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HFSS 13.0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p2>p1>p4,p2>p3>p4两条路径的距离相差?g/2，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Tool>Options>HFSS Options中讲Duplicate Boundaries with geometry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HFSS>Solution Type。 （2）在弹出的Solution Type窗口中 (a)选择Driven Modal。 (b)点击OK按钮。 3.设置模型单位
（1）在菜单栏中点击3D Modeler>Units。 （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Add Material按钮，添加介电常数(Relative Permittivity)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Draw>Regular Poyhedron。
(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Segment Number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Draw>Rectangle,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Edit>Select>By Name,在弹出的窗口中选择Trace。
(b)在菜单栏中点击HFSS>Boundaries>Assign>Perfect E。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Modeler>Grid Plane>XZ，将工作主平面更改为XOZ平面。 (b)在菜单栏中点击View>Modify Attributes>Orientation
(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Draw>Rectangle。
(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HFSS>Excitations>Assign>Wave Port,在Lumped Port窗口的General标签中，将该端口命名为p1。
(i)在Modes 标签的Integration Line中点击None，选择New Line，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Edit>Select>By Name,在弹出的窗口中选择Trace、Port。
(b)点击Edit>Duplicate>Around Axis，设置：Axis：Z，Angle：60(deg)，Total number：4，点击OK结束。
（6）建立Ring
(a)在菜单栏中点击Modeler>Grid Plane>XZ，将工作主平面更改为XOZ平面。
(b)点击Draw>Circle，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Edit>Select>By Name,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Modeler>Boolean>Unite
(h)点击Draw>Circle，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Edit>Select>By Name,在弹出的窗口中选择Outer、Inner
(k)在菜单栏中点击Modeler>Boolean>Subtract,在Subtract窗口中作如下设置： Blank Parts :Outer Tool Parts : Inner
Clone tool objects before subtract 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HFSS>Analysis Setup>Add Solution Setup。
(b)在求解设置窗口中作如下设置：Solution Frequency：4GHz；Maximum Numbers of Passes：20；Maximum Delta S per Pass：0.02；点击OK按钮。
（2）设置扫频
(a)在菜单栏中点击HFSS>Analysis Setup >Add Sweep。 (b)选择Setup1，点击OK。
(c)在扫频设置窗口中作如下设置：Sweep Type：Fast；Frequency Setup Type ：Linear Step；Start：2GHz；Stop：7GHz；Step：0.05GHz。
(d)将Save Field复选框选中，点击OK按钮。 7.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shiyan4，并选择路径保存。
8.求解该工程
点击HFSS>AnalyzeAll 9.S参数
（1）S参数
(a)点击HFSS>Result>Create Modal Solution Data Report (b)选择Rectangle Plot
(c)在Trace窗口中设置：Solution:Setup1:Sweep1;Domain:Sweep;点击Y标签，选择：Category:S parameter;Quantity:S(p1,p1)、S(p2,p1)、S(p3,p1)、S(p4,p1);Function:dB。
(d)点击New Report按钮完成。 （2）S参数相位
(a)点击HFSS>Result>Create Modal Solution Data Report (b)选择Rectangle Plot
(c)在Trace窗口中设置：Solution:Setup1:Sweep1;Domain:Sweep;点击Y标签，选择：Category:S parameter;Quantity:S(p2,p1)、S(p4,p1);Function:cang_deg。
(d)点击New Report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S11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（S21，S41）。从微波环形电桥元件的S参数相位曲线图可以看出S21的相位为-230.4709°，在带外，S41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S31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。