形貌的影響。在最佳條件下制 備了大面積（2cm）銀樹枝狀結(jié)構(gòu)的周期性陣列，可見光透射峰的出現(xiàn)和聚焦實(shí) 驗(yàn)證實(shí)制備的銀樹枝狀結(jié)構(gòu)陣列在藍(lán)光波段 480 nm處實(shí)現(xiàn)了左手效應(yīng)。4. 微波四端口元器件4.1多端口微波器件簡述任何一個(gè)微波系統(tǒng)都是由很多功能不同的微波器件和有源電路組成，微波器件在系統(tǒng)中起著微波能量的定向傳輸、分配、衰減、儲(chǔ)存、隔離、濾波、相位 控制、波形轉(zhuǎn)換、阻抗匹配與變換的作用。微波器件的種類繁多，按導(dǎo)行系統(tǒng)結(jié) 構(gòu)分類，可分為波導(dǎo)型、同軸線型、微帶線型等；按工作波形分類，可分為單模 元件和多模元件；按功能分類，分為：匹配元件、連接元件、定向耦合元件、濾 波元件、衰減與相移元

18、件、諧振器等。按端口的數(shù)目分為單端口、雙端口、n端口器件。如按網(wǎng)絡(luò)特性分類，則分為：線性與非線性網(wǎng)絡(luò)、互易與非互易網(wǎng)絡(luò)、 有耗與無耗網(wǎng)絡(luò)、對(duì)稱與非對(duì)稱網(wǎng)絡(luò)。與低頻電路的設(shè)計(jì)不同，微波系統(tǒng)無論有源還是無源，都必須考慮阻抗匹配問題，阻抗匹配網(wǎng)絡(luò)是設(shè)計(jì)微波電路與系統(tǒng)時(shí)采用最多的電路元件。這主要是由于微波電路傳輸?shù)氖码姶挪ǘ皇堑皖l電路的電壓和電流。如不匹配，將會(huì)引起反射，造成傳輸能量的損失。本文研究的是微波多端口器件，它們?cè)谖⒉▊鬏?系統(tǒng)中有多個(gè)端口與傳輸線或其他器件相連， 如果器件不匹配，在接頭處會(huì)引起 不同程度的反射，造成傳輸能量的損耗，使器件性能變差。所以，匹配的性能良 好的微波器件是所追求的

19、目標(biāo)。傳統(tǒng)制作微波器件方法是手工計(jì)算與實(shí)驗(yàn)調(diào)整相結(jié)合。但由于微波器件本 身就有很多沒有或者無法細(xì)致考慮的因素， 因此，設(shè)計(jì)微波器件的主要難點(diǎn)是在 進(jìn)行多次計(jì)算優(yōu)化設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)上，還要經(jīng)行大量細(xì)致的調(diào)試工作。因?yàn)槲⒉üぷ?頻率高，元件尺寸小，尺寸稍有偏差，微波器件性能就可能發(fā)生很大的變化。當(dāng) 然調(diào)試優(yōu)化工作可以由仿真軟件協(xié)助完成。 微波系統(tǒng)的設(shè)計(jì)越來越復(fù)雜，對(duì)電路 的性能要求越來越高，電路的功能越來越多，電路的尺寸要求越做越小，而設(shè)計(jì) 周期越來越短，傳統(tǒng)的設(shè)計(jì)方法已經(jīng)不能滿足系統(tǒng)設(shè)計(jì)的需要，使用微波EDA 軟件進(jìn)行微波元器件與微波系統(tǒng)的設(shè)計(jì)已經(jīng)成為微波電路設(shè)計(jì)的必然趨勢(shì)。4.2無耗可逆四端口網(wǎng)絡(luò)的

20、基本性質(zhì)（1）無耗可逆四端口網(wǎng)絡(luò)可以完全匹配，且為一個(gè)理想定向耦合器。（2）有理想定向性的無耗可逆四端口網(wǎng)絡(luò)不一定四個(gè)端口均匹配，故四個(gè) 端口匹配時(shí)定向耦合器的充分條件，而不是必要條件。（3）有兩個(gè)端口匹配且互易隔離的無耗可逆四端口電路必為一個(gè)理想的定 向耦合器。4.3定向耦合器基本概念定向耦合器是微波系統(tǒng)中應(yīng)用最廣泛的元件：它是一種具有方向性功率分 配器。它的結(jié)構(gòu)形式是多種多樣的，它用于提取波導(dǎo)系統(tǒng)中的部分能量以便監(jiān)視 該系統(tǒng)的功率、頻率和匹配情況，或觀察脈沖形狀和比較相位，或用在微波鑒頻 器中以穩(wěn)定微波源，有時(shí)在微波接受系統(tǒng)中，用以向微波系統(tǒng)引入本機(jī)震蕩能量。定向耦合器的種類繁多，結(jié)構(gòu)迥異

21、，分析方法也不盡相同，按傳輸線類型 分，有波導(dǎo)定向耦合器、同軸線定向耦合器、帶狀線或微帶定向耦合器等；按耦 合輸出方向分，有同向定向耦合器和方向定向耦合器等；按耦合強(qiáng)弱分，有強(qiáng)耦合定向耦合器和弱耦合定向耦合器等。 盡管如此，所有類型的定向耦合器都有共 通的特性：當(dāng)其中一端口有微波能輸入時(shí)，其余三端口之一應(yīng)無輸出。定向耦合器常用于對(duì)規(guī)定流向微波信號(hào)進(jìn)行取樣。在無內(nèi)負(fù)載時(shí)，定向耦 合器往往是一四端口網(wǎng)絡(luò)。定向耦合器常有兩種方法實(shí)現(xiàn)，一為耦合定向耦合器， 其耦合區(qū)長度為四分之一的整數(shù)倍，其直接輸出和耦合輸出端口在結(jié)構(gòu)上不相 鄰，輸出相位差往往是90度或180度，剩余的一個(gè)端口稱為隔離端，理論上隔 離

22、端不輸出任何能量。另一種為分支線定向耦合器，兩輸出端口結(jié)構(gòu)上相鄰，輸 出相位差也可以實(shí)現(xiàn)90度或180度，常用語強(qiáng)耦合場合。參數(shù)說明：耦合度： 當(dāng)其余端口接匹配負(fù)載時(shí)，耦合端輸出功率與主線輸入功率之比。 耦合損耗：由 于一定能量傳輸?shù)今詈隙硕鹬骶€輸出功率減小，它等于主線插入損耗的理論 值。主線損耗：當(dāng)匹配負(fù)載接主線外各端口時(shí)，主線插入損耗包括能量耦合損耗 和能量耗散損耗兩方面。方向性：當(dāng)功率在指定方向上傳輸時(shí)，耦合端口的輸出 功率與同樣功率在相反方向傳輸時(shí)同一耦合端口的輸出功率之差。同樣，在耦合器上標(biāo)注的功率是指輸入端口的最大輸入功率， 輸出口和耦合端口不能用標(biāo)注的 最大功率輸入。輸出口和

23、耦合端口的最大輸入功率由耦合度和負(fù)載電阻決定。431定向耦合器的簡單機(jī)理圖4-1給出了波導(dǎo)窄壁雙孔定向耦合功率的原理圖。圖中耦合孔位于波導(dǎo)的公共窄壁上，兩孔大小形狀相同，間距為 g/ 4,若功率從端口 1輸入，則稱端 口 1和2之間的波導(dǎo)為主導(dǎo)，端口 3和4之間的波導(dǎo)為副波導(dǎo)。振幅為 al的入 射波，攜帶功率P1由端口 1輸入，經(jīng)小孔耦合，在副波導(dǎo)中激勵(lì)起向左右方 向傳輸?shù)膬蓚€(gè)波，在圖中標(biāo)明為 a波和b波。有典型波導(dǎo)中TE10模的場型分布 可知，這里的小孔耦合主要是磁耦合，這種單一的磁耦合是不可能有方向性的， 所以a波和b波兩者幅度相等，均為k|a1|,這里k 1,稱之為耦合系數(shù)。由于k 0,

24、D：。實(shí)用中常對(duì)通帶中的D提出一個(gè)最低要求，例如大于 20dB。除了上面兩個(gè)主要的參量外，一般還有隔離度，以及作為功率輸入的1端口反射系數(shù)S11等。隔離度與方向性和耦合度的關(guān)系是D=C+I式（5-4）5.4帶寬的各種定義耦合器的帶寬是指耦合器在一定條件下能滿足一定技巧指標(biāo)要求的工作頻 率范圍，包括絕對(duì)帶寬、相對(duì)帶寬、倍頻程和帶寬比。絕對(duì)帶寬的定義是maxmin式（5-5）式中fmax表示耦合器的最高工作頻率,fmin表示耦合器的最低工作頻率。33相對(duì)帶寬的定義是相對(duì)帶寬=X00% f式（5-6）式中f （ fmax - fmin”2為中心工作頻率倍頻程的定義為max2n式（5-7）min其中n

25、就是指倍頻程帶寬比的定義是B 二式（5-8）6. 利用Ansoft HFSS設(shè)計(jì)環(huán)形定向耦合器6.1設(shè)計(jì)要求設(shè)計(jì)要求如下：1. 輸入端口的特性阻抗50歐姆;2 輸出端口的特性阻抗50歐姆;3. 中心頻率f=0.9GHz;4. 頻帶 0.8GHz1.0 GHz;5. 散射參數(shù)兩個(gè)輸出端口 3dB6.2仿真過程1.運(yùn)行HFSS并新建工程，設(shè)置求解類型。設(shè)置當(dāng)前設(shè)計(jì)為終端驅(qū)動(dòng)求解類型如圖6-1Solutrcn Type： Projectl - HFSSDesignl廣 Driven ModalDrivenTErmin呂I廠 EigenmodeT ransientL卩企|肌樸孫陽*OKCancel |

26、E:U圖6-1設(shè)置求解類型2. 設(shè)置默認(rèn)的長度單位為毫米單位。如圖6-2Set Model UnitsMWSelect units:mmRescale to new unihCancel圖6-2 “長度單位設(shè)置”對(duì)話框3.建模相關(guān)選項(xiàng)設(shè)置如圖6-3Moddtr OptionsOp er at i on - Display Er awingGr i dI Ver t ex：破 Edge Canteri7 Face CenterM QuadrantArc CentMaus *Show measure di a2 oOpera.tioit Data Entry Mode* Pointf Eialog

27、.Use F3/F4 to ewitch. between point and diaXog：7 Edi t properti es o pr i確走 1 取消圖 6-3 Modeler Options對(duì)話框4.定義變量length 。定義一個(gè)設(shè)計(jì)變量length，設(shè)置其初始值為24.5mm如圖6-4圖6-4添加設(shè)計(jì)變量5.添加新材料。如圖6-5向材料庫中添加新的介質(zhì)材料，并設(shè)置其為建模時(shí)使用的默認(rèn)材料；新添加材料的相對(duì)介電常數(shù)為2.33，介質(zhì)損耗正切為0.000429。心Ed t MaterialMaterial NameMy_SubNameTypeVfllueUnitsRelative P

28、ermittivitySimple2 33Relative Permeabilili*Simple1Bulk ConductivitySimple0sienens/mDielectric Lo強(qiáng) Tangert Simple0.000429Magnetic Losj Tanger# Simple0Magnetic SaturationSimple0teslaLande G FactorSimple2Delta HSimple0A_pei_meter-Meesured FrequencySimple$44*009 HzMasa DensitySimple0kg/m3Properties of t

29、he MaterialView/Edit Material fix(* Active DesignThis ProductAH BoductsWe防Edit Modifier forThermal ModifierValidate MaterialSet Frequency Dependency| CalcUate Property for：Reset I OKCancel圖 6-5 View/Edit Material 對(duì)話框6. 創(chuàng)建帶狀線介質(zhì)層模型圖6-6所示的對(duì)話框，對(duì)話框中輸入數(shù)字6,表示創(chuàng)建的是正六邊體模型Segment numberN umber of segmeni?:Canc

30、el圖 6-6 Segment Number 對(duì)話框r4Propeftnes: Project 1 - HFSSDesignl - M&deferCtHTMaad i AttriUtt |VtlutUnitE炮吐4：沁V.”.DescriptionCcrimAiiilCr p*七 eRo-gTil lurPlyhedrCtardina.GlobalCenter Fbs.0 ,0 ,1.1mOhm 丿 Qnii.Stat Fosi .Length/ C30dE)Oum28 29016319Axis.2Hi gh-t2.28Snm2. 266rnnHwiber of .6&圖6-7 屬性”對(duì)話框C

31、omman（選項(xiàng)卡界面圖6-8 “屬性”對(duì)話框的Attribute選項(xiàng)卡界面設(shè)置Q24501 mm圖6-9新建的正六邊體模型7.創(chuàng)建帶狀線金屬層模型圖6-10 (a)創(chuàng)建矩形面圖6-10 (b)復(fù)制矩形面圖6-10 ( c)創(chuàng)建模型圖6-10 (d)生成完整的環(huán)形帶狀線模型圖6-10環(huán)形帶狀線生成過程8.設(shè)置環(huán)形帶狀線Trace為理想導(dǎo)體邊界。如圖6-11圖6-11設(shè)置環(huán)形帶狀線Trace為理想導(dǎo)體邊界6.3測試結(jié)果與數(shù)據(jù)分析圖6-12環(huán)形電橋的S參數(shù)曲線結(jié)果說明：由圖6-12可以看出在0.9GHz處端口 1和端口 4的輸出分量分 別為-7.18dB和-11.75dB，而端口 2和端口 3的輸出分別為-3.65dB和-5.10dB c 達(dá)到設(shè)計(jì)指標(biāo)要求。6.4結(jié)論由于分布參數(shù)的影響，在耦合器的仿真中存在著很多的諧振點(diǎn)，在這次的設(shè)計(jì)中沒有找到好的解決方案。這得留待以后更深入的研究。7. 左手材料應(yīng)用展望對(duì)左手材料的研究已從微波發(fā)展到太赫茲以及光波段。微波段左手材料廣泛應(yīng)用于微波器件，如微波平板聚焦透鏡、帶通濾波器、耦合器、寬帶相移器、微 帶巴倫功分器、諧振器、移相器和天線等。這些器件應(yīng)用于各種武器裝備，可以 提高其性能。左手材料在天線上的應(yīng)用很有吸引力，因?yàn)楦哽`敏度和方向性好