手把手教你设计毫米波波导环形器

1.简介

环形器是以一种具有非互易性，正向插损很小，而反向时则能量绝大部分被吸收的射频器件，被广泛应用于通信及雷达系统中。

本文主要是以毫米波波导环形器为例，利用ANSYS2020软件对Y型波导环形器进行模型设计，文中包括创建变量、模型设计、铁氧体的设置等内容。

2.设计案例

2.1技术要求

（1）指标参数：

中心频率F0=33GHz，带宽BW=6GHz，反向隔离≥25dB，插入损耗≤0.3 dB，回波损耗≥21dB，波导型号:BJ320(WR28)

（2）外形尺寸：

2.2模型设计

2.2.1新建工程

打开ANSYS仿真软件，单击或者【Project】>【Insert HFSS Design】。并点击或者【File】>【Save As…】保存文件，注意文件名和保存路径不能出现中文。

2.2.2 新建变量

点击【HFSS】>【Design Properties】，在弹出的界面点击【Add】，添加所需变量，完成后单击确定。

2.2.3新建内腔凸台

点击或者【Draw】>【Cylinder】新建圆形凸台，坐标如下：

点击或者【Draw】>【Box】，选定【Solids】>【Vacuum>【 Box1】

选定【Solids】>【Vacuum】>【Box1】>【CreateBox】，属性对话框的设计坐标如下：

第一个方块台阶已建立完成，按照以上方法建立第二个台阶【Box2】，属性对话框的设计坐标如下：

选中【 Box1】和【Box2】，点击或者右键【Edit】>【Duplicate】>【 Around Axis】。此时会弹出旋转参数对话框，设置角度120°，数量3，点击OK如图。

选中所有【 Box1】、【Box2】和【Cylinder1】

点击或者右键【Edit】>【Duplicate】>【 Mirror】。点击原点为参考点，然后再Z轴上单击，把下台阶往上镜像并复制，内腔台阶就做好了。

2.2.4 新建波导腔

按照新建台阶的方法新建波导外腔【Box3】，属性对话框的设计坐标如下：

选中【Box3】，点击或者右键【Edit】>【Duplicate】>【 Around Axis】。此时会弹出旋转参数对话框，设置角度120°，数量3，点击OK如图。

按照新建台阶的方法新建波导口【Box4】，属性对话框的设计坐标如下：

第一个波导口建好后，第二个采用镜像复制方式建立。选定第一个波导口点击或者右键【Edit】>【Duplicate】>【Mirror】。点击原点为参考点，然后在Y轴上单击，第一和第二个已完成，如图：

新建第三个波导口【Box5】，属性对话框的设计坐标如下：

选中所有【Box3】，再依次选中所有【 Box4】和【Box5】点击或者右击【Edit】>【Boolean】>【Unite】使其相加。如图：

选中合并好的波导腔【Box3】，再依次选中所有台阶【 Box1】、【Box2】和【Cylinder1】点击或者右键【Edit】>【Boolean】>【Substract】，在弹出的对话框中点击【OK】。

波导腔建立完成如下图：

由于考虑加工问题，将波导腔的内角倒R=15mm。按【E】键,选中下图两个内角线，点击，弹出角属性对话框后在【Fillet Radius】栏中输入【15】点击【确定】。

台阶内角也需要倒角R=1mm,操作也是选中下图两个内角线，点击，弹出角属性对话框后在【Fillet Radius】栏中输入【1】点击【确定】。

2.2.5新建铁氧体

点击或者【Draw】>【Cylinder】新建铁氧体，选定【Solids】>【Vacuum】>【Cylinder2】，右键选【Assign Materals】>【Add Materals】弹出材料参数对话框，介电常数=13，饱和磁化强度=5000单位设置成【gauss】设置如下：

选定【Solids】>【Materal1】>【Cylinder2】>【CreateCylinder】，属性对话框的设计坐标如下：

选中铁氧体【Cylinder2】，点击或者右键【Edit】>【Duplicate】>【 Mirror】。点击原点为参考点，然后再Z轴上单击，把底部的铁氧体往上镜像并复制。设计好的模型如图所示：

2.2.6设置磁偏置

选中两个铁氧体【Cylinder2】点击右键。选择【Assign Excitation】>【Magnetic Bias】

点击下一页，弹出偏置参数对话框，由于工作在低场状态下均设置为【0】，点击【完成】即可，如下图：

2.2.6设置端口激励

按【F】键，选中如下图所示的一个端口面

点右键选择【Assign Excitation】>【Wave Port】，在弹出的窗口中点击【New Line】，在模型中画出长方形边沿指向中心的积分线。点击下一步，完成后，用同样的方法新建Port2和Port3。

2.2.7设置求解

在Project Manager中右击Analysis,再点击Add Solution Setup。在弹出的设置窗口设置如图，设置求解分析完成。

右击Setup1，点击Add Frequency Sweep。设置如下：

这样扫描频率设置完成，然后进行检查和分析。单击和，分析完成后，可以查看结果。

2.2.8查看S参数

在Project Manager中右击Results,点击【Create Modal Solution Date Report】>【Rectangular Plot】。在弹出的窗口中选择Category>S Parameter，Quantity>S(1,1)、 S(2,1)、S(3,1)、S(1,2)、S(2,2)、S(3,2)、S(1,3)、S(2,3)、S(3,3)，Function>dB，再点击New Report。

S参数图如下所示：

更多讨论学习，欢迎加入我的知识星球！

---