矩形杆交指型带通滤波器全解.docx

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矩形杆交指型带通滤波器全解

本科毕业设计（论文）

矩形杆宽带交指型带通滤波器设计与仿真分析

罗立

燕山大学

里仁学院

2016年6月

本科毕业设计（论文）

矩形杆宽带交指型带通滤波器设计与仿真分析

学院：

里仁学院

专业：

通信工程

学生姓名：

罗立

学号：

121308061274

指导教师：

邢光龙

答辩日期：

2016.6.19

燕山大学毕业设计（论文）任务书

里仁学院：

专业（方向）：

电子工程系

学

号

121308061274

学生

姓名

罗立

专业

班级

通信四班

题

目

题目名称

矩形杆宽带交指型带通滤波器设计与仿真分析

题目性质

1.理工类：

工程设计（√）；工程技术实验研究型（）；

理论研究型（）；计算机软件型（）；综合型（）。

2.文管类（）；3.外语类（）；4.艺术类（）。

题目类型

1.毕业设计（√）2.论文（）

题目来源

科研课题（）生产实际（）自选题目（√）

主

要

内

容

HFSS（HighFrequencyStructureSimulator）是由美国Ansoft公司开发的三维电磁场仿真系统。

采用切向分量的有限元方法，自适应网格剖分，可以求解任意三维射频、微波器件电磁场分布，计算辐射材料损耗。

可直接得到微波传输系统特征阻抗、传播系数和S参数等，也可直接得到天线辐射方向图和特定吸收率等结果。

广泛地应用于电磁场分析和微波、天线系统设计，是一种在电磁工程设计中常用的软件。

本设计的主要内容是藉助于HFSS，设计、分析矩形杆宽带交指型带通滤波器，主要分析带宽和结构之间的关系。

基

本

要

求

1.学会使用HFSS软件。

2.掌握微波段带通滤波器的设计基本原理和分析方法。

3.应用HFSS分析微波段带通滤波器的特性。

参

考

资

料

天线（antennas:

forallapplicationsthirdedition）,johnD.karusRonaldJMarchefka著，章文勋译，电子工业出版社，2004

微波技术与天线—电磁波导行与辐射工程，殷际杰，电子工业出版社，2004

AnsoftHFSS基础及应用，谢拥军等编著，西安：

西安电子科技大学出版社2007；HFSS用户手册和参考书

周次

1—4周

5—8周

9—12

13—16周

17—18

应

完

成

的

内

容

查阅文献资料、了解和掌握课题研究背景和方法

建立分析方法、确定软件实现方案、编制源程序

软件调试，结果分析。

编制设计文件，使用说明

完成论文

指导教师：

邢光龙

职称：

教授2016年3月5日

注：

周次完成内容请指导老师根据课题内容自主合理安排。

摘要

本文介绍了矩形杆交指型带通滤波器的原理和设计方法，根据交指型滤波器的设计原理获得矩形杆的自电容和互电容，利用计算机辅助设计工具结合图表得到滤波器的初始尺寸。

利用HFSS软件设计滤波器的模型，实现一个L波段的八级滤波器的设计。

并设定该滤波器的中心频率是为1.5GHZ,相对带宽W=0.70,LAr=0.10dB。

设置扫描频率为0.6GHz-2.4GHz。

对于各个窗口以及参数的设定进行了详细的描述。

通过对交指型带通滤波器3D模型的仿真分析，得到模型的收敛数据和S参数，模型达到了收敛标准，仿真所得结果与理论结果相符，仿真结果和理论结果吻合良好，证明了设计方法的可行性。

关键词　HFSS软件；带通滤波器；交指型带通滤波器

Abstract

Thispapergivestheparticulardescriptionofatheoreticalanalysisandpracticaldesignforrectangular-rodinter-digitalband-passfilter.First,theself-capacitanceandmutualcapacitanceoftheinter-digitalband-passfilterisobtainedinaccordingwiththedesigntheoryoftheinter-digitalband-passfilter.Basedoncomputeraideddesign,theparametersoffilteraregiven.UsingHFSSsoftwaredesignofthefiltermodel,implemental-bandchangingthefilterdesign.Andsetthefiltercenterfrequencyis1.5GHZ,relativebandwidthW=0.70,LAr=0.10dB.Setthescanningfrequencyof0.6GHzto2.4GHz.Ofthesetofparametersforeachwindowaswellasadetaileddescription.Throughthepaytypereferstotheband-passfiltersimulationanalysisof3dmodelsgetconvergencedataandSparametersofthemodel,themodelhasreachedtheconvergencecriteria,Thesimulation result shows good agreement with theoretical result, which proves themethod is valid. 

Keywords　HFSS-software;band-passfilter;Cross-finger-typeband-passfilter

目录

摘要I

AbstractII

第1章绪论1

1.1课题背景1

1.2HFSS软件简介1

1.3国内外滤波器的发展状况2

1.4论文章节安排2

第2章带通滤波器的设计原理3

2.1带通滤波器的分类3

2.2带通滤波器工作原理3

2.3交指型带通滤波器设计原理及方案4

2.4本章小结6

第3章带通滤波器的设计过程7

3.1交指型带通滤波器3D模型的设计7

3.1.1设置工具选项7

3.1.2在窗口建立新的项目8

3.1.3设置求解类型9

3.1.4建立滤波器的模型9

3.2设计模型参数21

3.2.1边界显示21

3.2.2设计分析设置的参数22

3.2.3建立一个扫描频率23

3.2.4模型确认24

3.3本章小结25

第4章带通滤波器的仿真分析27

4.1仿真分析27

4.1.1对模型进行仿真分析27

4.1.2解析数据27

4.1.3建立仿真报告28

4.1.4创建电磁场覆盖图30

4.2本章小结32

结论33

参考文献34

致谢35

附录137

附录243

附录349

附录455

第1章绪论

1.1课题背景

微波滤波器是雷达系统，通信系统，测量系统必不可少的组成部分，同时也是最为重要，技术含量较高的微波无源器件，一般被用来分开或整合不同频段的信号。

电磁波谱是有限的，且需按应用加以分配。

微波滤波器具有选频功能，可以分隔频率，即通过所需的频率信号，而抑制不需要的频率信号。

微波滤波器有许多种类，其中交指型带通滤波器是微波滤波器中一种比较常用的结构形。

交指型带通滤波器的适用范围非常广泛，其相对带宽可以从窄带的1%一直变化到带宽的7%以上甚至更宽，其频带的变化范围可以从UHF到C波段。

交指型滤波器是指由平行耦合线谐振器阵交叉组成的结构，结构多用做慢波系统，但近来研究表明，它具有优良的带通特性，具有如下优点：

（1）结构紧凑、可靠性高；

（2）由于每个谐振器间的间隔较大，故公差要求较低，容易制造；

（3）由于谐振杆长近似等于1/4λ,所以第二通带中心在3ω以上，其间不会有寄生响应；

（4）既可以作成印刷电路形式，又可以作成腔体结构，用较粗的杆作成自行支撑，而不用介质。

因此，交指型滤波器在电子系统，尤其是在通信技术及近代航空航天领域中被广泛使用。

同时近年来随着计算机技术突飞猛进的发展，出现了一些实用的三维高频电磁场仿真软件，如美国Ansoft的HFSS。

这些实用的仿真软件对于设计出的参数可以进行进一步的仿真、优化，以达到在实际加工中的准确性和一致性。

1.2HFSS软件简介

HFSS（HighFrequencyStructureSimulator）是由美国Ansoft公司开发的三维电磁场仿真系统。

采用切向分量的有限元方法，自适应网格剖分，可以求解任意三维射频、微波器件电磁场分布，计算辐射材料损耗。

可直接得到微波传输系统特征阻抗、传播系数和S参数等，也可直接得到天线辐射方向图和特定吸收率等结果。

广泛地应用于电磁场分析和微波、天线系统设计，是一种在电磁工程设计中常用的软件。

本设计的主要内容是藉助于HFSS，设计、分析矩形杆宽带交指型带通滤

波器，主要分析带宽和结构之间的关系。

1.3国内外滤波器的发展状况

凡是有能力进行信号处理的装置都可以称为滤波器。

在近代电信设备和各类控制系统中，滤波器应用极为广泛；在所有的电子部件中，使用最多，技术最为复杂的要算滤波器了。

滤波器的优劣直接决定产品的优劣，所以，对滤波器的研究和生产历来为各国所重视。

1917年美国和德国科学家分别发明了LC滤波器，次年导致了美国第一个多路复用系统的出现。

20世纪50年代无源滤波器日趋成熟。

自60年代起由于计算机技术、集成工艺和材料工业的发展，滤波器发展上了一个新台阶，并且朝着低功耗、高精度、小体积、多功能、稳定可靠和廉价方向努力，其中小体积、多功能、高精度、稳定可靠成为70年代以后的主攻方向。

导致RC有源滤波器、数字滤波器、开关电容滤波器和电荷转移器等各种滤波器的飞速发展，到70年代后期，上述几种滤波器的单片集成已被研制出来并得到应用。

80年代，致力于各类新型滤波器的研究，努力提高性能并逐渐扩大应用范围。

90年代至现在主要致力于把各类滤波器应用于各类产品的开发和研制。

当然，对于滤波器本身的研究仍不断进行。

我国广泛使用滤波器是50年代后期的事2，当时主要用于话路滤波和报路滤波。

经过半个世纪的发展，我国滤波器在研制、生产和应用等方面已纳入国际发展步伐，但由于缺少专门验资机构，集成工艺和材料工业跟不上来，使得我国许多性型滤波器的研制应用与国际发展有一定距离。

1.4论文章节安排

第1章为绪论部分，主要介绍课题具体背景及课题意义，HFSS软件简介和国内外滤波器的发展状况。

第2章先总体介绍了带通滤波器的分类和带通滤波器的工作原理，然后介绍交指型带通滤波器的设计原理及方案。

第3章为设计交指型带通滤波器的过程，利用HFSS软件设计矩形杆交指型带通滤波器的3D模型，然后设置模型参数，完成模型的设计。

第4章主要介绍了仿真的结果及其分析，对模型进行仿真分析，解析数据，建立仿真报告，创建电磁场覆盖图。

第2章带通滤波器的设计原理

2.1带通滤波器的分类

带通滤波器分为窄带和宽带两种类型，如果上截止频率与下截止频率的比超过一个倍频程，这个滤波器就认为是宽带型的。

这时滤波器的设计指标可以被分为独立的低通和高通指标，并简单地看作低通滤波器和高通滤波器的级联。

窄带滤波器的设计更困难些，必须恰当的选择电路结构，而且要运用合适的变换，以避免元件不符合实际。

此外，当滤波器的窄带变窄时，元件的Q值要求增大，对元件的误差和稳定的要求也随之增加。

2.2带通滤波器工作原理

一个理想的滤波器应该有一个完全平坦的通带，例如在通带内没有增益或者衰减，并且在通带之外所有频率都完全衰减掉，另外，通带外的转换在极小的频率范围内完成。

实际上，并不存在理想的带通滤波器。

滤波器并不能够将期望频率范围外的所有频率完全衰减掉，尤其是在所要的通带外还有一个被衰减但是没有被隔离的范围，这通常称为滤波器的滚降现象，并且使用每十倍频的衰减幅度dB来表示，通常，滤波器的设计尽量保证滚降范围越窄越好，这样滤波器的性能就与设计更加接近，然而，随着滚降范围越来越小，通带就变得不再平坦一开始出现“波纹”。

这种现象在通带边缘尤其明显，这种效应称为吉布斯效应。

BPF的频率响应特性示意图如图1所示。

根据特性，可定性给出一个二阶带通滤波器的传递函数．如下：

上式中

均与R、C相关联

图2-1幅频特性

当输人信号在

时

的模最大，

称为特征频率，并将

时的

值即

称为通带电压放大倍数；带通滤波电路输出电压与输入电压之比的模随频率变化下降到通带电压放大倍数的7O％时所对应的频率用

表示，称为通带截止频率；通带宽度是两个通带截止频率之差；Q值是特征频率与通带宽度之比。

从图中可看出以下几点：

在通带内幅频特性基本是水平的．通带外的电压放大倍数为零或近似为零：

通带与阻带之间的频段称为过渡带，过渡带越窄说明滤波电路的选择性越好。

由于输人信号

时，传递函数的虚部为零．

的模最大即输出信号的幅值最大。

故当输人信号的频率与

相同时，通过滤波器输出信号的相位不变即输人／输出信号之间的相移为零或为反相。

这是带通滤波器最重要的特征。

2.3交指型带通滤波器设计原理及方案

所谓“交指型”是指由两组平行耦合线谐振器阵相互交叉组成的结构。

有3种结构形式,即终端短路式、终端开路式和电容加载式。

其中,终端开路式交指型滤波器的结构如图2所示。

图2-2交指型滤波器示意图

其结构是在两个平行接地板间放入两个交叉的矩形杆平行耦合线阵,每个矩形杆一端短路,一端开路,长约λ0/4,载TEM模。

杆1到杆n（包括两终端杆在内）都是用作谐振器,因此对于n个电抗元件低通原型,只要n个杆就能实现。

对于这种结构,采用近似设计方法对于宽带滤波器最为实用,若用来设计窄带滤波器,则会发现,两终端杆将有极高的阻抗值,因而难以实现。

在交指型滤波器中,由于杆端分布电容的影响,谐振器实际长度比λ0/4略短。

在这种形式滤波器中,谐振器之间的耦合是用谐振线之间的边缘场来得到的。

谐振器之间的耦合主要是磁耦合效应。

利用滤波器的设计公式求出滤波器所需的归一线电容后,再利用滤波器设计图表,在指定b（谐振腔的宽度）和t（谐振器的宽度）后,就可以算出每个谐振线与地的归一单位长自电容和相邻谐振线间的归一单位长互电容。

由于在推导这种耦合圆杆的设计公式时,忽略了相邻以外的边缘电容的影响,因而可用两个沿结构传输的TEM正交模来描述,即奇模和偶模。

这两个TEM模具有不同的特性阻抗,它们与矩形杆对地的静电容有关,而静电容又与矩形杆的单位长自电容Cg和两杆间单位长互电容Cm有关。

所以,要用矩形杆结构来实现滤波器的设计,第一步是要计算出归一互电容Cm/ε=Ck,k+1/ε,然后把滤波器结构分成许多小节,每个小节由归一自电容及其左右两边的归一互电容所组成。

本设计方案是设计一个

=1.5GHz,BW=0.7GHz，

=0.1分贝的交指型带通滤波器。

用准确设计理论可以求出交指型腔体滤波器的分布电容数据表，这期间会有大量繁琐的计算，现已有根据此设计理论计算出来的分布电容数据表，这样用少量的计算便可完成滤波器的设计。

运用切比雪夫逼近方式计算阶数：

式中

（

=通带分贝波纹=0.1dB）。

=所需阻带衰减频率，对于本滤波器给出的指标，取N=6，YA=YB=0.02，选用空气介质，则

，由于采用终端开路式所以导体的杆数N'=N+2=8。

可根据相关的公式计算出滤波器的结构尺寸。

腔体的内部结构对于决定滤波器的带宽，中心频率以及通带特性起着非常关键的作用。

要得到滤波器的内部尺寸，首先确定腔体的高度h，本滤波器取

，对矩形杆进行尺寸设计，矩形杆的长宽高分别为

矩形杆谐振器之间的距离分别为

，

，

，

。

SMA接头的内导体在腔体内部的长度

。

2.4本章小结

主要介绍了带通滤波器的分类及工作原理，还有交指型带通滤波器的设计原理及方案，本设计方案是设计一个

=1.5GHz,BW=0.7GHz，

=0.1分贝的交指型带通滤波器。

根据设计原理得出滤波器的结构尺寸。

第3章带通滤波器的设计过程

3.1交指型带通滤波器3D模型的设计

3.1.1设置工具选项

3.1.1.1进入AnsoftHFSS，选择菜单Tools（工具）>选择Options（选项）>选择HFSSOptions（HFSS选项）

3.1.1.2对HFSSOptions（HFSS选项）窗口进行设置

（1）点击General（常规）

（2）确认该项“UseWizardsfordataentrywhencreatingnewboundaries”（为数据条目使用向导创建新的边界）前打勾

（3）确认该项“Duplicateboundarieswithgeometry”（几何形状复制边界）前打勾

（4）点击“OK”（确定）按钮

图3-3常规设置窗口

3.1.1.3选择菜单Tools（工具）>选择Options（选项）>选择3DModelerOptions（3D模型选项）

对3DModelerOptions（3D模型选项）窗口进行设置

（1）点击Operation（操作）

（2）确认该项“Automaticallycoverclosedpolylines”（自动覆盖封闭折线）前打勾

（3）点击Drawing（绘画）窗口

（4）确认该项“Editpropertyofnewprimitives”（编辑新基本体的属性）前打勾

（5）点击“OK”（确定）按钮

图3-43D模型设置窗口

3.1.2在窗口建立新的项目

3.1.2.1在AnsoftHFSS窗口中，在工具条中点击新建按钮

，或者在菜单条中选择File（文件）>选择New（新建）

3.1.2.2从Project（工程）中，选择InsertHFSSDesign（插入HFSS设计），或在工具栏中点击

3.1.3设置求解类型

3.1.3.1选择菜单HFSS>SolutionType（求解的类型）

3.1.3.2在SolutionType（求解的类型）窗口中选择DrivenTerminal（终端驱动求解）

3.1.3.3点击“OK”（确定）按钮

图3-5求解类型设置窗口

3.1.4建立滤波器的模型

3.1.4.1设置滤波器模型的单位

（1）选择3DModeler（3D模型）>选择units（单位）

（2）设置滤波器模型的单位，选择：

in（英寸inch）

（3）点击“OK”（确定）按钮

图3-6单位设置窗口

3.1.4.2设置滤波器模型的材料

使用工具条上的3D模型材料，选择vacuum（真空）

图3-7材料设置快捷栏

3.1.4.3设计建立空气腔体

（1）选择菜单Draw（绘画）>Box（长方体）或者在工具栏中选择新建box按钮

（2）设置air模型坐标

鼠标拖动后会弹出command（指令）窗口，在输入坐标的地方，输入盒子的一个顶点位置X:

－1.0，Y－1.7，Z：

－0.3125并输入长方体的长X方向2.0宽Y方向3.4高Z方向0.625。

图3-8指令设置窗口

（3）设置air模型的名称

选择Attribute（属性）表，在name（名字）一栏中将名字改为“air”确认无误后点击确定按钮

图3-9属性设置窗口

（4）查看air模型

选择菜单View（观察）>选择FitAll（适合所有结果）>选择ActiveView（当前视窗）或者同时按CTRL+D组合键来查看模型。

图3-10air的模型

3.1.4.4设计建立同轴外导体模型

（1）从画平面的工具条中，改变活动平面由XY到YZ

图3-11活动平面快捷栏

（2）选择菜单Draw（绘画）>选择Cylinder（圆柱体）或者点击工具条中的快捷键

（3）设置feed1模型坐标

首先在弹出command（指令）窗口输入中心位置的坐标X：

1.0，Y：

-0.9，Z：

0.0并依次输入半径0.14与高度0.75。

图3-12指令设置窗口

（4）设置feed1模型名称

如图3-13所示，选择Attribute（属性）表，在name（名字）一栏中将名字改为“feed1”确认无误后点击确定按钮。

图3-13属性设置窗口

（5）查看feed1模型

图3-14feed1模型

3.1.4.5改变模型的材料

（1）在3D模型材料工具条中选择Select（选择）

（2）在选择窗口中，利用SearchbyName（按名称查找）中选择Pec（光电管，氯化聚乙烯）

（3）点击“OK”（确定）按钮

图3-15材料选择窗口

3.1.4.6设计建立同轴导体内的模型

（1）选择菜单Draw（绘画）>选择Cylinder（圆柱体）或者点击工具条中的快捷键

（2）设置feedin1模型坐标

如图3-12所示，在弹出的command（指令）窗口中输入中心位置坐标，X：

1.0，Y：

-0.9，Z:

0.0然后输入圆柱半径0.06以及圆柱的高度0.75

（3）设置feedin1模型名称

如图3-13所示，选择Attribute（属性）表，在name（名字）一栏中将名字改为“feedin1”确认无误后点击确定按钮。

（4）查看feedin1模型

图3-16feedin1模型

3.1.4.7设计建立同轴馈电探针模型

（1）选择菜单Draw（绘画）>选择Cylinder（圆柱体）或者点击工具条中的快捷键

（2）设置feedprobe1模型坐标

如图3-12所示，在弹出的command（指令）窗口中输入中心位置坐标，X：

1.0，Y：

-0.9，Z:

0.0然后输入圆柱半径0.06以及圆柱的高度-0.15

（3）设置feedprobe1模型名称

如图3-13所示，选择Attribute（属性）表，在name（名字）一栏中将名字改为“feedprobe1”确认无误后点击确定按钮

（4）查看feedprobe1模型

图3-17feedprobe1模型

3.1.4.8设计建立谐振器

（1）创建l1

<1>选择菜单Draw（绘画）>选择Box（长方体）或者在工具栏中选择新建box按钮

<2>设置l1模型的坐标

如图3-12所示，拖动鼠标弹出command（指令）窗口后，在输入坐标的地方，输入盒子的一个顶点位置X:

0.85，Y－0.9625，Z：

－0.03并输入长方体的长X方向-1.7宽Y方向0.125高Z方向0.06

<3>设置l1模型名称

如图3-13所示，选择Att