一、双分支定向耦合器原理

双分支定向耦合器（正交混合网络）是等功率分配的定向耦合器，其直通和耦合臂之间有90度的相位差，所以也叫正交混合网络。

如上图所示，是双分支网络的总体示意图，若设计的是等分双分支网络，则：

$Z_s=\frac {Z0}{\sqrt{2}}$

$Z_p=Z_0$

具体的原理以及使用奇偶模分析法分析过程可以参考该公众号文章

使用微带线设计网络时，由于阻抗不同，所以宽度和工作波长也不同，进而 $\lambda _{gp}$ 与 $\lambda_{gs}$ 一般有差异，可以使用微带线计算工具来计算出各特性参量。

该网络的S矩阵如下：

$[S]=\frac{-1}{\sqrt{2}}\begin{bmatrix} &0 &j &1 &0\\ &j &0 &0 &1 \\ &1 &0 &0 &j \\ &0 &1 &j &0 \end{bmatrix}$

从散射矩阵可以看出，其具有如下基本性能：

若将端口1作为输入端口，则

1. 所有端口是匹配的

2. 端口1的功率等分给端口2和3

3. 端口2和端口3之间有90度的相位差，端口3和端口1同相

4. 无功率耦合到端口4（隔离端）

且该网络具有高度对称性，任何端口都可以作为输入端口，性质不变。

二、使用HFSS进行建模仿真

使用hfss15.0进行建模仿真，具体的建模过程可以参考B站上的视频1和视频2

我要设计的谐振频率在3GHz，所以首先使用微带线计算工具来计算一下部分参量

微带线特性阻抗 $Z_0$ 为50ohm，介质材料为FR4环氧树脂，相对介电常数为 $\varepsilon _r=4.4$ ，介质厚度为1.6mm（远小于波长即可），微带线厚度为了接近仿真的理想环境，我选了尽可能小的一个数字，谐振频率为3GHz，可以计算出微带线宽度为3mm， $\frac{\lambda_{gp}}{4}=13.6205\ mm$ ，再计算特性阻抗为 $\frac{Z_0}{\sqrt2}=35.3553\ ohm$ 时的宽度，可得 $\frac{\lambda_{gs}}{4}=5.088\ mm$

开始建模，参数设定如下图：

1. 首先画一个介质基板，参数设定为：

2. 再画两个矩形，将其作为串联臂和并联臂，设定参量如下：

如下图所示（颜色改为铜色更好看hhhhh）：

3. 将其对称，形成四边形：

按住ctrl并点击选中这两个矩形，而后点击进行绕轴旋转，选择绕z轴旋转180度而后确定

得到四边形：

4. 画馈线和输出线

再画一个矩形，参数设置为下图所示：

得到输入端口：

而后选中该端口进行镜像操作，选中原点作为参考点，Y轴正方向作为对称方向：

而后选择这两个端口，再次进行镜像，选择参考点为原点，方向为X轴正方向：

而后选中所画的所有矩形，进行unite，将其合为一个面。

得到定向耦合器初步建模图：

5. 画端口

将绘画面改为XZ面：

画一个矩形，参量设置如下：

得到port1：

而后先将参考面改回XY面后，再通过与上一步相同的镜像操作，得到四个端口

最后可以对耦合器进行一个切角操作（写完发现没写切角，回来补上，不影响后面操作），在进行切角时我遇到了一点问题，暂时还未解决，一般切角是用hfss自带的chamfer进行切角，但是不知道为什么本次建模切角不是很成功，所以我在左上角用画线的方法画了一个三角形，而后通过镜像操作把四个角都画上三角形

而后先点击组合后的定向耦合器，而后再点击四个三角形，随后选择substract操作进行相减操作

点击ok，完成切角操作。

6. 画空气盒子

可以使用hfss自带的工具画，也可以自己画，确保空气盒子的每个面距离求解物体的距离再四分之一个波长以上即可。

点击，设置如下参数（设计的频率为3GHz，对应波长100mm）

空气盒子就建好啦

7. 设置边界条件和端口激励

点击建好的空气盒子，点击右键，选择Rdiation边界条件

按快捷键F，或者空白处右击选择select faces，点击定向耦合器，右键选择边界条件为perfect E，同样，对介质基片底面也设置为perfect E

而后设置四个端口的激励条件，按照该图的端口顺序依次赋予端口激励（赋值顺序决定后续数据对应的端口标号），此处以端口1为例

点击端口1，右击选择lumped port，阻抗为50ohm，而后点击下一页，随后定义积分线

这里积分线我从端口下边中点开始，到上边中点结束

设置好积分线后，intergration line一栏变为defined，点击下一页

而后选择归一化50ohm，点击确定

按照此方法依次对2、3、4端口进行激励设置，注意：积分线方向一定要相同，从上往下或者从下往上，需要统一！

设置好所有边界条件和激励后，我们的菜单栏是这样：

8. setup

右击菜单栏中的analysis，选择添加一个setup

设定频率为3GHz，最大迭代为20次，误差0.02，点击确定

而后右击新建的setup，选择frequency sweep

由于电脑资源有限，设置了如下配置后，点击确定：

最后点击检查（左边绿色对号），若没有问题，点击analyze all（右边绿色感叹号）开始分析，耐心等待分析结束

9. 结果分析

在此只分析S参数，右击result，选择data report中的rectangular plot

选择S参数，按住ctrl同时选择S11、S21、S31、S41，单位选择dB，点击new report

得到如下的结果图：

从结果图可以看出，谐振频率在3GHz左右，此时S11与S41达到极小值，说明1端口匹配，4端口与1端口隔离；而S21和S31都很高且幅值相近，说明1端口信号可以直通2端口与3端口，与预期相符

而后查看S21和S31的相位，步骤与查看幅度相同，在最后将单位变为ang即可

从相位图来看，S21与S31相差86度左右，约为90度，符合预期，仿真结束。

初次写文章，望请批评指正！

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