HFSS仿真环形耦合器学习笔记

1、 理论基础

环形定向耦合器的结构示意图如图所示，它是由周长为3/2个导波波长的闭合圆环和4根输入/输出传输线相连接而构成的，与圆环相连接的4根传输线的特性阻抗为Z0，圆环的特性阻抗为$\sqrt{(}2)Z0$，端口1到端口2、端口1到端口4，端口3到端口4之间的长度为1/4 个导波波长，端口2到端口3之间的长度为3/4个导波波长，当微波信号由端口1输入，端口2,3,4 搭接匹配负载时，输入信号功率可以等分两部分，分别由端口2和端口4输出，端口3无信号输出，端口1和端口3彼此隔离。

环形定向耦合器的散射矩阵可以表示为：

2、 设计分析

带状线的导波波长${\lambda }_g=49.13mm$

特性阻抗为$Z_0=50\Omega$时对应的带状线宽度为$W_{50}=1.78mm$，特性阻抗为$\sqrt{(}2)Z_0=70.7\Omega$时对应的带状线宽度为$W_{70.7}=0.98mm$

对于带状线定向耦合器，圆环的周长是工作波长的1.5倍，所以圆环的半径$Rcenter=1.5{\lambda }_g/2\pi =11.73mm$, 因为圆环的宽度为$W_{70.7}=0.98mm$，则圆环的内径$Rinner=Rcenter-W_{70.7}=11.24mm$，则圆环的外径为$Router=Rcenter+W_{70.7}=12.22mm$。
与圆环相连接的4根带状传输线的长度这里取1/4个导波波长，即${\lambda }_g/4=12.28mm$。

3、 仿真验证

设计要求：
设计一个带状结构的环形定向耦合器，耦合器的工作频率为4GHz，带状线的介质厚度为2.286mm，介质材料的介电常数为2.33，损耗角正切为0.000429，带状线的金属层位于介质层中央，端口为50Ω负载。

1、 求解器设置

终端驱动求解

2、 建模

整个耦合器结构分为3部分：介质层和金属贴片。
为了后面方便进行参数分析和优化设计，这里用几个变量表示（这些变量都是理论计算的结果）

金属贴片建模：
材料：PEC
模型：矩形
金属贴片的坐标：

其他贴片通过旋转30°而得到。
材料：PEC
模型：圆形
内圆贴片的坐标：

材料：PEC
模型：圆形
外圆贴片的坐标：

介质层建模：
材料：自定义材料，介电常数：2.33，损耗角正切：0.000429，厚度2.286mm
模型：六方柱形
坐标：

将以上形状进行布尔运算，最终建立的模型如图：

3、 激励方式设置

激励方式：波端口激励（Wave port）
右键----assign excitation—Wave port，

4、 边界条件设置

金属贴片的设置成理想导体边界（Perf E）

5、 扫频设置

求解中心频率：4GHz，迭代次数：20，收敛误差为0.02
扫频方式：快速扫频，扫频范围：1 GHz~7GHz，步进：0.02GHz

6、 设计检查，仿真分析

设计检查没有问题，进行仿真分析，单击Analysis—setup1—sweep—analyze，进行仿真

7、 数据后处理

在状态树下面的results右键，Create Modal Solution Data Report—Rectangular Plot，选择S11，S12，S13，S14，点击new report，即可成图。