通信工程毕业设计（论文）环形定向耦合器的仿真设计.doc

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1、北京邮电大学世纪学院毕业设计(论文)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 2012年 5 月 27 日北京邮电大学世纪学院毕业设计（论文）任务书姓名学号专业通信工程系（院）通信与信息工程设计（论文）题目环形定向耦合器的仿真设计题目分类 工程设计； 工程技术研究； 软件工程（如CAI课题等）； 专题研究；艺术设计； 其他 题目来源 自然科学基金与部、省、市级以上科研课题； 企、事业单位委托课题； 院级课题； 自拟课题 其他 指导教师（指导教师组组长及成员姓名）职 称工作单位备注副教授通信与信息工程系指导老师高级实验师通信与

2、信息工程系组员副教授通信与信息工程系组员助教通信与信息工程系组员毕业设计(论文)的内容和要求：注意：选题尽量与实际应用需求相结合。要求写明本设计（论文）所涉及的分析方法或技术手段（如定性、定量分析的方法）；要求有学生独立的见解，设计内容要详细写明具体步骤和技术指标。定向耦合器是一种四端口器件，且各个端口均是匹配的。它是在微波与雷达馈线技术中广泛应用的元件之一。环形定向耦合器的各项指标包括耦合度、隔离度、方向性、输入驻波比、频带宽度等。熟悉微波微带线、微波网络、微波元器件等基础内容，结合微波网络散射矩阵的计算，利用仿真软件Ansoft HFSS设计环形混合电桥，进而很好的理解和掌握微波集成传输线

3、的传输特性、微波元器件的端口特性、耦合器的参数等相关内容。利用仿真软件设计指标如下：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0.8GHz1.0 GHz；5 散射参数 两个输出端口3dB。应完成的工作和提交材料要求（课题完成后应提交成果的种类、数量、质量等方面的要求）： 开题报告：3000字左右； 论文的中文摘要：200-300字，包含关键词，并译成英文。英文摘要以250个左右实词为宜； 毕业设计论文：正文不少于15000字，论文应由摘要、目录、前言、正文、结论、参考文献、致谢和附录等几部分组成，要求项目齐全，概念清楚、语言流畅、文

4、字精炼、内容正确、条理分明、结构严谨，标点符号清楚、准确；对方案的分析与论证，要观点鲜明、结论正确； 尽量结合课题，翻译1500汉字以上的有关技术资料或专业文献； 参考文献中，主要的文献应达到10篇以上，其中外文文献在2篇以上。主要参考文献（参考文献不少于4篇，参考文献目录按GB/T77142005的要求填写）：1 王新稳，李萍.微波技术与天线M.北京:电子工业出版社，2005：350.2 廖承恩.微波技术基础M.西安:西安电子科技大学出版社，1995：100330.3 吴万春，梁昌洪.微波网络及其应用M.北京:国防工业出版社，1980：50150.4 吴明英，毛秀华.微波技术M.西安:西北电

5、讯工程学院出版社，1979：240.毕业设计（论文）进度计划（从正式启动时间开始，以周为单位填写）：第 1周-第 2周 课题调研、查资料、撰写开题报告第 3周 根据查询的资料确定总体设计思路，完成开题报告并上交.第 4周-第 7周 毕业设计单元部分研究,并设计出整体框架第 8周 完成论文中期检查报告第 9周-第15周 资料整理，撰写毕业论文；上交毕业设计论文，指导教师审查评阅设计报告，毕业设计答辩资格审查。毕业设计答辩，学生修改毕业设计论文，准备答辩。第16周 进行毕设答辩。指导教师签字： 日期： 年 月 日学单位意见审核人签字：系（院）（盖章）年 月 日学院意见审核专家签字：年 月 日备注1

6、、由指导教师撰写，可根据长度加页，一式三份，教务处、系（院）各留存一份，发给学生一份，任务完成后附在论文内；2、凡审核不通过的任务书，请重新申报。北京邮电大学世纪学院毕业设计（论文）诚信声明本人声明所呈交的毕业设计（论文），题目耦合线定向耦合器的仿真实现是本人在指导教师的指导下，独立进行研究工作所取得的成果，除了文中特别加以标注和致谢中所罗列的内容以外，毕业设计（论文）中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得北京邮电大学或其他教育机构的学位或证书而使用过的材料。申请学位论文与资料若有不实之处，本人承担一切相关责任。本人签名： 日期： 毕业设计（论文）使用权的说明本人完全了解北京

7、邮电大学世纪学院有关保管、使用论文的规定，其中包括：学校有权保管、并向有关部门送交学位论文的原件与复印件；学校可以采用影印、缩印或其它复制手段复制并保存论文；学校可允许论文被查阅或借阅；学校可以学术交流为目的，复制赠送和交换学位论文；学校可以公布学位论文的全部或部分内容。本人签名： 日期： 指导教师签名： 日期： 题目 环形定向耦合器的仿真设计 摘要定向耦合器可以有很多种实现方式，同轴线、矩形波导、圆波导、带状线和微带线都可构成定向耦合器，本文利用了带状线来实现定向耦合器。定向耦合器是一种四端口器件，且各个端口均是匹配的。它是在微波与雷达馈线技术中广泛应用的元件之一。环形定向耦合器的各项指标包

8、括耦合度、隔离度、方向性、输入驻波比、频带宽度等。本文主要实现的是一个中心频率为0.9GHz的带状线定向耦合器，其频率带宽为0.8GHz1.0 GHz，耦合度为3dB，结合微波网络散射矩阵的计算，根据所给定的仿真软件设计指标，以及题目要求，确定耦合器的类型、结构，利用HFSS仿真软件来设计出带状线定向耦合器的电路模型，并根据定向耦合器的S参数进行仿真，并达到预期的设计要求。关键词 带状线 定向耦合器 HFSS S参数Title Simulation design of annular directional couplerAbstractDirectional coupler can have

9、 many ways, coaxial, rectangular, circular waveguide, strip line and micro strip line can form a directional coupler, the strip line to realize directional coupler.Directional coupler is a four port devices, and each port are matching. It is in the microwave and radar technology is widely applied in

10、 one element. Annular directional coupler indicators including coupling, isolation, direction, the input in Bobbi, band width.This paper is mainly to achieve a center frequency of 0.9GHz strip line directional coupler, the frequency bandwidth of 0.8GHz1.0GHz, coupling degree 3dB, combined with micro

11、wave network calculation of scattering matrix, according to the given simulation software design index, and the subject requirements, determine the coupling device type, structure, using HFSS simulation software to design a strip line directional coupler circuit model, and according to the direction

12、al coupler S simulation parameters, and to achieve the desired design requirements.Keywords Strip line Directional coupler HFSS The S parameter目录1.前言12.微波基础理论22.1微波及其特点22.2微波集成传输线32.2.1微带线和带状线42.2.2带状线的概述42.3微波网络传输散射矩阵43.微波四端口元器件83.1多端口微波器件简述83.2无耗可逆四端口网络的基本性质93.3定向耦合器基本概念93.3.1定向耦合器的简单机理103.3.2对称理想

13、定向耦合器的散射矩阵113.4定向耦合器的主要技术指标123.4.1耦合度C133.4.2隔离度I133.4.3带宽的各种定义143.5180混合电桥154.Ansoft HFSS仿真软件的原理及应用164.1HFSS发展历程164.2HFSS仿真原理164.3Ansoft HFSS仿真软件的应用和特点174.3.1Ansoft HFSS仿真软件的应用174.3.2Ansoft HFSS的优越性174.3.3Ansoft HFSS仿真微波器件的一般步骤184.4HFSS设计流程185.利用Ansoft HFSS 设计环形定向耦合器195.1设计要求195.2仿真过程与测试结果196.结论27致

14、谢28参考文献29附录301. 前言本人的论文题目是环形定向耦合器的仿真设计。定向耦合器是一种通用的微波、毫米波部件，可用于信号的隔离、分离和混合，如功率的监测、源输出功率稳幅、信号源隔离、传输和反射的扫频测试等。主要技术指标有方向性、驻波比、耦合度、插入损耗。随着航空和航天技术的发展，要求微波电路和系统做到小型化、轻量化和性能可靠，于是出现了带状线和微带线。随后由于微波电路与系统的需要又相继出现了鳍线、槽线、共面波导和共面带状线等微波集成传输线。这样就出现了各种传输线定向耦合器。微波的传统应用是雷达和通信，这是微波作为信息载体的应用。现在雷达大多数是微波雷达，利用微波工作的雷达可以使用尺寸较

15、小的天线，来获得很窄的波束宽度，以获取关于被测目标性质的更多的信息。由于微波具有频率高、频带宽、信息量大的特点，所以也被广泛应用于各种通信业务。第一个真正意义上的定向耦合器由H.A.Wheeler在1944年设计实现，Wheeler使用了一对长为四分之一中心频率波长的圆柱来实现电场与磁场的能量相互耦合，遗憾的是这种方法只能实现一个倍频程的带宽。本文研究了微波网络散射矩阵的计算，利用仿真软件Ansoft HFSS设计环形混合电桥，进而很好的理解和掌握微波集成传输线的传输特性、微波元器件的端口特性、耦合器的参数等相关内容。经过20多年的发展，HFSS以其无以伦比的仿真精度和可靠性，快捷的仿真速度，

16、方便易用的操作界面，稳定成熟的自适应网络剖分技术使其成为高频结构设计的首选工具和行业标准，已经广泛的应用于航空、航天、电子、半导体、计算机、通信等多个领域，帮助工程师们高效的设计各种高频结构，包括：射频和微波部件、天线和天线阵及天线罩，高速互连结构、电真空器件，研究目标特性和系统部件的电磁兼容电磁干扰特性，从而降低设计成本，减少设计周期，增强竞争力。2. 微波基础理论2.1微波及其特点微波技术已有几十年的发展历史，现已成为一门比较成熟的学科。在雷达、通信、导航、遥感、电子对抗以及工农业和科学研究等方面，微波技术都得到了广泛的应用。微波技术是无线电电子学中一门相当重要的学科，对科学技术的发展起着

17、重要的作用。 微波是一种频率非常高的电磁波。把波长从1m到0.1mm范围内的电磁波称为微波。微波波段对应的频率范围为: 3108Hz31012Hz。（1）似光性（波长短） 微波波长较短时：当微波的波长比地球上的宏观物体(如飞机、舰船、导弹、卫星、建筑物等)的几何尺寸小得多时，微波照射到这些物体上时将产生强烈的反射。此直线传播的特点与几何光学相似，故可以说微波具有“似光性”。利用这一特殊，可以制成体积小、方向性很强的微波天线，用来发射或接收微弱的微波信号，从而为雷达、微波中继通信、卫星通信和导弹等提供必要条件。微波最早的应用实例雷达。微波波长较长时：当微波的波长与实验设备（比如波导、微带、谐振腔

18、呈其它微波元件）的尺寸相比在同数量级时，使得电磁能量分布于整个微波电路之中，形成所谓“分布参数”系统。这与低频电路有原则区别，因为低频时电场和磁场能量是分别集中于所谓“集总参数”的各个元件中。 （2）频率高因为微波波段的振荡周期在10-910-13s数量级，而普通电真空器件中电子的渡越时间一般为10-9s数量级，就是说二者属于同一数量级。于是，在低频时被忽略了的电子惯性，亦即电磁波与电子间的相互作用、极间电容和引线电感等的影响就不能再忽视了。普通电子管已不能用做微波振荡器、放大器或检波器了，代之而来的则是建立在新的原理基础上的微波电子管、微波固体器件和量子器件，同时伴随频率的升高、高频电流的趋

19、肤效应、传输系统的辐射效应以及电路的延时效应（相位滞后）等明显地表露出来。 由于微波频率极高，它的实际可用频带很宽，可达109Hz数量级，这是低频无线电波无法比拟的。频带宽意味着信息容量大，因而微波可作为多路通信的载频。另外，微波受外界干扰小，且不受电离层变化影响，通信质量高于低频无线电波。（3）具有穿透性利用微波本身的高频振荡，微波可以穿透电离层。由于微波不能被电离层所反射，所以微波的地面通信只限于天线的视距范围之内，远距离微波通信需要用中继站接力。另一方面，利用微波能穿透电离层，可以利用微波进行宇航通信、卫星通信和射电天文学研究等，因此微波开辟了电磁波谱中的一个的“宇宙窗口”。微波还可以穿

20、过生物体，即能够深入物质（介质）内部，研究分子和原子核的结构， 是近代微波波谱学和量子电子学所依据的基本物理基础。 在微波波段有若干个可以通过电离层的“宇宙窗口”，因而微波是独特的宇宙通讯手段。（4）量子特性 由于低频电波的频率很低，量子能量很小，不足以改变物质分子的内部结构或破坏分子间的键，量子特性不明显。微波波段的电磁波，单个量子的能量为10-6 10-3eV。而一般顺磁物质在外磁场中所产生的能级间的能量差额介于10-510-4eV之间，因而电子在这些能级间跃迁时所释放或吸收的量子的频率是属于微波范畴的。因此，微波可用来研究分子和原子的精细结构。同样在超低温时物体吸收一个微波量子也可产生显

21、著反应。上述两点对近代尖端科学，如微波波谱学、量子无线电物理的发展都起着重要作用。 利用此特性和原理，可研制适用于许多微波波段的器件。2.2微波集成传输线2.2.1微带线和带状线（1）微带线是一根带状导（信号线），与地平面之间用一种电介质隔离开。如果线的厚度、宽度以及与地平面之间的距离是可控制的，则他的特性阻抗也是可以控制的。（2）带状线是一条置于两层导电平面之间的电介质中间的铜带线。如果线的厚度和宽度、介质的介电常数以及两层导电平面间的距离是可控的，那么线的特性阻抗也是可控的。2.2.2带状线的概述带状线由上、下两块接地板和中间的导体组成，导体位于上、下接地板的对称面上，导体带与接地板之间可

22、以是空气或填充其他介质，它非常适合光刻加工制造。上、下接地板之间的距离为b，之间导体的宽度为W，厚度为t，中间导体位于b的之间。实际中的带状线通常是把中间导体蚀刻在b/2的有接地平面的基片上，然后覆盖另一块厚度相同的有接地平面的基片而构成的。带状线：一条置于2个平行的地平面（或电源平面）之间的电介质之间的一根高频传输导线。一般来说，地平面与导线之间是绝缘介质。如果线的厚度和宽度、介质的介电常数以及两层导电平面间的距离是可控的，那么线的特性阻抗也是可控的。带状两边都有电源或者底层，因此阻抗容易控制，同时屏蔽较好，但是信号速度慢些。带状线是TEM波，而微带线是准TEM波。2.3微波网络传输散射矩阵

23、在微波频段，电压和电流已失去明确的物理意义，难以直接测量，同时Z参数和Y参数也难以测量（开路条件和短路条件在高频的情况下难以实现）。散射参数，简称S参数。（可直接测量）普通散射参数：行波散射参数。其物理内涵是以特性阻抗 匹配为核心，它在测量技术上的外在表现形态是电压驻波比VSWR；广义散射参数：功率散射参数。是以共轭匹配（最大功率匹配）为核心，它在测量技术上的外在表现形态是失配因子M。1.普通散射参数的定义普通散射参数是用网络各端口的入射电压波和出射电压波来描述网络特性的波矩阵。 式（2-1）则可得 式（2-2）两边除以，定义如下归一化入射波和归一化出射波。 式（2-3）则第i端口的行波反射系

24、数为 式（2-4）则解为式（2-5）或归一化电压和归一化电流式（2-6）以归一化入射波振幅 为自变量，归一化出射波 振幅为因变量，则可得线性N端口微波网络的行波散射矩阵为 式（2-7）或式中 式（2-8）散射矩阵元素的定义为 式（2-9）当除j以外的其他端口的入射波为零时（即接匹配负载时），为在端口j用入射电压波激励，测量端口i的出射电压振幅来求得。（两者的比例）散射参数的物理意义：是当所有其它端口接匹配负载时端口i的反射系数，是当所有其它端口接负载时从端口j至端口i的传输系数。3. 微波四端口元器件3.1 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

25、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

26、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

27、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。3.2 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。3.3 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

28、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

29、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

30、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。3.3.1 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，经小孔耦合，在副波导中激励起向左右方向传输的两个波，

31、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k1，称之为耦合系数。由于k1，故可忽略第小孔分功率后对P1的影响，而认为主波导中第小孔处的入射波功率仍为P1，经小孔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，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

32、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。3.3.2 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）

33、，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）sH的第一行乘以s第一列，得 式（3-6）sH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

34、，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）3.4 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3.4.1 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

35、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）3.4.2 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

36、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）3.4.3 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

37、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）3.5 180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

38、形式 式（3-21）图3-3 180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。4. Ansoft HFSS仿真软件的原理及应用4.1 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，Ans

39、oft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“Data Link”功能。能够利用此功能，与Ansoft的信号完整性分析工具SI wave进行协作分析。HFSSV10.0追加了芯片封装与印制电路板的协

40、作分析功能，减轻了波形分析的处理负荷。4.2 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

41、。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。4.3 Ansoft HFSS仿真软件的应用和特点4.3.1 Ansoft HFSS仿真软件的应用Ansoft HFSS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，

42、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Asoft HFSS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。4.3.2 Ansoft HFSS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

43、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。4.3.3 Ansoft HFSS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。（4） 对各个变量的优化

44、分析结果经行综合分析，最终找到最优化的参数。4.4 HFSS设计流程（1） 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。5. 利用Ansoft HFSS 设计环形定向耦合器5.1 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0.8GHz1.0 GHz；5散射参数 两个输出端口3dB。5.2 仿真过程与测试结果1.运行HFS