正交混頻器（Quadrature hybrids）的設(shè)計(jì)及仿真案例分享

Quadrature hybrids（正交混頻器或90度功分器）是一種微波和射頻電路組件，用于將輸入信號分成兩個相位差約為90度（或正交）的輸出信號。它們通常用于無線通信系統(tǒng)、雷達(dá)、天線系統(tǒng)和其他射頻電子設(shè)備中，以實(shí)現(xiàn)信號的相位控制、信號分集、干擾抵消和其他應(yīng)用。

它有兩個輸入端（通常標(biāo)記為A和B）和兩個輸出端（通常標(biāo)記為C和D）。

當(dāng)信號應(yīng)用于輸入端A時，輸出端C將具有與輸入端A相同幅度但相位差約為0度的信號，而輸出端D將具有與輸入端A相同幅度但相位差約為90度的信號。

其散射矩陣如下圖所示：

以設(shè)計(jì)一個中心頻率為3.6GHz，各端口微帶線特征阻抗均為50ohm的的正交混頻器為例，可以計(jì)算出構(gòu)成器件的各部分微帶線特征阻抗分別為50ohm和35.35ohm。

使用ANSYS Circuit進(jìn)行電路分析，由計(jì)算出微帶線的特征阻抗計(jì)算各部分微帶線的特征尺寸。

然后建立整個電路模型，設(shè)置計(jì)算參數(shù)。

計(jì)算結(jié)束后查看計(jì)算結(jié)果：

可以看到，設(shè)計(jì)符合預(yù)期。接下來，使用HFSS 3D Layout建立器件的版圖。首先對器件的各個圖層進(jìn)行定義。

查看3D效果

接下來進(jìn)行版圖繪制，本次設(shè)計(jì)使用兩種版圖設(shè)計(jì)方案

方案一

方案二

對端口進(jìn)行定義，然后設(shè)置計(jì)算參數(shù)進(jìn)行計(jì)算。兩種設(shè)計(jì)方案結(jié)果如下：

方案一結(jié)果

方案二結(jié)果

可以看出，兩種版圖設(shè)計(jì)方案與設(shè)計(jì)的中心頻率有一定偏離，還需要對版圖進(jìn)行微調(diào)，以符合設(shè)計(jì)的要求。這里本文就不予以展開討論。

接下來查看方案二工作時的電場分布云圖：

視頻結(jié)果請查看公眾號視頻

為了進(jìn)一步驗(yàn)證仿真結(jié)果的準(zhǔn)確性，我們將HFSS 3D Layout中的版圖設(shè)計(jì)導(dǎo)出到HFSS中進(jìn)行仿真，仿真結(jié)果如下：

設(shè)計(jì)方案三維模型

可以看到二者計(jì)算結(jié)果幾乎相同，仿真結(jié)果的準(zhǔn)確性可以保證。