案例应用丨PhySim木兰仿真软件ACEM带状平行线耦合器仿真

ACEM(Advanced computational electromagnetism)是由芯瑞微(上海)电子科技有限公司，基于自主知识产权技术开发的三维电磁仿真软件。

作为任意三维结构全波电磁仿真工具，ACEM依托强大的3D编辑、自动参数化、和极低的内存占用特性，搭载imesh智能加密和网格后处理引擎，高性能的GPU加速，并行计算的HPC特性，可适配于航空航天、半导体、计算机、通信网络、人工智能等行业产品的设计和仿真。

仿真场景

本案例为通过ACEM对带状平行线耦合器进行电磁仿真。用户在天线产品实体化之前进行仿真，可以有效规避潜在设计风险，缩短产品设计周期。

定向耦合器在微波技术领域有着广泛的应用，包括但不限于功率、频率及频谱的监视;功率的有效分配与合成;雷达天线收发开关平衡混频器与测量电桥的构建;以及反射系数与功率的精确测量等。带状平行线耦合器属于定向耦合器中的一种，该耦合器由两根紧密相邻的微带线组成，其中一根微带线用于传输信号。基于电磁场相互作用的原理，另一根微带线将实现功率的耦合，直通端口和耦合端口的信号幅度不相等。

案例介绍

本案例使用带状线结构来设计，如图所示，它由等宽的耦合线组成，其耦合线的长度是中心频率波长的1/4，当信号从端口1输入时，信号除了会向端口2传输外，还会通过两线之间的电磁耦合向端口3和4传输。由于电场耦合在副线中向端口3和4反向产生的电压是等幅同相的，而磁场耦合在副线中向端口3和4反向产生的电压是等幅反相的，因此副线中端口3处的电压是同相叠加而有信号输出，副线中端口4处的电压是反相抵消的，所以端口4为隔离端，端口2和3为输出端。通过PhySim ACEM可以确认此设计的插入损耗、电压驻波比、耦合度、隔离度和方向性等参数是否满足要求。

平行耦合线示意图

仿真设置步骤

创建模型

在坐标系中创建一个立方体，并在Properties中修改名称、材质、颜色、透明度和尺寸。

采用同样的方法步骤对所有叠层进行设置，设置完成后的模型如下。

设置激励源

激励源可以设置为工作频率范围的最大值。

设置Order Adjust

Order Adjust功能用于调整不同材质物体仿真的优先级，在ACEM中非金属材料需要置顶，仿真优先级低于金属材料，Order Adjust功能用于调整不同材质物体仿真的优先级，在ACEM中非金属材料需要置顶，仿真优先级低于金属材料。

设置辐射边界

系统会根据模型尺寸自动生成辐射边界。

设置网格

XY方向最小网格尺寸设置一般遵循此方向最小线宽值的一半，Z方向最小网格尺寸和最薄介质尺寸一致，保证物体边缘都卡在网格线上，设置完最小网格尺寸后点击Mesh，系统自动计算总的网格数。

设置输入/输出端口

因为本案例是带状线结构，端口激励模式可以使用波端口模式，波端口尺寸必须足够大能涵盖传输线端口上所有场的分布，同时避免增加端口上额外的反射。设置好方向(与电流同向)、扫频范围和传输线模式后，点击确认。

仿真结果

S参数分析

红色曲线为S11，表示1端口的回波损耗，在5GHz时S11<-10dB，满足设计要求;

绿色曲线为S21，表示1和2端口之间的插入损耗，在5GHz时S12<0.5dB，满足设计要求;

蓝色曲线为S31，表示1和3端口之间的耦合度，耦合度大小由定向耦合器的用途决定，在5GHz时S13=-13.1dB，满足平行线耦合器设计要求;

紫色曲线为S41，表示1和4端口之间的隔离度，理想情况下4端口是没有功率输出的，隔离度为无穷大，但实际上总会有一些功率从这个端口泄漏出来，在5GHz时S14=-33.8dB，也满足设计要求;

方向性 = |隔离度| - |耦合度|，表示3和4端口的比例关系，本案例中方向性=20.7dB，满足设计要求。

仿真结论

以上使用ACEM仿真带状平行线耦合器，对其插入损耗、电压驻波比、耦合度、隔离度和方向性等性能进行分析和优化。在仿真中，对耦合器模型进行了参数化建模，通过对带状线宽度、间距以及介质基板厚度等参数进行参数扫描，得到耦合器的最优的性能。

ACEM拥有单机和多机并行运算功能，对于多个端口激励的模型，ACEM的HPC-by-port功能可以将每个端口分配到不同服务器上进行并行运算，以减少仿真时间，提升仿真的效率，很好地满足客户对仿真精度与效率的要求。

综上所述，通过ACEM对带状平行线耦合器进行电磁仿真，得到了非常可靠的仿真结果，帮助客户确认天线最佳的设计方案，完成设计最终定稿和打板。