9.1-9.2 環形定向耦合器簡介和HFSS設計概述

    9.1 環形定向耦合器簡介

    環形定向耦合器是由周長為3/2 個導波波長的閉合圓環和4 根輸入/輸出傳輸線相連接而構成的，與圓環相連接的4 根傳輸線的特征阻抗為Z0，圓環的特征阻抗為，端口①到 端口②、端口①到端口④、端口③到端口④之間的長度為 1/4 個導波波長，端口②到端口③ 之間的長度為 3/4 個導波波長。圖 9.1 給出了微帶線或帶狀線結構環形定向耦合器的示意圖。當微波信號由端口①輸入，端口②、端口③、端口④皆接匹配負載時，輸入信號功率可以等分成兩部分，分別由端口②和端口④輸出，端口③無信號輸出，端口①和端口③彼此隔離。

圖 9.1 環形定向耦合器示意圖

    環形定向耦合器的散射矩陣可以表示為：

    9.2 使用 HFSS 設計環形定向耦合器概述

    本章使用 HFSS 軟件設計一個環形定向耦合器，此環形耦合器使用帶狀線結構。耦合器的工作頻率為 4GHz，帶狀線介質層厚度為2.286mm，介質材料的相對介電常數和損耗正切分別為 2.33 和 0.000429；帶狀線的金屬層位于介質層的中央；端口負載皆為標準的50歐姆。環形耦合器的 HFSS 模型如圖 9.2 所示。

圖 9.2 環形耦合器在HFSS 中的模型

    9.2.1 耦合器的理論計算

    使用帶狀線計算工具（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網提供的帶狀線在線計算工具——網址： http://www.ostronger.com/tools/tools_109.html），可以計算出在上述設計條件下，帶狀線的導波波長為49.13mm，特征阻抗 Z0 = 50 時對應的帶狀線寬度 W50 = 1.78mm ，特征阻抗  = 70.7歐姆時對應的帶狀線寬度W70.7 = 0.98mm 。

    9.2.2 HFSS 設計簡介

    此環形耦合器使用帶狀線結構，因此HFSS工程可以采用終端驅動求解類型。4個端口都與背景相接觸，所以采用波端口激勵，且端口負載阻抗設置為50歐姆。為了簡化建模操作以及節省計算時間，帶狀線的金屬層使用理想薄導體來實現，即通過創建二維平面然后給二維平面指定理想導體邊界條件來模擬帶狀線的金屬層；帶狀線的金屬層位于介質層的中央。在 HFSS 中，與背景相接觸的表面會自動設置為理想導體邊界，因此帶狀線上下兩邊的參考地無須額外指定，直接使用默認的理想導體邊界即可。

    與圓環相連接的 4 根帶狀傳輸線長度取1/4 個波長，即 12.28mm，圓環外徑為12.22mm， 因此傳輸線終端到圓心的距離為24.5mm，正六邊體的外接圓半徑設置為24.5/cos(30°)mm。 為了能自由改變端口傳輸線的長度，定義一個設計變量 length 表示傳輸線終端到圓心的距離，變量的初始值取 24.5mm。

    耦合器的工作頻率為4GHz，所以在進行求解設置時，自適應網格剖分頻率設置為4GHz。 另外，為了查看定向耦合器在工作頻率兩側的頻率響應，需要在設計中添加 1～7GHz 的掃頻設置。

    9.2.3 HFSS 設計環境概述

    >> 求解類型：終端驅動求解

    >> 建模操作：正多邊體、矩形面、圓面、復制操作、合并操作、相減操作 

    >> 邊界條件邊界條件：理想導體邊界 

    >> 端口激勵：波端口激勵

    >> 求解設置：求解頻率 4GHz 

    >> 掃頻設置：快速掃頻，頻率范圍為 1～7GHz

    >> 后處理：S 參數掃頻曲線、S 矩陣

    下面就來詳細介紹具體的設計操作和完整的設計過程。