9.1-9.2 环形定向耦合器简介和HFSS设计概述

    9.1 环形定向耦合器简介

    环形定向耦合器是由周长为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 根传输线的特征阻抗为Z0，圆环的特征阻抗为，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。图 9.1 给出了微带线或带状线结构环形定向耦合器的示意图。当微波信号由端口①输入，端口②、端口③、端口④皆接匹配负载时，输入信号功率可以等分成两部分，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。

图 9.1 环形定向耦合器示意图

    环形定向耦合器的散射矩阵可以表示为：

    9.2 使用 HFSS 设计环形定向耦合器概述

    本章使用 HFSS 软件设计一个环形定向耦合器，此环形耦合器使用带状线结构。耦合器的工作频率为 4GHz，带状线介质层厚度为2.286mm，介质材料的相对介电常数和损耗正切分别为 2.33 和 0.000429；带状线的金属层位于介质层的中央；端口负载皆为标准的50欧姆。环形耦合器的 HFSS 模型如图 9.2 所示。

图 9.2 环形耦合器在HFSS 中的模型

    9.2.1 耦合器的理论计算

    使用带状线计算工具（如 Agilent 公司 Advanced Design System 的Linecalc 工具，AWR 公司Microwave Office 的 TXLine 工具或者微波EDA网提供的带状线在线计算工具——网址： http://www.mweda.com/tools/tools_109.html），可以计算出在上述设计条件下，带状线的导波波长为49.13mm，特征阻抗 Z0 = 50 时对应的带状线宽度 W50 = 1.78mm ，特征阻抗  = 70.7欧姆时对应的带状线宽度W70.7 = 0.98mm 。

    9.2.2 HFSS 设计简介

    此环形耦合器使用带状线结构，因此HFSS工程可以采用终端驱动求解类型。4个端口都与背景相接触，所以采用波端口激励，且端口负载阻抗设置为50欧姆。为了简化建模操作以及节省计算时间，带状线的金属层使用理想薄导体来实现，即通过创建二维平面然后给二维平面指定理想导体边界条件来模拟带状线的金属层；带状线的金属层位于介质层的中央。在 HFSS 中，与背景相接触的表面会自动设置为理想导体边界，因此带状线上下两边的参考地无须额外指定，直接使用默认的理想导体边界即可。

    与圆环相连接的 4 根带状传输线长度取1/4 个波长，即 12.28mm，圆环外径为12.22mm， 因此传输线终端到圆心的距离为24.5mm，正六边体的外接圆半径设置为24.5/cos(30°)mm。 为了能自由改变端口传输线的长度，定义一个设计变量 length 表示传输线终端到圆心的距离，变量的初始值取 24.5mm。

    耦合器的工作频率为4GHz，所以在进行求解设置时，自适应网格剖分频率设置为4GHz。 另外，为了查看定向耦合器在工作频率两侧的频率响应，需要在设计中添加 1～7GHz 的扫频设置。

    9.2.3 HFSS 设计环境概述

    >> 求解类型：终端驱动求解

    >> 建模操作：正多边体、矩形面、圆面、复制操作、合并操作、相减操作 

    >> 边界条件边界条件：理想导体边界 

    >> 端口激励：波端口激励

    >> 求解设置：求解频率 4GHz 

    >> 扫频设置：快速扫频，频率范围为 1～7GHz

    >> 后处理：S 参数扫频曲线、S 矩阵

    下面就来详细介绍具体的设计操作和完整的设计过程。