案例應用丨PhySim木蘭仿真軟件ACEM帶狀平行線耦合器仿真

ACEM(Advanced computational electromagnetism)是由芯瑞微(上海)電子科技有限公司，基于自主知識產權技術開發的三維電磁仿真軟件。

作為任意三維結構全波電磁仿真工具，ACEM依托強大的3D編輯、自動參數化、和極低的內存占用特性，搭載imesh智能加密和網格后處理引擎，高性能的GPU加速，并行計算的HPC特性，可適配于航空航天、半導體、計算機、通信網絡、人工智能等行業產品的設計和仿真。

仿真場景

本案例為通過ACEM對帶狀平行線耦合器進行電磁仿真。用戶在天線產品實體化之前進行仿真，可以有效規避潛在設計風險，縮短產品設計周期。

定向耦合器在微波技術領域有著廣泛的應用，包括但不限于功率、頻率及頻譜的監視;功率的有效分配與合成;雷達天線收發開關平衡混頻器與測量電橋的構建;以及反射系數與功率的精確測量等。帶狀平行線耦合器屬于定向耦合器中的一種，該耦合器由兩根緊密相鄰的微帶線組成，其中一根微帶線用于傳輸信號。基于電磁場相互作用的原理，另一根微帶線將實現功率的耦合，直通端口和耦合端口的信號幅度不相等。

案例介紹

本案例使用帶狀線結構來設計，如圖所示，它由等寬的耦合線組成，其耦合線的長度是中心頻率波長的1/4，當信號從端口1輸入時，信號除了會向端口2傳輸外，還會通過兩線之間的電磁耦合向端口3和4傳輸。由于電場耦合在副線中向端口3和4反向產生的電壓是等幅同相的，而磁場耦合在副線中向端口3和4反向產生的電壓是等幅反相的，因此副線中端口3處的電壓是同相疊加而有信號輸出，副線中端口4處的電壓是反相抵消的，所以端口4為隔離端，端口2和3為輸出端。通過PhySim ACEM可以確認此設計的插入損耗、電壓駐波比、耦合度、隔離度和方向性等參數是否滿足要求。

平行耦合線示意圖

仿真設置步驟

創建模型

在坐標系中創建一個立方體，并在Properties中修改名稱、材質、顏色、透明度和尺寸。

采用同樣的方法步驟對所有疊層進行設置，設置完成后的模型如下。

設置激勵源

激勵源可以設置為工作頻率范圍的最大值。

設置Order Adjust

Order Adjust功能用于調整不同材質物體仿真的優先級，在ACEM中非金屬材料需要置頂，仿真優先級低于金屬材料，Order Adjust功能用于調整不同材質物體仿真的優先級，在ACEM中非金屬材料需要置頂，仿真優先級低于金屬材料。

設置輻射邊界

系統會根據模型尺寸自動生成輻射邊界。

設置網格

XY方向最小網格尺寸設置一般遵循此方向最小線寬值的一半，Z方向最小網格尺寸和最薄介質尺寸一致，保證物體邊緣都卡在網格線上，設置完最小網格尺寸后點擊Mesh，系統自動計算總的網格數。

設置輸入/輸出端口

因為本案例是帶狀線結構，端口激勵模式可以使用波端口模式，波端口尺寸必須足夠大能涵蓋傳輸線端口上所有場的分布，同時避免增加端口上額外的反射。設置好方向(與電流同向)、掃頻范圍和傳輸線模式后，點擊確認。

仿真結果

S參數分析

紅色曲線為S11，表示1端口的回波損耗，在5GHz時S11<-10dB，滿足設計要求;

綠色曲線為S21，表示1和2端口之間的插入損耗，在5GHz時S12<0.5dB，滿足設計要求;

藍色曲線為S31，表示1和3端口之間的耦合度，耦合度大小由定向耦合器的用途決定，在5GHz時S13=-13.1dB，滿足平行線耦合器設計要求;

紫色曲線為S41，表示1和4端口之間的隔離度，理想情況下4端口是沒有功率輸出的，隔離度為無窮大，但實際上總會有一些功率從這個端口泄漏出來，在5GHz時S14=-33.8dB，也滿足設計要求;

方向性 = |隔離度| - |耦合度|，表示3和4端口的比例關系，本案例中方向性=20.7dB，滿足設計要求。

仿真結論

以上使用ACEM仿真帶狀平行線耦合器，對其插入損耗、電壓駐波比、耦合度、隔離度和方向性等性能進行分析和優化。在仿真中，對耦合器模型進行了參數化建模，通過對帶狀線寬度、間距以及介質基板厚度等參數進行參數掃描，得到耦合器的最優的性能。

ACEM擁有單機和多機并行運算功能，對于多個端口激勵的模型，ACEM的HPC-by-port功能可以將每個端口分配到不同服務器上進行并行運算，以減少仿真時間，提升仿真的效率，很好地滿足客戶對仿真精度與效率的要求。

綜上所述，通過ACEM對帶狀平行線耦合器進行電磁仿真，得到了非常可靠的仿真結果，幫助客戶確認天線最佳的設計方案，完成設計最終定稿和打板。