微波课设微波宽带10GHz功分器的设计

本科课程设计报告
课程名称：微波技术与天线
实验地点：博学馆一层机房
专业班级：电信1201 学号：2012001427
实验名称：微波宽带10GHz功分器的设计
学生姓名：
指导教师：刘建霞
2015年6月30日
课程设计任务书
注：课程设计完成后，学生提交的归档文件应按，封面—任务书—说明书—图纸的顺序进行装订上交（大张图纸不必装订）
指导教师签名： 日期：2015-6-10
专业班级
电信1201 学生姓名 杨凯 课程名称 微波技术与天线 课程设计 设计名称
宽带功分器 设计周数 1.5周 指导教师 李鸿鹰 设计
任务
主要
设计
参数 1 熟悉HFSS 仿真平台的使用 2 熟悉宽带功分器的工作原理与设计方法 3 在HFSS 平台上完成如下宽带功分器的仿真设计 设计要求如下： 频率：10GHz 介质：vacuum 4 结合同组其他同学的设计结果完成对于该天线结构参数与性能之间关系的探讨 5 在1.5周内完成设计任务
设计内容
设计要求
6.11：分组、任务分配、任务理解 6.12：查阅参考资料，理论上熟悉所设计的器件的工作原理与特性，完成方案设计。

6.15~6.18：熟悉仿真平台的使用，完成在平台上的建模，设置，结果提取与分析，以及验收。

6.19：同组同学结果汇总及讨论 6. 22：设计说明书的撰写 在设计过程中，作为设计小组成员，每位同学要具有团队意识和合作精神，并最终
独立完成自己的设计任务。

主要参考
资 料
刘学观，微波技术与天线，西安电子科技大学电出版社，2012 顾继慧，微波技术，科学出版社，2007 李明洋，HFSS 应用设计详解，人民邮电出版社，2010 学生提交
归档文件
1.设计报告
2.工程文件
摘要：
在微波系统中，需要将发射功率按一定的比例分配到各发射单元，如相控阵雷达等，因此功分器在微波电路中有着广泛的应用。

它性能的好坏直接影响到整个系统能量的分配和合成效率。

随着宽带天线、宽带滤波器等器件的不断发展，对宽带功分器的要求也越来越高，需求也越来越大。

功分器是实现无线信号等功率分配的射频器件。

二功分器一般有一个输入口和两个输出口，一个功分器的输出端口之间应保证一定的隔离度。

随着现代电子和通信技术的飞跃发展，信息交流越发频繁，各种各样电子电气设备已大大影响到各个领域的企业和家庭。

在微波通信领域，随着微波技术的发展，功分器作为一个重要的器件，其性能对系统有不可忽略的影响，因此其研制技术也需要不断地改进。

本文首先对功分器的基本理论、性能指标做了简单介绍，然后阐述了一个具体的微波宽带功分器的设计的思路和过程，并给出了设计的电路结构，仿真结果。

本文还用到了HFSS，在功分器的具体电路结构建模、仿真优化和版图的生成上如何应用，在文中都做出了相应的说明。

关键词：功分器、宽带、HFSS
1.前言
随着无线通信技术的快速发展，各种通讯系统的载波频率不断提高，小型化低功耗的高频电子器件及电路设计使微带技术发挥了优势。

在射频电路和测量系统如混频器、功率放大器电路中的功率分配与耦合元件的性能将影响整个系统的通讯质量。

功分器是将输入信号功率分成相等或不相等的几路输出的一种多端口网络，它广泛应用于雷达系统及天线的馈电系统中。

功分器按照其功率分配比有相应的设计公式可较为容易的实现。

本课设将着重阐述微波宽带功分器的设计。

2.设计目的
（1）通过仿真完成微波宽带功分器的设计；
（2）了解微波宽带功分器的工作原理。

3.器件介绍
功分器全称是功率分配器，是一种将一路输入信号能量分成两路或多路输出相等或不等能量的器件，是射频系统和通信系统的关键部件之一。

它有以下特征：
（1）三个端口完全匹配，即有S 11=S 22=S 33；
（2）端口1输入，端口2，3输出等幅同相，其滞后90deg ，S 21=S 31；
（3）两个之路完全隔离，所以S 23=S 32=0。

根据以上分析，功分器的散射矩阵为：
0j j 1[]j 002j 00S ⎡⎤⎢⎥=-⎢⎥⎢⎥⎣⎦
图1 功分器模型图
4.HFSS 仿真设计
4.1建立新的工程
为了方便创建模型，在Tool>Options>HFSS Options 中将Duplicate Boundries with geometry 复选框中，这样可以使得在复制模型时，所设置的边界也一同复制。

4.2设置求解类型
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。

4.3设置模型单位
将创建模型中的单位设置为毫米。

（1）在菜单栏中点击3D Modeler>Units。

（2）设置模型单位：
（a）在设置单位窗口中选择：mm。

（b）点击OK按钮。

4.4设置模型的默认材料
在工具栏中设置模型的默认材料为真空。

4.5添加和定义设计变量
从菜单栏中点击HFSS>Design Properties，在弹出的对话框中，单击Add按钮，添加变量。

定义变量如图2所示。

图2 变量定义图
4.6微波宽带功分器
（1）创建空腔
在菜单栏中点击Draw>Box。

创建一个任意大小长方体。

新建的长方体会添加到操作历史树的Solids节点下，其默认的名称为Box1.双击操作历史树下的SOLIDS下的box1节点，在弹出的对话框attribute中，将该长方体的名字修改为Air。

点击操作历史树下的CreatBox节点，在弹出的对话框中，Position栏输入长方体的起始位置，即X:-a/2,Y:b1,Z:-0.254按回车键结束输入。

输入长方体X、
Y、Z三个方向的尺寸，即XSize:A,YSize:B-B1,ZSize:6.254,按回车键结束输入。

依次按照以上操作，创建空腔1，2，3
空腔1中，Position栏输入长方体的起始位置，即X:-a/6,Y:0,Z:-0.254按回车键结束输入。

输入长方体X、Y、Z三个方向的尺寸，即XSize:a/3,YSize:b1,ZSize:6.254,按回车键结束输入。

空腔2中，Position栏输入长方体的起始位置，即X:a/6,Y:b,Z:-0.254按回车键结束输入。

输入长方体X、Y、Z三个方向的尺寸，即XSize:a/3,YSize:b2,ZSize:6.254,按回车键结束输入。

空腔3中，Position栏输入长方体的起始位置，即X:-a/6,Y:b,Z:-0.254按回车键结束输入。

输入长方体X、Y、Z三个方向的尺寸，即XSize:-a/3,YSize:b2,ZSize:6.254,按回车键结束输入。

（2）组合模型。

将Air、Air1、Air2、Air3组合成为一个模型。

按住Ctrl键，将所有物体选中。

在3D Modeler>Boolean>Unit,合并生成新模型Air3。

（3）设置显示方式
双击操作历史树中的Air1节点，在Properties对话框中，勾选Display Wireframe(显示框架)项，设置Display Type为Wireframe。

最后单击OK按钮，应用设置。

（4）创建一个默认材质
点击工具栏中Vacuum>Select，在弹出的对话框中，找到并选择Rogers RT/duroid5880（tm）项，点击确定按钮。

（5）创建基片
在菜单栏中点击Draw>Box。

创建一个任意大小长方体。

新建的长方体会添加到操作历史树的Solids节点下，其默认的名称为Box1.双击操作历史树下的Solids下的Box1节点，在弹出的对话框Attribute中，将该长方体的名字修改为Sub。

点击操作历史树下的CreatBox节点，在弹出的对话框中，Position栏输入长方体的起始位置，即X:-a/2,Y:b1,Z:-0.254按回车键结束输入。

输入长方体X、Y、Z三个方向的尺寸，即XSize:a,YSize:b-b1,ZSize:0.254,按回车键结束输入。

依次按照以上操作，创建基片1，2，3
基片1中，Position栏输入长方体的起始位置，即X:-a/6,Y:0,Z:-0.254按回车键结束输入。

输入长方体X、Y、Z三个方向的尺寸，即XSize:a/3,YSize:b1,ZSize:0.254,按回车键结束输入。

基片2中，Position栏输入长方体的起始位置，即X:a/6,Y:b,Z:-0.254按回车键结束输入。

输入长方体X、Y、Z三个方向的尺寸，即XSize:a/3,YSize:b2,ZSize:0.254,按回车键结束输入。

基片3中，Position栏输入长方体的起始位置，即X:-a/6,Y:z,Z:-0.254按回车键结束输入。

输入长方体X、Y、Z三个方向的尺寸，即XSize:-a/3,YSize:b2,ZSize:0.254,按回车键结束输入。

(6)组合基片。

将Sub、Sub1、Sub2、Sub3组合成为一个模型。

按住Ctrl键，将所有物体选中。

在3D Modeler>Boolean>Unit,合并生成新模型Sub1。

（7）创建金属导带
在菜单栏中点击Draw>Rectangle。

创建一个任意大小长方形。

新建的长方形会添加到操作历史树的Solids节点下，其默认的名称为Rectangle1.双击操作历史树下的Solids下的Rectangle1节点，在弹出的对话框Attribute中，将该长方体的名字修改为Microstrip。

点击操作历史树下的CreatRecangle节点，在弹出的对话框中，Position栏输入长方体的起始位置，即X：-w50/2,Y：0,Z：0按回车键结束输入。

输入长方体X、Y、Z三个方向的尺寸，即XSize：w50,YSize：11,点击确定按钮。

（8）创建半圆环1
在菜单栏中点击Draw>Circle。

在右下角的坐标输入栏中输入圆形的中心位置坐标，即X：0.38,Y：3.8,Z：0，按回车键结束输入。

输入圆形半径，即dX：0.310,dY：0,dZ：0按回车键结束输入。

在Property窗口中选择Attribute标签，将该圆形的名字改为rlout。

在菜单栏中点击Draw>Circle。

在右下角的坐标输入栏中输入圆形的中心位置坐标，即X：0.38,Y：3.8,Z：0，按回车键结束输入。

输入圆形半径，即dX：0.745,dY：0，dZ：0按回车键结束输入。

在Property窗口中选择Attribute标签，将该圆形的名字改为rlin。

在弹出的对话框中，Blank Parts选择rlout，Tool Parts选择rlin，点击OK按钮。

在菜单栏中点击Draw>Rectangle。

在右下角的坐标输入栏中输入长方形的起始位置坐标，即X：0.38,Y：0,Z：0按回车键结束输入。

输入长方体X、Y、Z三个方向的尺寸，即dX：-2.62,dY：4.8,dZ：0按回车键结束输入。

在特性窗口中选择Attribute标签，将长方形的名字修改为cut1。

按住Ctrl，同时依次选中rlout和cut1。

在菜单3DModeler>Boolean>Substrate。

在弹出的对话框中，Blank Parts选择rlout，Tool Parts选择cut1，点击OK按钮。

（9）创建导带l2
在菜单栏中点击Draw>Rectangle。

在右下角的坐标输入栏中输入长方形的起始位置坐标，即X：0.25,Y：4.24,Z：0按回车键结束输入。

输入长方体X、Y、Z三个方向的尺寸，即dX：0.31,dY：1.11,dZ：0按回车键结束输入。

在特性窗口中选择Attribute标签，将长方形的名字修改为l2。

（10）与创建半圆环1相似，创建半圆环2.
在菜单栏中点击Draw>Circle。

在右下角的坐标输入栏中输入圆形的中心位置坐标，即X：0.25,Y：6.475,Z：0，按回车键结束输入。

输入圆形半径，即dX：1.175,dY：0，dZ：0按回车键结束输入。

在Property窗口中选择Attribute标签，将该圆形的名字改为r2lout。

在菜单栏中点击Draw>Circle。

在右下角的坐标输入栏中输入圆形的中心位置坐标，即X：0.25,Y：6.475,Z：0，按回车键结束输入。

输入圆形半径，即dX：0.625,dY：0，dZ：0按回车键结束输入。

在Property窗口中选择Attribute标签，将该圆形的名字改为r2lin。

按住Ctrl，同时依次选中r2lout和r2lin。

在菜单3DModeler>Boolean>Substrate。

在弹出的对话框中，Blank Parts选择r2lout，Tool Parts选择r2lin，点击OK按钮。

在菜单栏中点击Draw>Rectangle。

在右下角的坐标输入栏中输入长方形的起始位置坐标，即X：0.25,Y：0,Z：0按回车键结束输入。

输入长方体X、Y、Z 三个方向的尺寸，即dX：2.75,dY：7.65,dZ：0按回车键结束输入。

在特性窗口中选择Attribute标签，将长方形的名字修改为cut2。

在弹出的对话框中，Blank Parts选择r2lout，Tool Parts选择cut2，点击OK按钮。

（11）创建导带l3
在菜单栏中点击Draw>Rectangle。

在右下角的坐标输入栏中输入长方形的起始位置坐标，即X：0.25,Y：7.1,Z：0按回车键结束输入。

输入长方体X、Y、Z三个方向的尺寸，即dX：0.55,dY：1.81,dZ：0按回车键结束输入。

在特性窗口中选择Attribute标签，将长方形的名字修改为l3。

（12）创建导带l4
在菜单栏中点击Draw>Rectangle。

在右下角的坐标输入栏中输入长方形的起始位置坐标，即X：0.25,Y：8.91,Z：0按回车键结束输入。

输入长方体X、Y、Z三个方向的尺寸，即dX：6.13,dY：0.76,dZ：0按回车键结束输入。

在特性窗口中选择Attribute标签，将长方形的名字修改为l4。

（13）创建导带l5
在菜单栏中点击Draw>Rectangle。

在右下角的坐标输入栏中输入长方形的起始位置坐标，即X：5.62,Y：9.67,Z：0按回车键结束输入。

输入长方体X、Y、Z三个方向的尺寸，即dX：0.76,dY：8.33,dZ：0按回车键结束输入。

在特性窗口中选择Attribute标签，将长方形的名字修改为l5。

（14）创建切角
在菜单栏中点击Draw>line。

在右下角的坐标输入栏中输入点坐标，X：6.38,Y：8.91,Z：0。

坐标输入栏中输入点坐标，X：6.38,Y：9.67,Z：0。

坐标输入栏中输入点坐标，X：5.62,Y：8.15,Z：0。

坐标输入栏中输入点坐标，X：6.38,Y：8.15,Z：0，按回车键结束输入。

在特性窗口中选择Attribute标签，将长方体的名字改为qiejiao。

按住Ctrl，同时选中l4和qiejiao。

在菜单3DMoleder>Boolean>Substrate。

在弹出的对话框中，Blank Parts选择l4，Tool Parts选择切角，点击OK按钮。

（15）合并导带
按住Ctrl，同时选中Microstrip，l2，l3，l4，l5，rlout和r2out。

在菜单3DModeler>Boolean>Unit，进行合并。

（16）复制导带
选中合并后的导带Microstrip，然后选择菜单项Edit>Duplicate>Mirror。

在坐标输入栏中输入点坐标，X：0,Y：0,Z：0。

在坐标输入栏中输入点坐标，dX：-2,dY：0,dZ：0。

（17）设置边界条件
选中导带Microstrip和Microstrip1，单击鼠标右键，选择Assign Boundaries>Perfect E，设置导带为理想边界。

（18）创建隔离电阻R1和R2
在菜单栏中点击Draw>Rectangle。

在右下角的坐标输入栏中输入长方形的起始位置坐标，即X：-0.25,Y：4.8,Z：0按回车键结束输入。

输入长方体X、Y、Z三个方向的尺寸，即dX：0.5,dY：0.5,dZ：0按回车键结束输入。

在特性窗口中选择Attribute标签，将长方形的名字修改为R1。

选中R1，然后单击鼠标右键，选择AssignBoundaries>lumped RLC，设置集总RLC边界，在弹出的对话框中选中Resistance，设置为97ohm。

在菜单栏中点击Draw>Rectangle。

在右下角的坐标输入栏中输入长方形的起始位置坐标，即X：-0.25,Y：7.65,Z：0按回车键结束输入。

输入长方体X、Y、Z三个方向的尺寸，即dX：0.5,dY：0.5,dZ：0按回车键结束输入。

在特性窗口中选择Attribute标签，将长方形的名字修改为R2。

选中R2，然后单击鼠标右键，选择Assign Boundaries>lumped RLC，设置集总RLC边界，在弹出的对话框中选中Resistance，设置为210ohm。

（19）设置激励端口
单击F键，切换到选择状态。

然后旋转物体模型，选中Air的侧面，在三维窗口中单击鼠标右键，在弹出的快捷菜单中选择Assign Excitation>Wave Port。

在该对话框中保持默认设置不变，单击OK按钮。

同样操作，选中wave port2和wave port3。

完成后，按快捷键O切换到选择物体状态。

（20）组合模型
用组合键Ctrl+A将所有物体选中。

点击菜单3DModeler>Boolean>Unit。

到此，创建微波宽带功分器的操作全部结束。

构成如图1所示的功分器模型。

4.7设置求解频率及扫频范围。

（1）设置求解频率
在菜单栏中点击HFSS>Analysis Setup>Add Solution Setup。

在求解窗口中作如下设置：Solution Freguency：10GHz，Maximum Numbers of Passes：5，Maximum Delta S per Pass：0.02，点击OK按钮。

（2）设置扫频
在菜单栏中点击HFSS>Analysis Setup>Add Sweep。

选择Setup1，点击OK。

在扫频设置窗口中作如下设置：Sweep Type：Fast，Freguency Setup Type：Linear Setup，Start：1GHz，Stop：20GHz，Step Size：0.5,将Save Field复选框选中，点击OK按钮。

4.8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HFSS_Magic T，并选择路径保存。

4.9求解该工程
在菜单栏中点击HFSS>Analyze。

4.10后处理操作
在仿真计算结束后，查看魔T的S参数，包括S11，S12，S13。

点击菜单栏HFSS>Result>Creat Report。

在创建报告窗口中做如下设置：Report Type：Model S Parameters，Display Type：Rectangle。

点击OK按钮。

在Trace窗口中作如下设置：Solution：Setup1：Sweep1；Domain：Sweep，点击Y标签，选择：Category：S parameter；Quantity：S(WavePort1，WavePort1)，S(WavePort1，WavePort2)，S(WavePort1，WavePort3)，Funtion：dB，然后点击Add Trace。

最后点击Done 按钮完成设置。

5.HFSS仿真结果
保存文件后通过仿真得到如图所示的实验结果图。

实验结果
6.设计心得
通过这次的课程设计，我学会了使用hfss设计宽带功分器的方法，了解有关功率分配器的相关原理和设计方法，在首次接触hfss 时首先感到的是一头雾水，无从下手。

然而在按照指导书的设计步骤以及老师同学的帮助修改下，一步一步按照要求完成了操作。

但是实验无法按照老师要求完成 1.8ghz，结果可能与要求结果相差较大，实在是自己学业不精，努力不够。

这次实验使我更加明白了理论与实践结合的重要性。

将抽象的事物集体化，对功分器有了感性的认识。

在此特别感谢在本次实验中对我提供帮助的老师和同学们。

相信本次的实验对我下学期课程的学习会提供很大的帮助。