正交混频器（Quadrature hybrids）的设计及仿真案例分享

Quadrature hybrids（正交混频器或90度功分器）是一种微波和射频电路组件，用于将输入信号分成两个相位差约为90度（或正交）的输出信号。它们通常用于无线通信系统、雷达、天线系统和其他射频电子设备中，以实现信号的相位控制、信号分集、干扰抵消和其他应用。

它有两个输入端（通常标记为A和B）和两个输出端（通常标记为C和D）。

当信号应用于输入端A时，输出端C将具有与输入端A相同幅度但相位差约为0度的信号，而输出端D将具有与输入端A相同幅度但相位差约为90度的信号。

其散射矩阵如下图所示：

以设计一个中心频率为3.6GHz，各端口微带线特征阻抗均为50ohm的的正交混频器为例，可以计算出构成器件的各部分微带线特征阻抗分别为50ohm和35.35ohm。

使用ANSYS Circuit进行电路分析，由计算出微带线的特征阻抗计算各部分微带线的特征尺寸。

然后建立整个电路模型，设置计算参数。

计算结束后查看计算结果：

可以看到，设计符合预期。接下来，使用HFSS 3D Layout建立器件的版图。首先对器件的各个图层进行定义。

查看3D效果

接下来进行版图绘制，本次设计使用两种版图设计方案

方案一

方案二

对端口进行定义，然后设置计算参数进行计算。两种设计方案结果如下：

方案一结果

方案二结果

可以看出，两种版图设计方案与设计的中心频率有一定偏离，还需要对版图进行微调，以符合设计的要求。这里本文就不予以展开讨论。

接下来查看方案二工作时的电场分布云图：

视频结果请查看公众号视频

为了进一步验证仿真结果的准确性，我们将HFSS 3D Layout中的版图设计导出到HFSS中进行仿真，仿真结果如下：

设计方案三维模型

可以看到二者计算结果几乎相同，仿真结果的准确性可以保证。