HMSIW定向耦合器的仿真设计解析

电磁场与电磁波实验10设计仿真微带线分支线定向耦合器

电磁场与电磁波实验实验报告姓名：学号：班级：上课时间：周二10-12节实验名称：设计仿真微带线分支线定向耦合器一、实验目的掌握微带分支线定向耦合器的设计方法；掌握用VOLTAIRE 进行仿真；二、实验原理在一些电桥电路及平衡混频器等元件中，常用到分支线定向耦合器，微带二分支定向耦合器如下图所示，图中的字母G 、H 和数字1是各线段特性导纳的归一化值（对50欧姆阻抗对应的导纳值归一化），因各端口的导纳值相同，所以又称为等阻二分支定向耦合器。

H当功率由（1）臂输入时，（3）、（4）两臂有输出；理想情况下，（2）臂无功率输出，故（2）臂是隔离臂，（3）、（4）两臂的输出可按一定的比例分配，若（3）、（4）两臂的输出功率相同，都等于输入功率的一半，则成为3dB 定向耦合器或3dB 分支电桥。

利用奇偶模分析法，将上述电路在中心线A －A1处切开，此时可将两条线（1）－（4）及（2）－（3）从A －A1面分开来考虑，这样将四端口网络转换为二端口网络，上下是对称的。

所以利用各端口理想的匹配及（1）、（2）端口之间理想的隔离条件，得出下列公式：2221(1)3(2)41120lg 20lg (3)3G H u jG u u G C u GH +==-+==其中C称为定向耦合器的耦合度，u1、u3、u4分别为（1）口输入电压和（3）、（4）口输出电压，可见（3）口和（4）口的输出电压相位差90度，对与3dB 定向耦合器（C＝3dB）代入上式得：==G H1,三、实验要求设计3dB微带分支定向耦合器已知条件：微带线介质基片厚度h=1mm，εr＝9.6，中心频率f0＝3GHz，输入输出端口的通信的阻抗为50 欧姆。

指标要求：1）根据所给的已知条件计算出各段微带线的宽度和长度，画出电路原理图2）对电路原理图进行仿真并对各线段调谐，达到指标如下：当频偏臂f/f0=1.06(即频率范围2.8～3.2GHz)时：在中心频率处耦合度（S31模值）为2.9～3.1dBρ≤，方向性或隔离度（即S21的模值）≥17.5dB，两臂输入驻波比 1.3的不平衡度（即S31与S41的模值dB差）≤0.26dB。

HFSS中仿真设计3.4Ghz分支线耦合器

HFSS中仿真设计3.4Ghz分支线耦合器
时间：2015-08-16 来源：天线设计网作者：admin TAGS：hfss耦合器定
向耦合器
定向耦合器是一种有方向性的功率耦合器件，在射频系统中有着广泛的应用，如功率监控系统、测试系统、功率分配系统等。

定向耦合器是一个四端口网络，它有输入端（端口1）、直通端（端口2）、耦合端（端口3）和隔离端（端口4)。

当信号从输入端输入时，除了一部分功率直接从直通端输出外，[天线设计网同时还有一部分功率耦合到耦合端输出，但不会从隔离端输出。

小编今天带给大家的是在[天线设计网]hfss中仿真设计频率为3.4GHz的分支线耦合器。

step1：首先根据设计频率以及介电常数，确定分支线长度。

step2：端口一般都选用标准的50欧姆微带线。

step3：设置端口顺序，可以按照上图的顺序。

step4：仿真设计，查看结果，优化方案。

（a）在hfss中建立模型
（b）设置端口顺序。

（1是数输入端，2是直通端口，3是耦合端口，4是隔离端口）
（c）一些重要参数
（d）仿真结果S11
s12
S13
S14
（e）场分布图
（f）模型下载
耦合器模型
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如何设计定向耦合器电路

如何设计定向耦合器电路汽车雷达、5G 蜂窝、物联网等射频 (RF) 应用中，电子系统对射频源的使用量与日俱增。

所有这些射频源都需要设法监测和控制射频功率水平，同时又不能造成传输线和负载的损耗。

此外，某些应用需要大功率发射器输出，因此设计人员需要设法监测输出信号，而非直接连接敏感仪器，以免受高信号电平影响导致损坏。

另外还有诸多其他挑战：在较宽的频率范围内如何确定射频负载（如天线）的特性；在发射器处于广播状态时如何监测负载变化和驻波比，以防止大反射功率和放大器损坏等。

只需将定向耦合器接入传输线，这些要求和挑战便可迎刃而解。

此方法可精确监测线路中的射频能量流，同时将功率水平降低已知的固定量。

在采样过程中，定向耦合器对主线信号的干扰极小。

此外，还能分离正向和反射功率，允许监测回波损耗或驻波比，从而在广播时提供负载变化反馈。

什么是定向耦合器？定向耦合器是一种测量设备，可接入信号发生器、矢量网络分析仪和发射器等射频源与负载之间的传输线，用于测量从射频源到负载的射频功率（正向分量），以及从负载反射回射频源的功率（反射分量）。

若测得正向和反射分量，即可计算总功率、负载的回波损耗和驻波比。

定向耦合器的四端口电路可配置为三端子或四端子设备（图 1）。

图 1：三端口（左）和四端口定向耦合器（右）的原理图符号。

（图片来源：Digi-Key Electronics）通常情况下，电源连接耦合器的输入端口，负载则连接输出或传输端口。

耦合端口输出是衰减后的正向信号。

衰减值如三端口设备原理图中所示。

在三端口设备中，隔离端口已在内部端接；而在四端口设备中，该端口输出与反射信号成正比。

原理图符号内的箭头表示分量路径。

例如，在四端口配置中，输入端口指向耦合端口，表明它接收了正向分量，而输出端口连接隔离端口，后者用于读取反射信号。

端口号并未标准化，因制造商不同而有所差异。

不过，各个供应商的端口命名相对统一。

耦合器是对称设备，各端口连接可互换。

(整理)微带线定向耦合器的设计

微带线定向耦合器的设计一、数学模型1、耦合度和传输系数图12所示，是平行耦合微带线定向耦合器的示意图。

当①端口信号激励时，③端口为隔离端无输出、而耦合端口②及直通端口④有输出。

根据奇、偶模分析方法可知，耦合端口②及直通端口④的输出电压分别为，θθθθθθθθsin )(cos 2sin cos sin )(cos 2sin cos 20200000020000002020000200002Z Z j Z Z jZ Z Z Z Z j Z Z jZ Z Z U e e e e +++-+++=θθθθsin )(cos 2sin )(cos 22020000000002020000002Z Z j Z Z Z Z Z Z j Z Z Z Z U e e e ++-++=式中：e Z 0和00Z 分别为耦合微带线的偶模和奇模特性阻抗，e θ和0θ分别是耦合微带线的偶模和奇模的电长度，0Z 是端口的端接阻抗。

根据（1）式可知定向耦合器的耦合度为，)dB (||lg 202U C ='而根据（2）式可得传输系数为，)dB (||lg 204U T =但需要满足以下条件，即：)1()2()3()4(eO e e e e Z Z Z Z Z Z Z θθθθsin sin sin sin 000000000020++==如果假设耦合微带线中传输的是TEM 波（而不是准TEM 波），则可忽略奇、偶模相速的差别而认为：θθθ==0e，此时（1）～（4）式可以改写成以下形式，即：θθθsin cos 1sin 2002j C jC U +-=θθsin cos 112204j C C U +--=式中：0000000Z Z Z Z C e e +-=2f f ⨯=πθ但需要满足以下条件，即：00020Z Z Z e =根据（5）～（9）式可知，此时的耦合度和传输系数分别变为，)dB ()cos 1sin lg(10220220θθC C C -=' )dB ()cos 11lg(1022020θC C T --=而中心频率的耦合度为，)dB ()lg(20lg 200000000Z Z Z Z C C e e +-=='2、耦合区的长度 )5()6()7()8()9()10()11()12()13(根据（11）式可知，当耦合区的电长度090=θ时，耦合度C '最大，耦合器获得最大的耦合输出。

复合材料定向器热力耦合仿真研究

式中:ρ 是材料密度ꎻｃ是材料比热容ꎻｔ是时间ꎻｋ是沿物
��信息技术��
谭继宇ꎬ等��复合材料定向器热力耦合仿真研究
ＤＯＩ:１０.１９３４４ / ｊ.ｃｎｋｉ.ｉｓｓｎ１６７１－５２７６.２０１８.０２.０４２
复合材料定向器热力耦合仿真研究
谭继宇ꎬ沙金龙
( 兵器工业第二〇八研究所ꎬ北京１０２２０２)
摘要:复合材料热力耦合分析变形形式复杂多样ꎬ不易控制ꎬ近年来成为研究的热点ꎮ 针对火箭定向器热力耦合问题ꎬ通过施加边界约束和载荷ꎬ创建了温度与压力共同作用下的热力耦合有限元模型ꎬ并得到了定向器在工作状况下的应力场和温度场的变形仿真结果ꎮ 与只有压力作用下的模型进行对比ꎬ证明了考虑温度场对定向器强度的必要性及该定向器的安全可靠ꎬ 能够满足该工况下的强度ꎮ 关键词: 定向器ꎻ各向异性ꎻ有限元ꎻ热力耦合中图分类号:ＴＪ７１１＋ .１文献标志码:Ｂ文章编号:１６７１￣５２７６(２０１８)０２￣０１５３￣０３ຫໍສະໝຸດ １定向器热力耦合有限元理论
在一般三维问题中ꎬ瞬态温度场的场变量:
( ) ( ) ( ) ρｃ
Əϕ－ Əｔ
Ə Əｘ
ｋｘ
Əϕ Əｘ
－Ə Əｙ
ｋｙ
Əϕ Əｙ
－Ə Əｚ
ｋｚ
Əϕ Əｚ
－ρＱ＝０ (１)
边界条件:
—
ϕ＝ϕ
(２)
( ) ( ) ( ) ｋｘ
Əϕ Əｘ
ｎｘ－
ｋｙ
Əϕ Əｙ
ｎｙ－
ｋｚ
Əϕ Əｚ
ｎｚ＝ｑ
(３)
( ) ( ) ( ) ｋｘ
Əϕ Əｘ
ｎｘ－
ｋｙ
Əϕ Əｙ

hfss耦合器仿真设计范例-概述说明以及解释

hfss耦合器仿真设计范例-概述说明以及解释1.引言1.1 概述在HFSS耦合器仿真设计范例这篇文章中，我们将介绍HFSS耦合器的原理和仿真设计步骤。

HFSS（High Frequency Structure Simulator）是一种电磁场仿真软件，广泛应用于高频电磁场仿真领域。

耦合器作为一种重要的电路元件，在无线通信和微波领域具有广泛的应用。

通过仿真设计，我们可以模拟和优化耦合器的性能，以满足实际工程需求。

本篇文章的主要目的是通过以HFSS为工具，详细介绍耦合器的仿真设计过程。

首先，我们将在理论背景部分介绍一些基本的电磁场理论知识，包括电磁波的传输和耦合原理。

随后，在HFSS耦合器的原理部分，我们将重点讲解HFSS软件在耦合器仿真中的应用。

接下来，我们将详细介绍HFSS耦合器的仿真设计步骤。

这包括建立仿真模型、设置边界条件和材料属性、定义仿真参数等。

我们还将介绍如何通过改变耦合器的几何参数来优化性能，如改变耦合间隙、调整导体尺寸等。

通过仿真结果的分析和对比，我们可以评估不同设计参数对耦合器性能的影响，并提出设计优化建议。

最后，在结论部分，我们将对实验结果进行分析和总结。

通过对仿真数据的分析，我们可以得出一些结论，如耦合器的带宽、传输损耗等。

同时，我们也会给出一些建议，如如何改善耦合器性能或进一步优化仿真设计。

通过本文的学习，读者将了解到HFSS耦合器的原理和仿真设计步骤，并能够利用HFSS软件进行仿真设计。

这不仅对于从事无线通信和微波领域研究的工程师和学者有重要意义，同时也对于对电磁场仿真感兴趣的读者有一定的参考价值。

在实际工程应用中，通过仿真设计可以节省成本和时间，同时提高产品性能和可靠性。

因此，熟练掌握HFSS耦合器的仿真设计方法对于工程实践具有重要的指导意义。

1.2 文章结构文章结构部分的内容可以包括以下信息：文章结构部分的主要目的是介绍整篇文章的组织方式，以及各个章节的内容概述。

通过对文章结构的明确介绍，读者可以更好地理解整篇文章的逻辑架构，有助于他们更好地理解和接受文章的内容。

利用HFSS进行波导单孔定向耦合器的仿真设计

-138-/2013.02/PLAY:CLR P3.4 ;存储器片选信号MOV A,#81H ;选择播放段落MOV DPTR, #0A900H ;选通语音芯片MOVX @DPTR, A ;送指令第一个字节MOV A,#10H ;指令第二个字节MOVX @DPTR,A ;送第二个字节SWAP A ;取忙碌状态ANL A,#0FHMOV B,A MOV A,#28H DJNZ ACC,$ ;等待L23: MOVX A,@DPTR ;是否播放完毕ANL A,B JNZ L23NOPLJMP PLAY参考文献[1]MSM6295.Data .2005-7.[2]楼然苗,李光飞.51系列单片机设计实例[M].北京航空航天大学出版社,2003.[3]何希才.常用集成电路简明速查手册[M].国防工业出版社,2006.[4]百度百科.利用HFSS进行波导单孔定向耦合器的仿真设计陕西黄河集团有限公司12车间郭宏博盛利利杨辉【摘要】本文介绍了单孔定向耦合器的仿真设计方法，该定向耦合器在一定条件下的方向性可以达到20dB以上，并具有结构简单、驻波小、方向性强等特点。

【关键词】单孔；定向耦合器；HFSS仿真1.前言定向耦合器是一种具有一定方向性的分功率器，在微波系统中较为常见，它能从主传输系统的正向波中按一定比例分出部分功率，而不从反向波中输出功率，因此可以利用定向耦合器对主传输系统中的入射波进行取样。

较为常见的波导定向耦合器有：单孔定向耦合器、双孔（槽）定向耦合器、多孔（槽）定向耦合器、十字孔定向耦合器等。

虽然单孔定向耦合器结构简单、性能良好，但在以前一段时间里，由于缺少仿真措施，单孔定向耦合器等微波器件的设计需要公式的近似计算来解决，实际效果不理想，因此单孔定向耦合器被采用的较少。

但随着科技的发展，仿真软件的出现和完善，单孔定向耦合器的设计出现了可能。

本文现就利用HFSS仿真软件针对于单孔定向耦合器进行了仿真设计，发现在一定条件下，单孔定向耦合器的方向性可以做到20dB以上，满足工程设计要求。

HFSS环形定向耦合器设计实例

实验二：环形定向耦合器仿真场分析实验目的：掌握带状线的设置、理解和分析环形定向耦合器的结构和原理。

实验内容：利用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50Ω。

实验原理：此环形耦合器使用带状线结构，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。

实验步骤及结果：一、新建工程设置1.插入HFSS设计2.设置求解类型3.设置默认的长度单位从主菜单栏选择【Modeler】→【Units】命令4.建模相关选项设置（使得建立三维模型之后弹出属性窗口）从主菜单栏中选择【Tools】→【Options】→【Modeler Options】5.定义变量 length从主菜单栏中选择【HFSS】→【Design Properties】命令点击Add按图填入相应的值然后点击OK点击‘确定’6.添加新材料从主菜单栏中选择【Tools】→【Edit Configured Libraries】→【Materials】命令点击按图填入相应的值，然后点击ok选择My_Sub，点击‘确定’，就把My_Sub设置成默认的选用材料7.创建带状线介质层模型随便设置一个圆 , 按图输入，创建一个正六边形柱体，点击OK跳出属性界面，按图输入，点击‘确定’缩放到合适的大小，可以得到下图8.创建带状线金属层模型随便画一个矩形，按下图设置属性双击,打开矩形属性界面,按下图设置属性，然后点击‘确定’单击选择Trace单击Duplicate Around Axis按下图设置，然后点击OK,就可复制粘贴Trace，跳出界面，直接点击‘确定’这样就复制粘贴创建成功,随便画一个画圆，按图选择及设置属性，点击‘确定’合并，按住ctrl,依次选择Trace, Trace1, Trace2, Trace3,Outer，点击Unite得到下图减去，随便画一个圆，按下图设置属性按下ctrl依次选择Trace和Circle1,点击Subtract点击OK,得到下图9．设置环形带状线 Trace 为理想导体边界,直接点击OK10．设置耦合器四个端口为波端口激励,按下F键进入面选模式选择这个面，右键进行下面操作按左图修改属性，点击OK按图上顺序依次对其他三个端口进行同样操作。

环形定向耦合器的仿真设计.

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）任务书备注1、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邮电大学世纪学院有关保管、使用论文的规定，其中包括：①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；②学校可以采用影印、缩印或其它复制手段复制并保存论文；③学校可允许论文被查阅或借阅；④学校可以学术交流为目的，复制赠送和交换学位论文；⑤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0.8GHz ~1.0 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。

基于HMSIW的带通滤波器设计与仿真

基于HMSIW的带通滤波器设计与仿真
董平;李想
【期刊名称】《空间电子技术》
【年(卷),期】2017(14)2
【摘要】提出了一种基于半模基片集成波导(HMSIW)的带通滤波器,通过在HMSIW的金属基片表面刻蚀周期性结构,来实现带通滤波器的传输通带和反射阻带的频率响应特性.在此带通滤波器的基础上,引入一种单层电磁带隙(EBG)结构,从而在滤波器高频段阻带引入传输零点,提高阻带特性.通过对EBG结构的传输特性分析,使用仿真软件CST MICROWAVE STUDIO进行仿真优化达到理论验证.
【总页数】6页(P70-75)
【作者】董平;李想
【作者单位】中国空间技术研究院西安分院,西安710000;中国空间技术研究院西安分院,西安710000
【正文语种】中文
【中图分类】V443+.4
【相关文献】
1.基于高通滤波器的 FIR 带通滤波器的设计与仿真 [J], 张学敏;吕晓丽;钟菲
2.基于新型CRLH-TL的双通带带通滤波器设计与仿真 [J], 王海猛
3.基于matlab的高阶带通滤波器的设计与仿真 [J], 秦聪
4.基于ORCAD／Pspice10．5的RC带通滤波器的设计与仿真 [J], 王晓臣刘海
亮
5.基于HMSIW的宽带带通滤波器设计分析 [J], 李晓丽
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[课程设计]基于MATLAB的2×2光纤定向耦合器设计

基于MATLAB 的2×2光纤定向耦合器设计1 设计原理1.1 单模光纤的传导场如图1，光纤的横截面有三层介质，分别是是芯层、包层和涂层，芯层折射率1n 稍大于包层折射率2n ，导波光由于全反射背包层约束在芯层中沿光纤延伸方向传播。

假设光的传播方向为光纤中心轴方向。

图1 阶跃光纤横截面结构图为简化讨论，只考虑基模的耦合。

已知光纤中传导场表达式为()()t i z i e e y x e z a t z y x E ωβ⨯⨯⨯=,),,,( （1-1）其中，()z a 为光纤中导波光场的场振幅，()y x e ,为光纤中导波光场的场分布，β为基模场的传播常数，ω为角频率。

某时刻在光纤中的传导场的空间分布就与()z a ，()y x e ,和β为相关。

1.1.1 单模光纤的场分布当给定波导（即光纤）的边界条件时，求解波导场方程可得本征解及相应的本征值β，即模式。

模式是波导结构的固有电磁共振属性的表征。

单模光纤中只能存在基模，其场分布是确定的，可由亥姆霍兹方程求得。

在弱导光纤中的电磁波，其横向场分量E t 、H t 远大于纵向场分量E z 、H z ，而且横向场分量是线偏振的。

于是我们把电场的横向分量取为y 轴方向，即E t =E y 。

亥姆霍兹方程为()02202=+∇y y E r n k E （1-2）其中()⎩⎨⎧≥≤=a r n ar n r n 21，λπ20=k 为真空中的光波矢量。

利用分离变量法，将方程1-2在圆柱坐标系中求解，并结合电磁场的边界条件，可以解出电场的横向分量E y ：()()()()⎩⎨⎧≥≤=a r W K a Wr K ar U J a Ur J m A E m mm m y θcos （1-3）其中，r 是点到光纤中心轴的距离，m 是整数，J m 和K m 分别是m 阶贝塞尔函数和m 阶变态汉克尔函数；a 是光纤芯层半径，一般单模光纤的a=2~5µm 。

利用HFSS进行波导单孔定向耦合器的仿真设计

利用HFSS进行波导单孔定向耦合器的仿真设计【摘要】本文介绍了单孔定向耦合器的仿真设计方法，该定向耦合器在一定条件下的方向性可以达到20dB以上，并具有结构简单、驻波小、方向性强等特点。

【关键词】单孔；定向耦合器；HFSS仿真1.前言定向耦合器是一种具有一定方向性的分功率器，在微波系统中较为常见，它能从主传输系统的正向波中按一定比例分出部分功率，而不从反向波中输出功率，因此可以利用定向耦合器对主传输系统中的入射波进行取样。

较为常见的波导定向耦合器有：单孔定向耦合器、双孔（槽）定向耦合器、多孔（槽）定向耦合器、十字孔定向耦合器等。

虽然单孔定向耦合器结构简单、性能良好，但在以前一段时间里，由于缺少仿真措施，单孔定向耦合器等微波器件的设计需要公式的近似计算来解决，实际效果不理想，因此单孔定向耦合器被采用的较少。

但随着科技的发展，仿真软件的出现和完善，单孔定向耦合器的设计出现了可能。

本文现就利用HFSS仿真软件针对于单孔定向耦合器进行了仿真设计，发现在一定条件下，单孔定向耦合器的方向性可以做到20dB以上，满足工程设计要求。

2.定向耦合器的设计2.1 技术要求：1）相对带宽≥15％；2）VSWR≤1.30；3）方向性≥20dB；4）耦合量≥-35dB2.2 设计过程2.2.1 设计思想单孔定向耦合器是指在主传输系统和采样传输系统之间用单孔来进行耦合，为了获得定向型，该单孔必须开在两个矩形波导的公共宽壁的中心上，且两个矩形波导之间要保证一定的斜扭角度。

由小孔耦合理论可知，小孔可用电和磁偶极矩后成的等效源来代替，因此利用调节这两个等效源的相对振幅可以消除在隔离端口方向的辐射，而增强在耦合端口方向的辐射，从而获得理想的定向性。

2.2.2 模型的建立电磁仿真软件HFSS是作为行业标准的3D全波电磁仿真工具，它融合了全波频域有限元法、积分方程法、区域分解算法等来对微波器件进行仿真计算的。

众所周知，有限元法是基于微分方程方法的数值方法，相应的支配方程是麦克斯韦方程组演化而来的亥姆赫兹方程或者泊松方程，因此该软件能够较为真实的模拟现实环境，提高仿真的准确性。

实验七、定向耦合器设计与仿真

依次点击“oK”，最后得到”VAR”控件的参数设置如图，点击”OK”。
2、双击原理图中“Mlang”控件修改W,S参数为变量形式。
3、单击元件窗口面板选择” 将“optim”和”GOal”两控件拖入电路窗口，共设三个优化目标，再复制两个“Goal” 。分别对这这个控件进行设置，如图。
点击仿真按钮，结果如图。将w=1.22,S=1.24,代入控件VAR中，将优化的四个控件关闭，再重新仿真得仿真数据如图。
电路版图
D
10 log
P4 P3
20 log
S41 S31
(dB)
⑷、插入损耗：直通端口②的输出功率P2和输入端口①的输入功率P1之比。
IL
10
log
P2 P1
20 log
S21
(dB)
⑸、输入驻波比：端口②、③、④都接匹配负载时的输入端口①的驻波比。
1 S11
1 S11
⑹、工作带宽：定向耦合器的C、I、D、ρ等参数均满足要求的工作频率范围。
由于H=15mil，所以得W=1.605mil,S=1.065mil。中心频率f0=12GHz，所以 L=100mil。用这些参数对电路图中的“Mlang”双击设置相应参数（w2对应耦合器四个端口50Ω的微带线宽度，计算得到14.75mil)。
8、同样对S参数扫描参数进行相应设置。如图
单击仿真，添加数据S(1,1) ,S(3,1) S(4,1),显示窗口。
④ 隔离
Z0 λ/4
s
Z0 w
② 直通
输入 ① Z0
③
Z0
耦合
Lange结构
1、耦合器工作原理
结构如图，端口1的输入功率一部分直接传输给直通端口2、另一部分耦合到耦合端口3，理想情况下，没有功率从隔离口输出。另外直通口与耦合口之间有900的相位差。Z0为输入输出微带线的宽度，S为微带线之间的间距，λ/4为工作带宽中心频点处的四分之一波长。影响耦合系数C的参数

微波定向耦合器的原理与设计

微波定向耦合器的原理与设计微波定向耦合器的原理与设计微波定向耦合器的原理与设计一、实验目的1．了解定向耦合器的原理；2．利用实验模组实际测量以了解定向耦合器的特性；3．掌握耦合器的设计方法。

二、实验原理定向耦合器是一种有方向性的功率耦合元件，可用来监视功率、频率和频谱；把功率进行分配和合成；构成雷达天线的收发开关、平衡混频器和测量电桥；还可用来测量反射系数和功率等。

定向耦合器是四端口网络结构，如图9-1所示。

图9-1 定向耦合框图它的信号输入端（port_1）的功率为，信号直通端（port_2）的功率为，信号耦合端（port_3）的功率为，而信号隔离端（port_4）的功率为。

在各端口均接匹配负载的情况下，定义下述各项技术指标：传输系数：式（9-1）耦合系数：式（9-2）隔离系数：式（9-3）方向系数：式（9-4）它们之间的关系为：式（9-5）定向耦合器常用于对指定流向微波信号的提取，或是相反地混合不同的信号。

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，一种是耦合线定向耦合器，其耦合区长度为四分之一波长，一个输入端口，其直接输出和耦合输出端口在结构上不相邻，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，常用于强耦合场合。

关键参数指标及其含义耦合度：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的分贝值。

耦合分配损耗：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。

耦合分配损耗与耦合度的关系如下：耦合度耦合分配损耗3dB 3.00dB 6dB 1.20dB 10dB 0.46dB 15dB 0.14dB 20dB 0.04dB 30dB 0.004dB 主线插入损耗：当匹配负载接主线外各端口时，主线输出功率与输入功率之比的分贝值。

主线插入损耗包括能量耦合损耗和能量耗散损耗两方面。

双分支定向耦合器

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9、版图仿真：选择任务栏”Layou” 的第一项，在弹出的对话框中点“OK” 得到版图。
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10、根据版图中的尺寸制成PCB板。
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6、看仿真结果是否符合设计要求。其中S11为驻波比（<1.5）
S31为耦合度（6±1dB） S41为隔离度（>20dB）
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7、点击耦合器，再点任务栏“向下的箭头”，可看到耦合器的内部结构。
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8、删除四个端口，在下拉菜单中找到 “Simulation-S_Param”，点“Term” 图标表示的50欧标准阻抗接在四个端口，再接地。
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4、修改“MSUB”参数：基板厚度H=0.8mm, 相对介电常数Er=4.3，金属层厚度T=0.035mm 。修改耦合器参数：频率F=2GHZ，耦合度C=6dB
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5、打开无源器件控制窗口，设置仿真的扫描频率“2010-2030”MHZ，间隔为100kHZ ，点Simulate开始仿真。
双分支定向耦合器
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1、新建一个工程，在默认目录下取名为”coupler”(实验时自己取名）, 并选择原理图中微带线的单位为mm。
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2、在下拉菜单中选择无源器件 “Passive Circuit DG-Microtrip Circuits”
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3、在左边无源器件中选择耦合器 “Blcplr”和重要的控键“MSUB”。

定向耦合器法测量5.8G天线反射系数（HFSS-ADS联合仿真）

定向耦合器法测量5.8G天线反射系数（HFSS-ADS联合仿真）1. 反射系数测量的基本原理对于N端⼝⽹络来说，在其他端⼝全部已经得到匹配的情况下（⽆反射），该端⼝的反射系数Γi等价于Sii参数，即Vi-表⽰反射波电压，Vi+表⽰⼊射波电压。

特殊地，该⽹络只有⼀个端⼝，⽐如天线，则反射系数等效于天线增益。

定向耦合器是⼀种互易⽆耗匹配的四端⼝⽹络，其散射矩阵[S]为如下形式且须满⾜如下关系其中当1为输⼊端⼝时， 2为直通端⼝， 3为耦合端⼝， 4为隔离端⼝。

在理想情况下，没有功率传输到4端⼝。

由散射矩阵可以看出来，S12=S21=α，|S13|=|S31|=β，S14=S41=S23=S32=0。

定向耦合器性能与下⾯三个参量有关,注意此处为实际（测量）值，并⾮理想值，故|S14| >0.耦合度C = 10lg（P1/P3）= -20lgβ dB⽅向性 D = 10lg（P3/P4）= 20lg(β/|S14|) dB隔离度 I = 10lg（P1/P4）= -20lg|S14| dB2. 定向耦合器测反射系数的⽅法如上图所⽰，橙⾊线表⽰DUT激励信号流向，紫⾊线表⽰DUT反射信号流向。

假设定向耦合器是理想的，⽅向性⽆穷⼤，隔离端⽆信号射出。

设V3，V4为端⼝3，端⼝4电压，DUT反射系数为Γ，则有即是说对于理想的定向耦合器，按照如上述电路接法，则DUT端的反射系数，正⽐于V4和V3电压之⽐。

若定向耦合器⽆损耗，则S12≈1，则V4/V3≈Γ。

3. 5.8G贴⽚天线设计打开ANSYS HFSS 2019 R2软件，选择Antenna Toolkit插件在左边⼀栏选择插⼊时贴⽚天线，在右边选择中⼼频点5.8GHz，FR4板材，点击上⽅同步按钮，最后选择完成进⾏⼯程⽣成。

然后进⾏⼯程检查和仿真，效果图⽅向图如上图所⽰，3dB波束宽度约为130°可以在回损曲线5.83G处看到⼀明显凹点，约为-12dB将设计好的天线S参数进⾏导出存盘命名为patch5.8G.sip,阻抗50Ω。