实验四-微波环形电桥元件的设计与仿真

实验四实验四 微波环形电桥元件的设计与仿真微波环形电桥元件的设计与仿真 一 实验目的 1 设计一个微波环形电桥元件 2 查看并分析该微波环形电桥元件的 S 参数 二 实验设备 装有 HFSS 13 0 软件的笔记本电脑一台 三 实验原理 在微带电桥中 当信号从 p2 输入时 由于 p2 端口到达 p1 端口和到达 p3 端口的长度 相同 因此信号平分并等幅同相自 p1 端口和 p3 端口输出 而沿 p2 p1 p4 p2 p3 p4 两条 路径的距离相差 p2 端口输入的信号传到 p4 端口形成大小相等 相位相反的两路 2 g 从而在 p4 端口互相抵消而无输出 p2 端口与 p4 端口可看做互相隔离的 同理 若信号从 p3 端口输入 信号将等幅同相自 p4 端口和 p2 端口输出 而不会自 p1 端口输出 p3 端口 和 p1 端口是隔离的 若信号自 p4 端口输入 p1 端口和 p3 端口将等幅反相输出 若信号 自 p1 端口输入 p4 端口和 p2 端口将等幅反向输出 四 实验内容 设计一个微波环形电桥元件 其指标要求如下 工作频率为 4GHz 环形电桥元件设计仿真中采用微带结构实现 选用介质板的介电常数为 r 2 33 厚度 为 h 2 286mm 最终获得 S 参数曲线的仿真结果 五 实验步骤 1 建立新工程 了方便建立模型 在 Tool Options HFSS Options 中讲 Duplicate Boundaries with geometry 复选框选中 2 将求解类型设置为激励求解类型 1 在菜单栏中点击 HFSS Solution Type 2 在弹出的 Solution Type 窗口中 a 选择 Driven Modal b 点击 OK 按钮 3 设置模型单位 1 在菜单栏中点击 3D Modeler Units 2 在设置单位窗口中选择 mm 4 设置模型的默认材料 点击 Material 对应的按钮 在弹出的材料设置窗口中点击 Add Material 按钮 添加介 电常数 Relative Permittivity 为 2 33 的介质 将其命名为 My sub 点击 OK 结束 5 建立环形电桥模型 1 首先建立介质基片 a 在菜单栏中点击 Draw Regular Poyhedron b 在坐标输入栏中输入中心点的坐标 X 0 Y 0 Z 1 143 按回车键 c 在坐标输入栏中输入半径向量 dX 22 345mm cos 30 pi 180 dY 0 dZ 0 按 回车键 d 在坐标输入栏中输入棱柱的高度 dX 0 dY 0 dZ 2 286 按回车键 e 在弹出的 Segment Number 窗口中将多边形数改为 6 在特性 Property 窗口中选 择 Attribute 标签 将该名字修改为 Substrate 2 建立 Trace a 在菜单栏中点击 Draw Rectangle 创建矩形模型 b 在坐标输入栏中输入起始点的坐标 X 0 89154 Y 0 Z 0 按回车键 c 在坐标输入栏中输入长 宽 dX 1 78308 dY 22 345 dZ 0 按回车键 d 在特性 Property 窗口中选择 Attribute 标签 将该名字修改为 Trace 3 为 Trace 设置理想金属边界条件 a 在菜单栏中点击 Edit Select By Name 在弹出的窗口中选择 Trace b 在菜单栏中点击 HFSS Boundaries Assign Perfect E 在弹出的对话框中将其命名为 Perf Trace 点击 OK 按钮 4 为 Trace 设置激励端口 a 在菜单栏中点击 Modeler Grid Plane XZ 将工作主平面更改为 XOZ 平面 b 在菜单栏中点击 View Modify Attributes Orientation c 在观察窗口中选择观察视角 Right 点击 Apply 然后点击 Close 结束 d 创建矩形端口面 点击 Draw Rectangle e 运用捕捉功能 在 3D 窗口中移动鼠标 当鼠标移动到棱柱矩形侧面左下角点时 此时鼠标形状为正方形表示已经捕捉到该顶点 点击鼠标左键 f 在 3D 模型窗口中拖动鼠标 当鼠标捕捉到右下角顶点时 点击鼠标左键 g 在特性 Property 窗口中选择 Attribute 标签 将该名字修改为 Port h 在菜单栏点击 HFSS Excitations Assign Wave Port 在 Lumped Port 窗口的 General 标签中 将该端口命名为 p1 i 在 Modes 标签的 Integration Line 中点击 None 选择 New Line 在坐标栏中输入以 下坐标 X 10 9 Y 22 345 Z 1 143 dX 0 dY 0 dZ 1 143 按回车键结束输入 点击 Next 直至结束 5 创建其他 Trace 和波端口 a 在菜单栏中点击 Edit Select By Name 在弹出的窗口中选择 Trace Port b 点击 Edit Duplicate Around Axis 设置 Axis Z Angle 60 deg Total number 4 点击 OK 结束 6 建立 Ring a 在菜单栏中点击 Modeler Grid Plane XZ 将工作主平面更改为 XOZ 平面 b 点击 Draw Circle 在坐标输入栏中输入圆心点的坐标 X 0 Y 0 Z 0 按回车 键 在坐标输入栏中输入圆半径 dX 11 795 dY 0 dZ 0 按回车键 c 在特性 Property 窗口中选择 Attribute 标签 将该名字修改为 Outer f 在菜单栏中点击 Edit Select By Name 在弹出的窗口中选择 Trace Trace 1 Trace 2 Trace 3 Outer g 在菜单栏中点击 Modeler Boolean Unite h 点击 Draw Circle 在坐标输入栏中输入圆心点的坐标 X 0 Y 0 Z 0 按回车 键 在坐标输入栏中输入圆半径 dX 10 795 dY 0 dZ 0 按回车键 i 在特性 Property 窗口中选择 Attribute 标签 将该名字修改为 Inner j 在菜单栏中点击 Edit Select By Name 在弹出的窗口中选择 Outer Inner k 在菜单栏中点击 Modeler Boolean Subtract 在 Subtract 窗口中作如下设置 Blank Parts Outer Tool Parts Inner Clone tool objects before subtract 复选框不选 点击 OK 结束设置 6 求解设置 1 设置求解频率 a 在菜单栏中点击 HFSS Analysis Setup Add Solution Setup b 在求解设置窗口中作如下设置 Solution Frequency 4GHz Maximum Numbers of Passes 20 Maximum Delta S per Pass 0 02 点击 OK 按钮 2 设置扫频 a 在菜单栏中点击 HFSS Analysis Setup Add Sweep b 选择 Setup1 点击 OK c 在扫频设置窗口中作如下设置 Sweep Type Fast Frequency Setup Type Linear Step Start 2GHz Stop 7GHz Step 0 05GHz d 将 Save Field 复选框选中 点击 OK 按钮 7 保存工程 在菜单栏中点击 File Save As 在弹出的窗口中将该工程的命名为 shiyan4 并选择路 径保存 8 求解该工程 点击 HFSS Analyze All 9 S 参数 1 S 参数 a 点击 HFSS Result Create Modal Solution Data Report b 选择 Rectangle Plot c 在 Trace 窗口中设置 Solution Setup1 Sweep1 Domain Sweep 点击 Y 标签 选择 Category S parameter Quantity S p1 p1 S p2 p1 S p3 p1 S p4 p1 Function dB d 点击 New Report 按钮完成 2 S 参数相位 a 点击 HFSS Result Create Modal Solution Data Report b 选择 Rectangle Plot c 在 Trace 窗口中设置 Solution Setup1 Sweep1 Domain Sweep 点击 Y 标签 选择 Category S parameter Quantity S p2 p1 S p4 p1 Function cang deg d 点击 New Report 按钮完成 六 实验结果 仿真图如下 微波环形电桥元件的 S 参数曲线如下 微波环形电桥元件的 S 参数相位曲线如下 由上图微波环形电桥元件的 S 参数曲线可知 中心频率 4GHz 端口 1 的自反射大 11 S 约为 32 5524dB 从端口 1 到端口 2 和从端口 1 到端口 4 的传输量 从微波环 21 S 41 S 形电桥元件的 S 参数相位曲线图可以看出的相位为 230 4709 在带外 的相位为 21 S 41 S 48 4392 两者相差 180 与理论吻合很好 而端口 1 和端口 3 的传输量也为 31 S 32 5524dB 显示了隔离特性 七 问题思考及小结 本实验设