利用HFSS进行波导单孔定向耦合器的仿真设计

2013-04-23陕西黄河集团有限公司12车间郭宏博盛利利

电子世界 2013年3期

陕西黄河集团有限公司12车间郭宏博盛利利杨辉

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≥-35dB

2.2 设计过程

图1 波导单孔定向耦合器的仿真模型图

图2 θ为50度、r为11.2mm时的驻波曲线图

图3 θ为50度、r为11.2mm时的耦合量

图4 θ为50度、r为11.2mm时的方向性

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。它也是目前微波仿真领域上的首选软件。

为了准确的对单孔定向耦合器进行仿真，首先要在HFSS中建立相应的模型，由于一般单孔定向耦合器的耦合量都不大，为了获得较大的耦合量，本模型将两个矩形波导之间的公共壁厚缩小为0.50mm。为了使模型的计算简洁明了，在本模型中，耦合孔的直径r和两个波导之间的斜扭角度θ分别设为变量。具体模型如图1所示。

模型建立后，需要对模型进行边界设置，首先将该模型的四个端口设置为波端口，由于在该软件中由这样一个默认设置，即凡是没有模块交叉之处都为金属表层，因此不需要对模型的外壁进行设置。完成边界设置后，设置需要计算的频率范围和精度要求，

2.2.3 仿真结果

根据上面的模型，利用HFSS进行了全面的计算，若计算结果不能满足要求，可对其中的变量进行变化，继续仿真，直到有满意结果为止。本次仿真经过反复计算后，得到较好的仿真结果：在斜扭角度为50度左右时，定向耦合器的方向性最好，在整个频带那可达到21dB以上；驻波在频带内小于1.1；耦合量在频带内皆可大于-35dB，基本满足工程设计要求。具体结果如图2-4所示。