基于HFSS分支定向耦合器設計

1、精選優(yōu)質文檔-傾情為你奉上基于HFSS分支定向耦合器設計實驗報告 學 院 電子科學與工程學院 姓 名 學 號 指導教師 2016年10月27日目錄專心-專注-專業(yè)一、 實驗目的l 了解分支定向耦合器電路的原理及設計方法。l 學習使用HFSS軟件進行微波電路的設計、優(yōu)化和仿真。二、 設計任務1. 課題內容運用功分器設計原理，利用HFSS軟件設計一個90（180）分支定向耦合器2. 實現(xiàn)方式自選一種或多種傳輸線實現(xiàn)，如微帶線、同軸線、帶狀線，要求輸入輸出端口阻抗為50。3. 基本要求實現(xiàn)一個單階90分支定向耦合器的設計，帶內匹配S11-10dB，隔離端口S41-10dB，任選一種微波傳輸線結構實現(xiàn)

2、，中心工作頻率為4.0GHz。4. 加分項多階（N2），匹配隔離良好S11-15dB，S41-15dB，功率不等分，多種傳輸線實現(xiàn)，帶阻抗變換功能（輸出端口阻抗不為50）3.三、 設計思路四、 注意事項1. 傳輸線特性阻抗的計算2. 電長度與物理長度的換算五、 基于HFSS分支定向耦合器設計過程5.1 分支定向耦合器簡介定向耦合器是把兩根傳輸線放置在足夠近的位置使得一條線上的功率可以耦合到另一條線上的元件。它的兩個輸出端口的信號幅度可以相等也可以不等，一種應用特別廣泛的耦合器是 3dB 耦合器，這種耦合器的兩個輸出端口輸出信號的幅度是相等的。5.2 使用HFSS設計分支定向耦合器本節(jié)使用HFS

3、S軟件設計一個分支定向耦合器，此外分支定向耦合器使用帶狀線結構。分支定向耦合器的工作頻率為4GHz，帶狀線介質厚度為3mm，介質材料的相對介電常數(shù)為2.16，損耗角正切為0.001；帶狀線的金屬層位于介質層的中央；端口匹配負載均為50。5.2.1 分支定向耦合器的理論計算使用AWR公司Microwave Office的TXLine工具，可以計算出在上述設計條件下，帶狀線的物理長度g4=12.75mm，特征阻抗Z0=50時對應的帶狀線寬度W50=2.51mm, 特征阻抗Z0=35.4時對應的帶狀線寬度W50=4.08mm。分支定向耦合器的模型如圖5.2.1所示。圖5.2.1 分支定向耦合器模型圖

4、5.2.2 HFSS設計簡介此外分支定向耦合器使用帶狀線結構，因此HFSS工程可以采用終端驅動求解類型。4個端口都與背景相接處，所以采用波端口激勵，且端口負載阻抗設置為50 。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導體來實現(xiàn)，即通過創(chuàng)建二維平面然后給二維平面指定理想導體邊界條件來模擬帶狀線的金屬層，帶狀線金屬層位于介質層的中央。在HFSS中，與背景層相接觸的表面會自動設置為理想導體邊界，因此帶狀線上下兩邊的參考地無需額外指定，直接使用默認的理想導體邊界即可。5.2.3 HFSS設計環(huán)境概述求解類型：終端驅動求解建模操作:l 模型原型：長方體、矩形面l 模型操作：復制操作、合并

5、操作、相減操作邊界條件和激勵：l 邊界條件：理想導體邊界l 端口激勵：波端口激勵求解設置：l 求解頻率：4GHzl 掃頻設置：快速掃頻，掃頻范圍1-7GHz后處理：S參數(shù)掃頻曲線、S矩陣5.3 新建HFSS工程1. 運行HFSS 并新建工程2. 設置求解類型設置當前設計為終端驅動求解類型。從主菜單欄選擇【HFSS】【Solution Type】，打開如圖5.3.1所示的Solution Type對話框，選中Driven Terminal單選按鈕，然后單擊【OK】按鈕，退出對話框，完成設置。圖5.3.15.4 創(chuàng)建分支定向耦合器模型5.4.1 設置默認的單位長度設置當前設計在創(chuàng)建模型時使用的默認

6、長度單位為毫米。從主菜單欄選擇【Modeler】【Units】命令，打開如圖5.4.1所示的“模型長度單位設置”對話框。在該對話框中，Select units項選擇毫米單位（mm），然后單擊【OK】按鈕，退出對話框，完成設置。圖5.4.15.4.2 定義變量定義4個設計變量L1、W1、L2、W2，分別設置其初始值為12.75mm、2.51mm、12.75mm、4.08mm。從主菜單欄中選擇【HFSS】【Design Properties】命令，打開“設計屬性”對話框。在該對話框中，單擊按鈕，打開Add Property 對話框；在Add Property 對話框的Name項輸入變量名L1，Va

7、lue項輸入變量的初始值12.75mm，如圖5.4.2所示。然后單擊按鈕，退回到“屬性”對話框。此時，“屬性”對話框會列出添加的變量L1，確認無誤后單擊“屬性”對話框的按鈕，同理定義變量W2、L2、W1，完成變量定義。圖5.4.25.4.3 添加新材料向材料庫中添加新的介質材料，并設置其為建模時使用的默認材料；新添加材料的相對介電常數(shù)為2.16，介質損耗正切為0.。從主菜單欄中選擇【Tools】【Edit Configured Libraries】【Materials】命令，在彈出對話框中單擊按鈕，打開如圖5.4.3所示的View/Edit Material 對話框。在該對話框中，Materi

8、alName 項輸入材料名稱Material1，Relative Permittivity項對應的Value值處輸入相對介電常數(shù)2.16，Dielectric Loss Tangent 項對應的Value 值處輸入介質的損耗正切0.001。然后單擊按鈕，退出對話框，完成向材料庫中添加新材料的操作。圖5.4.35.4.4 創(chuàng)建帶狀線金屬層模型1. 創(chuàng)建矩形平面在HFSS模型窗口中，通過矩形平面作圖工具創(chuàng)建如下兩個矩形平面。表5.4.4 矩形平面參數(shù)表rectanglestrat_pointXsizeYsizerectangle_1(0,0)L1+W2L2+W1rectangle_2(W2,W1)

9、L1-W2L2-W12. 兩個平面作減法運算用rectangle_1減去rectangle_2，得到如下圖形（圖5.4.4）：圖5.4.43. 畫出端口圖形如下所示（圖5.4.5）：圖5.4.54. 合并圖形通過unite運算得到分支定向耦合器的基本結構（圖5.4.6）圖5.4.65.4.5 創(chuàng)建帶狀線介質層模型1. 創(chuàng)建介質層長方體參數(shù)如下表：表5.4.5 長方體參數(shù)表start_pointXsizeYsizeZsize(-6,-3,-1.5)L1+W2+12mmL2+W1+12mm3mm創(chuàng)建后的介質層如下（圖5.4.7）：圖5.4.72. 設置介質層材料將Material中的材料改為Mat

10、erial1（圖5.4.8）圖5.4.85.5 分配邊界條件和激勵1. 設置分支定向耦合器帶狀線為理想導體邊界在操作歷史樹下選中帶狀線，選中后的帶狀線模型會高亮顯示；然后右鍵單擊工程樹下的Boundaries節(jié)點，從彈出菜單中選擇【Assign】【Perfect E】，打開Perfect E Boundary 對話框，直接單擊對話框按鈕，設置選中的帶狀線為理想導體邊界，如圖5.5.1所示。圖5.5.12. 設置耦合器四個端口為波端口激勵首先設置端口1 的激勵單擊F 鍵，切換到面選擇狀態(tài)，選中1、4端口所在的端面右鍵，從彈出菜單中選擇【Assign】【Wave Port】，同理設置2、3端口。

11、圖5.5.2雙擊工程樹Boundaries節(jié)點下的端口激勵P1、P2、P3、P4，打開Wave Port 對話框，選中對話框的PostProcessing選項卡，確認其端口阻抗為50，如圖5.5.3所示；然后單擊【OK】按鈕關閉該對話框。圖5.5.35.6 求解設置由于設計的分支定向耦合器工作頻率為4GHz，所以可以設置自適應網格剖分頻率4GHz，另外，為了查看設計的分支定向耦合器在工作頻率兩側的頻率響應，需要設置1-7GHz的掃頻分析。5.6.1 單頻求解設置右鍵單擊工程樹下的Analysis節(jié)點，在彈出菜單中選擇【Add Solution Setup】命令，打開如圖5.6.1所示的Solu

12、tion Setup對話框。在該對話框中，Setup Name項保留默認名稱Setup1；Solution Frequency項輸4GHz，即設置求解頻率為4GHz；Maximum Number of Passes項輸入20，即設置HFSS 軟件進行網格剖分的最大迭代次數(shù)為20；Maximum Delta S項輸入0.02，即設置收斂誤差為0.02；其他項保持默認設置。然后單擊【OK】按鈕，完成求解設置，退出對話框。設置完成后，求解設置的名稱Setup1會添加到工程樹的Analysis節(jié)點下。圖5.6.15.6.2 掃頻設置展開工程樹的Analysis節(jié)點，選中求解設置Setup1，單擊右鍵，

13、在彈出菜單中選擇【Add Frequency Sweep】，打開如圖5.6.2所示的Edit Sweep 對話框，進行掃頻設置。在該對話框中，Sweep Name 項保留默認的名稱Sweep1；Sweep Type 項選擇Fast，設置掃頻類型為快速掃頻；在Frequency Setup欄，Type項選擇LinearStep，Start項輸入1GHz，Stop項輸入7GHz，Step項輸入0.05GHz，即設置掃頻范圍為1-7GHz，頻率步進為0.05GHz。然后單擊對話框 【OK】按鈕，完成掃頻設置，退出對話框。設置完成后，掃頻設置的名稱Sweep1會添加到工程樹Analysis Setup

14、1節(jié)點下。圖5.6.25.7 設計檢查和運行仿真分析通過前面的操作，我們已經完成了模型創(chuàng)建和求解設置等HFSS 設計的前期工作，接下來就可以運行仿真計算，查看設計結果了。在運行仿真計算之前，通常需要進行設計檢查，檢查設計的完整性和正確性。在工具欄中點擊【Validation Check】按鈕，進行設計檢查，并彈出如圖5.7.1所示的“檢查結果顯示”對話框?！皰呙杞Y果顯示”對話框的每項都顯示圖標，表示當前HFSS設計正確、完整。單擊關閉對話框，點擊工具欄的【Analyze All】按鈕，運行仿真分析。圖5.7.15.8 查看仿真分析結果設計的分支定向耦合器工作頻率為4GHz，設計中仿真分析了耦合

15、器1-7GHz頻段的掃頻特性。在分析結果中，我們要觀察耦合器在1-7GHz頻帶內S參數(shù)的掃頻特性。5.8.1 查看S參數(shù)掃頻結果右鍵單擊工程樹下的Results 節(jié)點，在彈出菜單中選擇【Create Terminal Solution Data Report】【Rectangular Plot】命令，打開“結果報告設置”對話框。在該對話框中，Category項選中Terminal S Parameter，Quantity 項按住Ctrl 鍵的同時選中St(P1,P1)、St(P2,P1)、St(P3,P1)和St(P4,P1)，在Function欄選中dB，如圖5.8.1陰影部分所示。然后單擊

16、按鈕，生成結果報告；再單擊按鈕關閉對話框。此時，生成的S11、S21、S31 和S41 在1-7GHz 范圍內隨頻率的變化曲線報告如圖5.8.2所示。圖5.8.1圖5.8.2在未優(yōu)化前，我們可以從上圖中看出S11、S41在4Ghz處并未滿足設計要求，下面我們對結果進行優(yōu)化。5.9 分支定向耦合器的優(yōu)化分析利用Optimetrics模塊對分支定向耦合器的L2進行參數(shù)掃描分析和設計優(yōu)化。參數(shù)掃描分析的目的是：在工作頻率為4GHz 時，查看S11、S21、S31 和S41隨著變量L2的變化曲線；優(yōu)化設計的目標是：在工作頻率為4GHz 時，求解出L2的長度，使S11和S41均小于等于-10dB。5.9

17、.1 新建一個優(yōu)化設計工程1. 從主菜單欄選擇【File】【Open】，或者直接單擊工具欄的按鈕，打開上一節(jié)所保存的工程文件Project3.hfss；然后從主菜單欄選擇【File】【Save As】，把工程文件另存為Project3_Optim.hfss。2. 展開工程樹下的Analysis節(jié)點，再展開Analysis節(jié)點下的Setup1項，選中Sweep1項，然后單擊工具欄的按鈕，刪除掃頻設置。5.9.2 參數(shù)化分析設置和仿真分析1 添加參數(shù)掃描變量選中工程樹下的 Optimetrics節(jié)點，單擊右鍵，從彈出菜單欄中選擇【Add】【Parametric】，打開Setup Sweep Ana

18、lysis 對話框，單擊對話框的按鈕，打開Add/Edit Sweep 對話框；在Add/Edit Sweep對話框中，Variable 項選擇變量L2作為掃描變量，掃描類型選擇為LinearStep，Start、Stop、Step 項分別輸入11、15、0.1，單位為mm，然后單擊【OK】按鈕，設置過程和設置結果如圖5.9.1所示。單擊按鈕，回到Setup Sweep Analysis對話框。圖5.9.12 定義輸出變量定義2個輸出變量S11和S41。選擇Setup Sweep Analysis對話框的Calculations選項卡，單擊（Setup Calculations）按鈕，打開Ad

19、d/Edit Calculation對話框，設置好后如圖5.9.2所示。圖5.9.23 參數(shù)化分析求解單擊工具欄的【Validate】按鈕，檢驗設計的正確性。檢查完成且沒有錯誤時，進行下一步的仿真計算。選中工程樹Optimetrics節(jié)點下的ParametricSetup1項，單擊右鍵，在彈出菜單中選擇【Analyze】命令，運行仿真分析。5.9.3 查看參數(shù)化分析結果1 創(chuàng)建S11、S41隨變量L2變化的關系圖右鍵單擊工程樹中的Results 項，從彈出菜單中選擇【Create Modal Solution Data Report】【Rectangular Plot】。在該對話框中，X項選擇

20、L2；在Y 欄下方的Category列選擇Output Variables，Quantity列通過按下Ctrl鍵同時選擇St(P1,P1)和St(P4,P1)，F(xiàn)unction列選擇dB；然后單擊按鈕，就創(chuàng)建了輸出變量S11和S41與變量L2的關系曲線圖，如圖5.9.3所示。圖5.9.3從結果圖中可以看出，當變量L2值逐漸增大時，在14.00-14.50mm間S11和S41存在最小值，并且均小于-10dB。5.9.4 優(yōu)化設計的設置和仿真分析（1） 從主菜單欄選擇【HFSS】【Design Properties】，打開“設計屬性”對話框，選中上方的Optimization單選按鈕，在變量L2欄

21、勾選Include項，然后單擊按鈕完成設置。（2） 單擊選中工程樹下的Optimetrics節(jié)點，單擊右鍵，在彈出菜單中選擇【Add】【Optimization】，打開“優(yōu)化設置”對話框。在該對話框的Goals選項卡界面，優(yōu)化器Optimizer欄選擇Quasi Newton，Max. No. of Iterations欄保持默認的1000不變。Acceptable項輸入0.0005，表示目標函數(shù)的值小于或者等于設定的0.0005 時，停止優(yōu)化分析；Noise 項保持默認的0.00001 不變。（3） 添加優(yōu)化目標函數(shù)（Cost Function）。這里優(yōu)化設計要達到目標是：當工作頻率為4GH

22、z時，S11和S41均小于等于-10dB。設置完成后的對話框界面如圖5.9.4所示。圖5.9.4（4） 設置優(yōu)化變量。選擇Variables選項卡，在Variable列只有L2一個變量，在Override 列勾選Offset對應的復選框，在Starting Value列輸入14.10，勾選Include列下面的復選框，分別在Min和Max列輸入14.00和14.50，設定變量Offset的優(yōu)化范圍在14.00-14.50之間。完成后的界面如圖5.9.5所示。圖5.9.5（5） 選擇General 選項卡，Parametric欄選擇ParametricSetup1，同時選中下方的Solve th

23、e parametric before sweep optimization 單選按鈕，并勾選Update design parameter values after optimization 復選框。選擇Options 選項卡，確認清空Save fields and mesh 復選框。至此，完成優(yōu)化設置，單擊按鈕退出對話框。（6） 優(yōu)化設置完成后，在工程管理窗口工程樹的Optimetrics節(jié)點下會自動添加一個OptimizationSetup1項。右鍵單擊OptimizationSetup1，從彈出菜單中選擇【Analyze】命令，運行優(yōu)化分析，整個優(yōu)化過程需要持續(xù)幾分鐘的時間。5.9.5

24、 查看優(yōu)化結果1 目標函數(shù)與運算迭代次數(shù)的關系曲線圖查看目標函數(shù)值與迭代次數(shù)的關系曲線圖的步驟如下：右鍵單擊工程樹OptimizationSetup1項，從彈出菜單中選擇【View Analysis Result】命令，打開“目標函數(shù)值與迭代次數(shù)的關系實時顯示”對話框。在該對話框中，選擇Plot 項是以圖形形式顯示目標函數(shù)值與迭代次數(shù)的關系，選擇Table 項則是以數(shù)值列表形式顯示，如圖5.9.6所示。優(yōu)化分析完成后，在Table 列表里會列出變量L2優(yōu)化后的最佳值。因此，我們可以發(fā)現(xiàn)L2的最優(yōu)值大約在14.20mm。圖5.9.65.9.6 優(yōu)化后的S參數(shù)掃頻結果優(yōu)化后的S參數(shù)掃頻結果如圖5.9.7所示。圖5.9.7從S參數(shù)掃頻結果圖中可以看出，在4GHz頻點處的S11=-22dB、S41=-44dB，滿足設計要求，并且從1端口到2端口，從1端口到3端口均有3dB左右的衰減。5.9.7 優(yōu)化后的場分布圖優(yōu)化后的場分布圖，如圖5.9.8所示。圖5.9.85.9.8 查看4GHz頻點的S矩陣右鍵單擊工程樹下的Results 節(jié)點，從彈出菜單中選擇【Solution Data】命令，在結果顯示窗口中，選擇LastAdaptive，處選擇Matrix Data選項卡，選擇Real/Imaginary，此時窗口下方即以（實部，虛部）