实验四-微波环形电桥元件的设计与仿真

实验四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HFSS13.0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p2p1p4,p2p3p4两条路径的距离相差2/g，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，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εr=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ToolOptionsHFSSOptions中讲DuplicateBoundarieswithgeometry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HFSSSolutionType。（2）在弹出的SolutionType窗口中(a)选择DrivenModal。(b)点击OK按钮。3.设置模型单位（1）在菜单栏中点击3DModelerUnits。（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AddMaterial按钮，添加介电常数(RelativePermittivity)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DrawRegularPoyhedron。(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SegmentNumber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DrawRectangle,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EditSelectByName,在弹出的窗口中选择Trace。(b)在菜单栏中点击HFSSBoundariesAssignPerfectE。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ModelerGridPlaneXZ，将工作主平面更改为XOZ平面。(b)在菜单栏中点击ViewModifyAttributesOrientation(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DrawRectangle。(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HFSSExcitationsAssignWavePort,在LumpedPort窗口的General标签中，将该端口命名为p1。(i)在Modes标签的IntegrationLine中点击None，选择NewLine，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EditSelectByName,在弹出的窗口中选择Trace、Port。(b)点击EditDuplicateAroundAxis，设置：Axis：Z，Angle：60(deg)，Totalnumber：4，点击OK结束。（6）建立Ring(a)在菜单栏中点击ModelerGridPlaneXZ，将工作主平面更改为XOZ平面。(b)点击DrawCircle，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EditSelectByName,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ModelerBooleanUnite(h)点击DrawCircle，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EditSelectByName,在弹出的窗口中选择Outer、Inner(k)在菜单栏中点击ModelerBooleanSubtract,在Subtract窗口中作如下设置：BlankParts:OuterToolParts:InnerClonetoolobjectsbeforesubtract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HFSSAnalysisSetupAddSolutionSetup。(b)在求解设置窗口中作如下设置：SolutionFrequency：4GHz；MaximumNumbersofPasses：20；MaximumDeltaSperPass：0.02；点击OK按钮。（2）设置扫频(a)在菜单栏中点击HFSSAnalysisSetupAddSweep。(b)选择Setup1，点击OK。(c)在扫频设置窗口中作如下设置：SweepType：Fast；FrequencySetupType：LinearStep；Start：2GHz；Stop：7GHz；Step：0.05GHz。(d)将SaveField复选框选中，点击OK按钮。7.保存工程在菜单栏中点击FileSaveAs，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HFSSAnalyzeAll9.S参数（1）S参数(a)点击HFSSResultCreateModalSolutionDataReport(b)选择RectanglePlot(c)在Trace窗口中设置：Solution:Setup1:Sweep1;Domain:Sweep;点击Y标签，选择：Category:Sparameter;Quantity:S(p1,p1)、S(p2,p1)、S(p3,p1)、S(p4,p1);Function:dB。(d)点击NewReport按钮完成。（2）S参数相位(a)点击HFSSResultCreateModalSolutionDataReport(b)选择RectanglePlot(c)在Trace窗口中设置：Solution:Setup1:Sweep1;Domain:Sweep;点击Y标签，选择：Category:Sparameter;Quantity:S(p2,p1)、S(p4,p1);Function:cang_deg。(d)点击NewReport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11S大约为-32.5524dB，从端口1到端口2和从端口1到端口4的传输量（21S，41S）。从微波环形电桥元件的S参数相位曲线图可以看出21S的相位为-230.4709°，在带外，41S的相位为-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31S也为-32.5524dB，显示了隔离特性。七、问题思考及小结本实验设计了一个微波环形电桥元件，此环形电桥元件通过微带结构实现，工作频率为4GHz选用介质板的介电常数为εr=2.33，厚度为h=2.286mm。通过本次实验，我学会了如何在HFSS中实现对电桥环形贴片和馈电的建模，掌握了端口和边界的设置，了解了微波环形电桥元件的结构，并通过仿真直观地查看了该微波环形电桥元件的S参数。最开始在实验时由于粗心设置模拟单位时没有设置成mm，导致结果出不来，重新设置之后，问题解决。