通信工程毕业设计（论文）-环形定向耦合器的仿真设计

题目环形定向耦合器的仿真设计学号学生姓名专业名称通信与信息工程所在系（院）通信工程指导教师 微波四端口元器件多端口微波器件简述任何一个微波系统都是由很多功能不同的微波器件和有源电路组成，微波器件在系统中起着微波能量的定向传输、分配、衰减、储存、隔离、滤波、相位控制、波形转换、阻抗匹配与变换的作用。微波器件的种类繁多，按导行系统结构分类，可分为波导型、同轴线型、微带线型等；按工作波形分类，可分为单模元件和多模元件；按功能分类，分为：匹配元件、连接元件、定向耦合元件、滤波元件、衰减与相移元件、谐振器等。按端口的数目分为单端口、双端口、n端口器件。如按网络特性分类，则分为：线性与非线性网络、互易与非互易网络、有耗与无耗网络、对称与非对称网络。与低频电路的设计不同，微波系统无论有源还是无源，都必须考虑阻抗匹配问题，阻抗匹配网络是设计微波电路与系统时采用最多的电路元件。这主要是由于微波电路传输的事电磁波而不是低频电路的电压和电流。如不匹配，将会引起反射，造成传输能量的损失。本文研究的是微波多端口器件，它们在微波传输系统中有多个端口与传输线或其他器件相连，如果器件不匹配，在接头处会引起不同程度的反射，造成传输能量的损耗，使器件性能变差。所以，匹配的性能良好的微波器件是所追求的目标。传统制作微波器件方法是手工计算与实验调整相结合。但由于微波器件本身就有很多没有或者无法细致考虑的因素，因此，设计微波器件的主要难点是在进行多次计算优化设计的基础上，还要经行大量细致的调试工作。因为微波工作频率高，元件尺寸小，尺寸稍有偏差，微波器件性能就可能发生很大的变化。当然调试优化工作可以由仿真软件协助完成。微波系统的设计越来越复杂，对电路的性能要求越来越高，电路的功能越来越多，电路的尺寸要求越做越小，而设计周期越来越短，传统的设计方法已经不能满足系统设计的需要，使用微波EDA软件进行微波元器件与微波系统的设计已经成为微波电路设计的必然趋势。无耗可逆四端口网络的基本性质（1）无耗可逆四端口网络可以完全匹配，且为一个理想定向耦合器。（2）有理想定向性的无耗可逆四端口网络不一定四个端口均匹配，故四个端口匹配时定向耦合器的充分条件，而不是必要条件。（3）有两个端口匹配且互易隔离的无耗可逆四端口电路必为一个理想的定向耦合器。定向耦合器基本概念定向耦合器是微波系统中应用最广泛的元件：它是一种具有方向性功率分配器。它的结构形式是多种多样的，它用于提取波导系统中的部分能量以便监视该系统的功率、频率和匹配情况，或观察脉冲形状和比较相位，或用在微波鉴频器中以稳定微波源，有时在微波接受系统中，用以向微波系统引入本机震荡能量。定向耦合器的种类繁多，结构迥异，分析方法也不尽相同，按传输线类型分，有波导定向耦合器、同轴线定向耦合器、带状线或微带定向耦合器等；按耦合输出方向分，有同向定向耦合器和方向定向耦合器等；按耦合强弱分，有强耦合定向耦合器和弱耦合定向耦合器等。尽管如此，所有类型的定向耦合器都有共通的特性：当其中一端口有微波能输入时，其余三端口之一应无输出。定向耦合器常用于对规定流向微波信号进行取样。在无内负载时，定向耦合器往往是一四端口网络。定向耦合器常有两种方法实现，一为耦合定向耦合器，其耦合区长度为四分之一的整数倍，其直接输出和耦合输出端口在结构上不相邻，输出相位差往往是90度或180度，剩余的一个端口称为隔离端，理论上隔离端不输出任何能量。另一种为分支线定向耦合器，两输出端口结构上相邻，输出相位差也可以实现90度或180度，常用语强耦合场合。参数说明：耦合度：当其余端口接匹配负载时，耦合端输出功率与主线输入功率之比。耦合损耗：由于一定能量传输到耦合端而引起主线输出功率减小，它等于主线插入损耗的理论值。主线损耗：当匹配负载接主线外各端口时，主线插入损耗包括能量耦合损耗和能量耗散损耗两方面。方向性：当功率在指定方向上传输时，耦合端口的输出功率与同样功率在相反方向传输时同一耦合端口的输出功率之差。同样，在耦合器上标注的功率是指输入端口的最大输入功率，输出口和耦合端口不能用标注的最大功率输入。输出口和耦合端口的最大输入功率由耦合度和负载电阻决定。定向耦合器的简单机理图3-1给出了波导窄壁双孔定向耦合功率的原理图。图中耦合孔位于波导的公共窄壁上，两孔大小形状相同，间距为g/4，若功率从端口1输入，则称端口1和2之间的波导为主导，端口3和4之间的波导为副波导。振幅为a1的入射波，携带功率P1由端口1输入，经小孔①耦合，在副波导中激励起向左右方向传输的两个波，在图中标明为a波和b波。有典型波导中TE10模的场型分布可知，这里的小孔耦合主要是磁耦合，这种单一的磁耦合是不可能有方向性的，所以a波和b波两者幅度相等，均为k|a1|，这里k≤1，称之为耦合系数。由于k≤1，故可忽略第①小孔分功率后对P1的影响，而认为主波导中第②小孔处的入射波功率仍为P1，经小孔②耦合在副波导中再次激励起想做有两个方向传输的a’波和b’波，他们幅度相等，仍为k|a1|。由于两空间距为g/4，从图中可见，传输到T4参考面上的a’波相对于a波行程上多走了（g/4）×2=g/2，故相位上滞后π，因此两波相互抵消，使得端口4的输出功率P4=0；而端口3上的b波和b’波两者行程一样，故应同向叠加，使得式（3-1）在此，端口3称为耦合臂，端口4称为隔离臂，端口2称为直通臂。图3-1波导定向耦合器原理图双孔定向耦合器明显的缺陷是只能在窄频带情况下是用，为了展开工作频带，措施之一是增加小孔数目，让个孔的半径不相等，或者将耦合空加工成椭圆形或长槽形，这样就有可能在一个较宽的频带内，经这些小孔耦合的众多的波在隔离臂近似互相抵消，而在耦合臂得以加强。对称理想定向耦合器的散射矩阵对称理想耦合器存在两种。第一类，假设端口1和4完全隔离，由于结构对称，端口2和3也完全隔离，即式（3-2）结构对称还使散射参数有下关系：，式（3-3）设网络各端口均已调匹配，即Sii=0（1，2，3，4），同时考虑到网络的互易性，综合上述特点，散射矩阵应有如下形式：式（3-4）理想无耗定向耦合器满足的条件式（3-5）[s]H的第一行乘以[s]第一列，得式（3-6）[s]H的第一行乘以[s]的第四列，得式（3-7）可见S12S13为纯虚数，其中一种可能是式（3-8）故第一类对称定向耦合器的散射矩阵为式（3-9）由此可以看出第一类对称理想定向耦合器的一个特点，在直通臂和耦合臂的外向波之间存在着90°的相位差。对于第二类对称理想定向耦合器，假设端口1和3完全隔离，由于结构的对称性，端口2和4也完全隔离，即式（3-10）结构对称使散射参数有下列关系：式（3-11）设网络各端口均已调好匹配，Sii=0（1，2，3，4），综合以上特点，并考虑到该对称四端口网络的无耗互易性，最好得第二类对称理想耦合器的散射矩阵为式（3-12）定向耦合器的主要技术指标定向耦合器的主要技术指标有耦合度C、方向性D、隔离度I、插损IL、电压驻波比VSWR和带宽等。在图3-2中，我将端口1的输入功率定义为P1，端口2、3和4的输出功率分别定义为P2，P3，P4。图3-2单节耦合线耦合器耦合度C耦合度定义为输入端和耦合端的功率之比，即式（3-13）耦合度是一个负数，在习惯上往往称其绝对值，即分贝数越小耦合越强，分贝数越大耦合越弱。称为“分贝耦合系数”或简称为“分贝耦合”。显然，由于输入功率总是大于输出功率，故此分贝数必为复制。但习惯上只说它的绝对值，而不提及符号，例如“3db定向耦合器”，实际上它的分贝耦合系数为-3dB。分贝耦合越大，表明耦合到副通道的能量越少，耦合越弱。电压耦合系数定义为：主通道输入电压（设由端口1输入）与副通道输出电压（设由端口2输出）之比，可表示为式（3-14）隔离度I在理想的情况下，副通道中一个端口有输出时，另一个相反端口应没有输出。但实际上由于设计或结构不佳，另一端口常有一些输出。用此正反向两个输出功率之比的分贝数来表示定向传输的性能，则称为“定向性系数”或简称“定向性”。设副通道中端口2为所需输出端口，端口3为隔离端口，则定向性系数定义为隔离度定义为输入端与隔离端的功率之比，即式（3-15）D越大，说明定向性越好，或者说输入端口与隔离端口的隔离度越好。理想情况下，。实用中常对通带中的D提出一个最低要求，例如大于20dB。除了上面两个主要的参量外，一般还有隔离度，以及作为功率输入的1端口反射系数S11等。隔离度与方向性和耦合度的关系是D=C+I式（3-16）带宽的各种定义耦合器的带宽是指耦合器在一定条件下能满足一定技巧指标要求的工作频率范围，包括绝对带宽、相对带宽、倍频程和带宽比。绝对带宽的定义是式（3-17）式中表示耦合器的最高工作频率，表示耦合器的最低工作频率。相对带宽的定义是式（3-18）式中为中心工作频率。倍频程的定义为式（3-19）其中n就是指倍频程。带宽比的定义是式（3-20）180°混合电桥180°混合结是一种在两个输出端口之间有180°相移的四端口网络。它也可以工作在同相输出。180°混合网络所用的符号如图3-3所示。施加到端口1的信号将在端口2和端口3被均匀分成两个同相分量，而端口4将被隔离。若输入施加到端口4，则输入将在端口2和端口3等分成两个有180°相位差的分量，而端口1将被隔离。当做为合成器使用时，输入信号施加在端口2和端口3，在端口1将形成输入信号的和，而在端口4则形成输入信号的差。因此端口1称为和端口，端口4称为差端口。所以理想的3dB的180°混合网络的散射矩阵又下列形式式（3-21）图3-3180°混合电桥可以证明这个矩阵式幺正的和对称的。180°混合网络可以制作成几种形式：环形混合网络或称环形波导容易制成平面形式，但也可以支撑波导形式。另一类平面型180°混合网络使用渐变匹配线和耦合线。此外，还有另一种类型的混合网络是混合波导节或魔T。AnsoftHFSS仿真软件的原理及应用HFSS发展历程HFSS软件是由美国Ansoft公司开发的世界上第一个商业化的三维结构电磁场仿真软件，是目前国际上主流的三位高频电磁场仿真软件之一。HFSS是一种基于物理原型的EDA设计软件。2003年2月美国Ansoft公司与美国安捷伦科技公司签订了一项协议，Ansoft公司收购安捷伦公司的高频结构仿真软件，安捷伦公司将停止生产HFSS软件，同时购买60套Ansoft公司HFSS软件，Ansoft推出v8.0版本。同年5月Ansoft公司发布了HFSS最新版本V9.0，即基于三维电磁场设计和分析的电子设计工业标准。

2005年8月Ansoft公司在美国发布HFSSV10.0.为了便于提高设计与分析效率，与现有版本相比，强化了CAD工具和其他分析工具间的配合。HFSSV10.0还新增了读取其他分析工具结果的“DataLink”功能。能够利用此功能，与Ansoft的信号完整性分析工具SIwave进行协作分析。HFSSV10.0追加了芯片封装与印制电路板的协作分析功能，减轻了波形分析的处理负荷。HFSS仿真原理HFSS采用的理论基础是有限元方法。有限元法师一种积分方法，其解是频域的，所以HFSS是由频域到时域，对于设计各种辐射器及求本征模问题很有效。HFSS应用切向矢量有限元法。所谓的有限元法，就是将整个区域分割成许多很小的子区域，这些子区域通常称为“单元“或”有限元“，将求解边界问题的原理应用于这额子区域中，求解每个小区域，通过选取恰当的尝试函数，使得对每一个单元的计算变得非常简单，通过对每个单元进行重复而简单的计算，再将其结果总和起来，便可以得到用整个矩阵表达的整个区域的解，这一整体矩阵又常常是稀疏矩阵，可以更进一步简化和加快求解过程。由于计算机非常适合重复性计算和处理过程，因此整体矩阵的形成过程很容易使用计算机处理来实现。AnsoftHFSS仿真软件的应用和特点AnsoftHFSS仿真软件的应用AnsoftHFSS仿真软件是一个基于有限元法的电磁仿真软件，是一个计算电磁结构的交互软件包。HFSS在强大、直观的环境下为研制微波、射频、高速数字部件及系统，提供了无可匹敌的精确度。在HFSS的桌面上，你能找到HFSS的全套功能，这是一个可以完全支持基于三维电磁场设计的界面。HFSS能进行全面的全参数化设计，从几何结构、材料特性到分析、控制及所有后处理。该软件强大的参数化三维建模能力和高性能的图形能力，大大节省了设计时间。HFSS有多个机制允许设计人员根据自己的需要去制作用户特定的设计流程。视窗、对话框、工具栏、甚至菜单均可被用户通过配置或缺省来支持个性化参数定义。使用者可通过主菜单、工具栏、项目树和文本栏来灵活操作界面命令计算模拟器，还包括分析电磁结构细节问题时的后处理命令。使用AsoftHFSS软件能够计算：基本电磁场数值解和开放边界，近远场辐射问题。端口阻抗和传输常数。S参数、相应端口的归一化阻抗和反射系数问题。（4）结构的本征模或谐振解。AnsoftHFSS的优越性首先，其强大的三维建模功能为我们设计各种形状的微波元器件称为可能。HFSS提供了长方形、圆形、直线等平面基本图形。圆柱、圆锥、长方体等各种立体基本图形，使构造各种形状的微波元器件变得简单易行。其次，HFSS提供了元件的材料库。我们可以随心所欲设置元件的材料性能。第三，HFSS提供了各种频率的激励源，我们可以随意设置，最终找到所涉及微波元器件的中心频率。第四，HFSS提供了多端口网络的电磁场分布图和S参数，使我们能方便地考察涉及元器件性能。第五，HFSS提供的优化分析功能能使我们得到最优化设计结果。AnsoftHFSS仿真微波器件的一般步骤（1）建立微波器件的二维模型。（2）设定匹配元件的变量。（3）通过观察器件的S参数和反射系数，分别对各个变量进行优化分析。对各个变量的优化分析结果经行综合分析，最终找到最优化的参数。HFSS设计流程启动HFSS软件，新建一个工程。（2）选择求解类型。在HFSS中有三种求解类型：模式驱动求解，终端驱动求解和本征模求解。(3)创建参数化设计模型。在HFSS设计中，创建参数化模型包括：构造出准确的几何模型，指定模型的材料属性以及准确地非配边界条件和端口激励。（4）求解设置。求解设置包括定求解频率，收敛误差和网络剖分最大迭代次数等信息；如果需要进行扫频分析，还需要选择扫频类型并指定扫频范围。（5）运行仿真计算。在HFSS中，仿真计算的过程是全自动的。软件根据用户指定的求解设置信息，自动完成仿真计算，无需用户干预。（6）数据后处理，查看计算结果，包裹S参数，场分布，电流分布，谐振频率，品质因数Q，天线辐射方向图等。另外，HFSS还集成了Ansoft公司的Optimetrecs设计优化模块，可以对设计模型进行参数扫描分析，优化设计，调谐分析，灵敏度分析和统计分析。利用AnsoftHFSS设计环形定向耦合器设计要求设计要求如下：1．输入端口的特性阻抗50欧姆；2．输出端口的特性阻抗50欧姆；3．中心频率f=0.9GHz;4．频带0.8GHz~1.0GHz；5．散射参数两个输出端口3dB。仿真过程与测试结果1.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。如图5-1图5-1设置求解类型2.设置默认的长度单位为毫米单位。如图5-2图5-2“长度单位设置”对话框3.建模相关选项设置如图5-3图5-33 DModelerOptions对话框4.定义变量length。如图5-4定义一个设计变量length，设置其初始值为24.5mm图5-4添加设计变量5.添加新材料。如图5-5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2.33，介质损耗正切为0.000429。图5-5View/EditMaterial对话框6.创建带状线介质层模型。图5-6所示的对话框，对话框中输入数字6，表示创建的是正六边体模型。图5-6SegmentNumber对话框图5-7“属性”对话框Command选项卡界面图5-8“属性”对话框的Attribute选项卡界面设置。图5-9新建的正六边体模型7.创建带状线金属层模型图5-10（a）创建矩形面图5-10（b）复制矩形面图5-10（c）创建模型图5-10（d）生成完整的环形带状线模型图5-10环形带状线生成过程8.设置环形带状线Trace为理想导体边界如图5-11图5-11设置环形带状线Trace为理想导体边界9.仿真与测试结果图5-12环形电桥的S参数曲线结果说明：由图5-12可以看出在0.9GHz处端口1和端口4的输出分量分别为-7.18dB和-11.75dB，而端口2和端口3的输出分别为-3.65dB和-5.10dB。达到设计指标要求。结论大学四年的学习生活即将过去，在这四年中，老师的谆谆教诲、同学无私的帮助，加上自己的刻苦努力，我掌握了大部分专业知识的理论，实际动手能力也大为提高。在大学学习生活中，毕业设计算是对学生的理论知识和动手能力的一次综合检验。这次毕业设计课题是环形定向耦合器的仿真设计，这是对我的理论知识的一次综合的考验。通过一个学期的努力，终于完成了我的毕业设计。在做毕业设计的这段时间内，我一直在不断的学习，通过查阅各种与设计有关的资料，使我了解了很多从课本上面学不到的知识，很多非理论的应用性很强的知识。我觉得毕业设计的过程，不仅是一个提高自己动手能力的过程，更是证明自己大学四年学习成果的过程。通过对这次的毕业设计，我对自己专业课的学习有了更直接、更全面的了解。在整个过程中，虽然出现了许多意想不到的问题，比如对理论基础的掌握和AnsoftHFSS软件的一些细节操作，但是经过导师的指导和自己琢磨，我终于还是解决了这些问题。在这次毕业设计的之后，给我感触最深的是，细心、严谨是克服困难并找到出路的关键。因为我发现在调试的过程中，经常会出现一些莫名其妙的错误，其实这些看似很小的错误，大部分是由于细节问题所引起的。所以说，这次的毕业设计给了我一个很大的教育，那就是不管以后做什么事，都要抱着务实的态度和严谨的作风。这样才能给自己交一份满意的答卷。致谢毕业设计整整持续了近半年的时间，现在终于到结尾了。刚拿到这个课题时，觉得这个课题太难了。但是在今天回过去看看，却十分的欣慰，因为我成功完成了我的毕业设计，克服了自己原以为很难克服的困难。这是我读大学几年下来工作量最大的一次，这也是对我大学几年所学知识最好的检验。经过这次设计，提高了我很多的能力，比如实验水平、分析问题的能力、对问题执着追求答案的毅力、合作精神、严谨的工作作风等。在这期间凝结了很多人的心血，在此表示衷心的感谢。没有他们的帮助，我将无法顺利完成这次设计。首先，我要特别感谢老师对我的悉心指导，在设计期间，郭老师帮助我收集文献资料，理清设计思路，并提出有效的改进方案。导师渊博的知识、严谨的学风、诲人不倦的态度和学术上精益求精的精神使我受益终生。感谢班里同学给予我无私的帮助，他们对我所遇到的难题的解答让我受益匪浅。另外，我要感谢母校所有老师与同学几年来对我的关心与支持，感谢各位老师在学习期间对我的严格要求。同时也要感谢身边同学的热心帮助，没有你们的支持与关心，就没有我今天的毕业设计！参考文献吴万春，梁昌洪.微波网络及其应用[M].北京:国防工业出版社，1980：50~150.王新稳，李萍.微波技术与天线[M].北京:电子工业出版社，2005：3~50.吴明英，毛秀华.微波技术[M].西安:西北电讯工程学院出版社，1979：2~40.王文祥.微波工程基础[M].成都:电子科技大学大功率微波真空电子学国防科技重点实验室，2005：136~144.李嗣范.微波元件原理与设计[M].北京:人民邮电出版社，1982：168~171.同润卿，李英慧.微波技术基础[M].北京:北京理工大学出版，2004：139~165.葛义荣.定向耦合器在微波传输系统中的应用[M].北京:航空计测技术，2001：32~33.周萌.带状线定向耦合器的分析与设计.西安电子科技大学硕士学位论文，2009：1~5.[9]廖承恩.微波技术基础[M].西安:西安电子科技大学出版社，1995：100~330.[10]石德万.波导—带状线—同轴线定向耦合器的研究[D].电子科技大学硕士学位论文，2007.[11]CohnSB.Shieldcoupled-striptransmissionline.IRETransactionsonMicrowaveTheoryandTechniques，1955，MTT-3(10)：29~38.[12]CohnSB.CharacteristicImpedancesofbroadside-coupledstriptransmissionlines.IRETransactionsonMicrowaveTheoryandTechniques，1960，MTT-8(11)：633~637.附录一、传播的TEM特性1.相速度、传播常数和波导波长带状线中传输的TEM模，则相速度与频率无关，为式（1-1）传播常速为式（1-2）波导波长或带状线波长为式（1-3）式中为自由空间波长。2.特性阻抗及最高工作频率1）导体厚度为零的带状线特性阻抗可由其单位长度电容来求得，即式（1-4）其中L和C是传输线单位长度的电感和电容，因此若知C就能求出零厚度带状线的特性阻抗。Cohn最先用保角变换方法求得零厚度导体带状线的特性阻抗。用保角变换方法求解上述拉普拉斯方程过程复杂，且解中包含椭圆函数，不便于工程应用。对于实际计算，已经通过对于精确解的曲线拟合得到了简单的公式。根据线宽W和高度b求特性阻抗。考虑到边缘场的影响，中心导体的宽度应加宽，其效果相当于导体两端加段圆弧，以半径R表示，则导体宽度应增加为，一般取R=0.2205b，这样导体宽度就变成W+0.441b。导体与地板之间的单位长度电容应为式（1-5）带状线的单位电容则为