实验二源负载耦合的交叉耦合滤波器设计与仿真设计.docx

实验二源负载耦合的交叉耦合滤波器设计与仿真设计.docx

《实验二源负载耦合的交叉耦合滤波器设计与仿真设计.docx》由会员分享，可在线阅读，更多相关《实验二源负载耦合的交叉耦合滤波器设计与仿真设计.docx（12页珍藏版）》请在冰豆网上搜索。

实验二源负载耦合的交叉耦合滤波器设计与仿真设计

实验二源-负载耦合的交叉耦合滤波器设计与仿真

一、实验目的

1.设计一个源-负载耦合的交叉耦合滤波器

2.查看并分析该源-负载耦合的交叉耦合滤波器的S参数

二、实验设备

装有HFSS13.0软件的笔记本电脑一台

三、实验原理

交叉耦合滤波器在非相邻谐振腔之间引入了交叉耦合，以得到有限频率传输零点，从而提高了滤波器的选择特性。

一般来讲，一个N腔交叉耦合滤波器最多能实现N-2个传输零点。

对于给定的一种含有N个谐振器的滤波器，如果在源与负载之间也引入耦合，则可实现N个传输零点。

源-负载耦合的交叉耦合滤波器等效电路模型如图所示。

在上图所示的等效电路模型中，

表示各个谐振腔之间的耦合系数，

、

分别表示源、负载与第i个腔之间的耦合系数。

则表示源与负载之间的耦合系数。

整个电路由N个谐振腔构成，各个谐振腔之间是电感耦合。

对于窄带滤波器，做如下规一化：

这里

为中心频率，

为相对带宽。

回路矩阵方程为：

其中，

是将（N+2）×（N+2）阶单位矩阵中第一个元素和最后一个元素令为0，其它元素都保持不变所得的矩阵。

是耦合矩阵，是一个（N+2）×（N+2）阶方阵，其中对角线上的元素代表每一个谐振腔的自耦合，它表示每一个谐振腔的谐振频率

与滤波器的中心频率

之间的偏差。

（在同步调谐滤波器中，我们认为每个谐振腔的自耦合系数的值都取零）。

矩阵中非对角线上的元素表示各个谐振腔之间的耦合系数。

矩阵是（N+2）×（N+2）阶方阵，除

非零以外，其它元素值都等于零。

由上可得到该滤波器网络的传输函数：

其中，

表示

矩阵的第一行；第N列元素的代数余子式；

表示

矩阵的行列式。

对上式做进一步分析，可以发现：

其分子多项式与分母多项式是同阶多项式。

因此，必须选择分子分母同阶的函数形式作为源．负载耦合交叉耦合滤波器的逼近函数。

一般情况下，我们可以通过将奇数阶椭圆函数的分子多项式舍去一个零点，或者直接选择偶数阶椭圆函数作为逼近函数。

这里需要指出的是，两种逼近函数的构造方法，都必须对波纹系数做一定的修正。

将滤波器看作一个二端口网络，那么其导纳矩阵为

这里假设源和负载阻抗相等并设为1Ω，则当N为偶数时，

当N为奇数时，

其中，

其中：

ei、fi分别是F（s）、E（s）的复系数，i=0,1,2,…,N；F（s）、E（s）分别是反射函数的分子、分母多项式。

而对于一个含源-负载交叉耦合的滤波器，其第k个谐振腔单元电路（如图下图所示）的传输矩阵A（这里忽略了每一个谐振腔之间的耦合）为

第k个谐振腔与源、负载之间的耦合

N腔源-负载耦合交叉耦合滤波器拓扑结构

根据传输矩阵A与导纳矩阵Y之间的转换关系，求得对应的Y矩阵：

整个网络的短路导纳矩阵为各子网络的导纳矩阵之和

观察上式，得到MSL=K0，Ck=1，Bk=-λk，M2Lk=r22k，MSkMLk=r21k。

这样，就可以确定出耦合矩阵,再根据实际结构耦合的可实现性，对耦合矩阵进行相似变换，从而确定可以实现的耦合矩阵。

四、实验容

设计一个源-负载耦合的交叉耦合滤波器，其指标要求如下：

中心频率：

3.3GHz

相对带宽：

0.02MHz

带回波损耗：

20dB

阻带最小衰减：

25dB

此滤波器通过微带结构实现。

选用介质板的材料为氧化铝瓷，其相对介电常数为εr=9.8，厚度为h=0.5mm。

该设计与仿真采用两腔谐振器，最终获得反射系数和参数系数曲线的仿真结果。

五、实验步骤

1.建立新工程

了方便建立模型，在Tool>Options>HFSSOptions中讲DuplicateBoundarieswithgeometry复选框选中。

2.将求解类型设置为激励求解类型：

（1）在菜单栏中点击HFSS>SolutionType。

（2）在弹出的SolutionType窗口中

（a）选择DrivenModal。

（b）点击OK按钮。

3.设置模型单位

（1）在菜单栏中点击3DModeler>Units。

（2）在设置单位窗口中选择：

mm。

4.建立滤波器模型

（1）首先建立介质基片

（a）在菜单栏点击Draw>Box,这样可以在3D窗口中创建长方体模型。

（b）输入长方体的起始坐标：

X：

-5.5，Y：

-8，Z：

0；按回车键结束输入。

（c）输入长方体X，Y，Z三个方向的尺寸，即dX：

11，dY：

16，dZ：

-0.5；按回车键结束输入。

（d）在特性（Property）窗口中选择Attribute标签，将该名字修改为Substrate，透明度（transparent）改为0.85。

（e）点击Material对应的按钮，将材料设置为Al2_O3_ceramic。

（f）点击Color后面的Edit按钮，将颜色设计为绿色，点击OK结束。

（2）建立Ring_1

（a）在菜单栏中点击Draw>RegularPolygon。

（b）在坐标输入栏中输入中心点的坐标：

X：

0，Y：

0，Z:

0按回车键。

（c）在坐标输入栏中输入半径向量：

dX：

3.8683，dY：

0，dZ：

0按回车键。

（d）在弹出的SegmentNumber窗口中将多边形数改为6.

（e）在特性（Property）窗口中选择Attribute标签，将该名字修改为Ring_1。

（f）在菜单栏中点击Draw>RegularPolygon。

（g）在坐标输入栏中输入中心点的坐标：

X：

0，Y：

0，Z:

0按回车键。

（h）在坐标输入栏中输入半径向量：

dX：

2.1362，dY：

0，dZ：

0按回车键。

（i）在弹出的SegmentNumber窗口中将多边形数改为6.

（j）在特性（Property）窗口中选择Attribute标签，将该名字修改为Inner。

（k）在菜单栏中点击Edit>Select>ByName,在弹出的窗口中利用Ctrl键选择Ring_1和Inner。

（l）在菜单栏中点击3DModeler>Boolean>Subtract,在Subtract窗口中作如下设置：

BlankParts:

Ring_1

ToolParts:

Inner

Clonetoolobjectsbeforesubtract复选框不选，点击OK结束设置。

（3）移动Ring_1

（a）将Ring_1沿Y轴作微小的移动。

在菜单栏中点击Edit>Select>ByName,在弹出的窗口中选择Ring_1。

（b）在菜单栏中点击Edit>Arrange>Move,在坐标输入栏中输入移动的向量。

X：

0，Y：

0，Z：

0

dX：

0，dY：

-3.8683mm*sin（pi/3）-0.14555mm，dZ：

0，按回车键结束输入。

（c）建立矩形Cut_1，输入的坐标为：

X：

-0.346，Y：

8，Z：

0，按回车键结束。

dX：

0.692，dY：

4，dZ：

0，按回车键结束

（d）同时选中Ring_1和Cut_1，在菜单栏中点击3DModeler>Boolean>Subtract,在Subtract窗口中作如下设置：

BlankParts:

Ring_1

ToolParts:

Cut_1

Clonetoolobjectsbeforesubtract复选框不选，点击OK结束设置。

（4）创建Ring_2

（a）菜单栏中点击Edit>Select>ByName,在弹出的窗口中选择Ring_1。

（b）在菜单栏中点击Edit>Duplicate>Mirror，输入向量。

X：

0，Y：

0，Z：

0；d

X：

0，dY：

1，dZ：

0，按回车键结束。

（c）在操作历史树中双击新建的矩形，在特性窗口中重新将其命名为Ring_2。

（5）创建Feedline_1

（a）在菜单栏中点击Draw>Line。

（b）在坐标输入栏中输入坐标：

X：

1.5302，Y：

-8.0，Z:

0按回车键。

X：

1.5302，Y：

-7.437，Z:

0按回车键。

X：

2.778，Y：

-7.437，Z:

0按回车键。

X：

4.5556，Y：

-3.4917，Z:

0按回车键。

X：

2.5665，Y：

-0.04639，Z:

0按回车键。

X：

1.9892，Y：

-0.04639，Z:

0按回车键。

X：

3.9783，Y：

-3.4917，Z:

0按回车键。

X：

1.9891，Y：

-6.937，Z:

0按回车键。

X：

0.5302，Y：

-6.937，Z:

0按回车键。

X：

0.5302，Y：

-8.0，Z:

0按回车键。

X：

1.5302，Y：

-8.0，Z:

0按回车键。

（c）在弹出的特性（Property）窗口中选择Attribute标签，将名字修改为Feedline_1。

（6）创建Feedline_2

（a）在菜单栏中点击Edit>Select>ByName,弹出的窗口中选择Feedline_1。

（b）在菜单栏中点击Edit>Duplicate>Mirror，输入向量，即X：

0，Y：

0，Z：

0；dX：

0，dY：

1，dZ：

0按回车键结束输入。

（c）在操作历史树中双击新建的馈线，在特性窗口中将其重新命名为Feedline_2。

（7）组合Ring_1、Ring_2、Feedline_1和Feedline_2

（a）在菜单键栏中点击Edit>Select>ByName,在弹出的窗口中利用Ctrl键选择Ring_1、Ring_2、Feedline_1和Feedline_2。

（b）在菜单栏中点击3DModeler>Boolean>Unit。

（c）在历史操作树中，双击新组合的模型，在特性窗口中将其命名为Trace。

5.创建端口

（1）创建port_1

（a）在菜单栏中点击3DModeler>GridPlane>XZ。

（b）在菜单栏中点击Draw>Rectangle，在坐标输入栏中输入如下坐标：

X：

0.5302，Y：

-8，Z：

0；dX：

1，dY：

0，dZ：

-0.5按回车键结束输入。

（c）将其命名为port_1。

（d）在菜单栏中点击Edit>Select>ByName。

在弹出的窗口中选择port_1。

（e）在菜单栏点击HFSS>Excitations>Assign>LumpedPort,在LumpedPort窗口的General标签中，将该端口命名为p1，然后点击Next。

（f）在Modes标签的IntegrationLine中点击None，选择NewLine，在坐标栏中输入以下坐标：

X：

1.0302，Y：

-8，Z：

-0.5；dX：

0，dY：

0，dZ：

0.5按回车键结束输入。

点击Next直至结束。

（2）创建port_2

（a）在菜单栏中点击EditObjects>Select>ByName,在弹出的窗口中选择Port_1。

（b）在菜单栏中点击Edit>Duplicate>Mirror,输入即X:

0,Y:

0,Z:

0;dX:

0,dY:

1,dZ:

0。

按回车键结束。

（c）在操作历史书中双击新建的端口，在特性窗口中将其重新命名为port_2。

6.创建Air

（a）在菜单栏中点击Draw>Box或者在工具栏中点击按钮。

（b）在右下角的坐标输入栏中输入长方体的起始位置坐标，即X：

-15，Y：

-15，Z：

-1按回车键结束输入。

（c）输入长方体的X、Y、Z三个方向的尺寸，即dX：

30，dY：

30，dZ：

12按回车键结束输入。

（d）在特性（Property）窗口中选择Attribute标签，将该长方体的名字修改为Air。

7.设置边界条件

（1）设置理想金属边界条件。

（a）在菜单栏中点击Edit>Select>ByName,在弹出的窗口中选择Trace。

（b）在菜单栏中点击HFSS>Boundaries>Assign>PerfectE。

在弹出的对话框中将其命名为Perf_Trace，点击OK按钮。

（c）在菜单栏中点击Edit>Select>Faces,这是应经将鼠标所选设置为选择模型的表面了。

然后点击ByName,选择Substrate，选择其下地面，选择的时候在3D窗口中进行观察，确保选择导下底面（即8）。

（d）在菜单栏中点击HFSS>Boundaries>Assign>PerfectE,在弹出的对话窗中将其命名为Perf_Ground，点击OK按钮。

（2）设置辐射边界条件

（a）在菜单栏中点击HFSS>Boundaries>Object,然后点击ByName，选择Air。

（b）在菜单栏中点击HFSS>Boundaries>Assign>Radiation,在弹出的对话框中点击OK结束。

8.为该问题设置求解频率及扫频围

（1）设置求解频率

（a）在菜单栏中点击HFSS>AnalysisSetup>AddSolutionSetup。

（b）在求解设置窗口中作如下设置：

SolutionFrequency：

3.3GHz；MaximumNumbersofPasses：

15；MaximumDeltaSperPass：

0.02；点击OK按钮。

（2）设置扫频

（a）在菜单栏中点击HFSS>AnalysisSetup>AddSweep。

（b）选择Setup1，点击OK。

（c）在扫频设置窗口中作如下设置：

SweepType：

Fast；FrequencySetupType：

LinearCount；Start：

2.6GHz；Stop：

4.5GHz；Count:

501。

（d）将SaveField复选框选中，点击OK按钮。

9.保存工程

在菜单栏中点击File>SaveAs，在弹出的窗口中将该工程的命名为shiyan2，并选择路径保存。

10.优化处理

（1）点击HFSS>AnalyzeAll

（2）点击HFSS>Result>CreateModalSolutionDataReport

（3）选择RectanglePlot

（4）在Trace窗口中设置：

Solution:

Setup1:

Sweep1;Domain:

Sweep;点击Y标签，选择：

Category:

Sparameter;Quantity:

S（p1,p1）、S（p2,p1）;Function:

dB。

点击NewReport按钮完成。

六、实验结果

仿真图如下：

源-负载耦合的交叉耦合滤波器的S参数曲线如下：

由上图反射系数和传输系数曲线可知，中心频率3.3GHz，相对带宽0.02的频率围（即3.267~3.333GHz），

最小值出现在3.3182GHz，其值为-14.6106dB。

在带外，阻带最小衰减大于25dB，满足一般指标要求。

7、问题思考及小结

本实验利用HFSS设计了一个源-负载耦合的交叉耦合滤波器，该滤波器采用两腔耦合谐振器，并引入源与负载之间的耦合，其耦合矩阵为：

本实验操作过程与实验一类似，但过程数据没有实验一复杂，比较容易实现，但仍然需要足够的仔细和耐心，在保存工程之后需要求解该工程才能进行后处理操作。

通过本次实验，我进一步熟悉了HFSS软件的使用方法，掌握了源-负载耦合的交叉耦合滤波器的结构及其S参数。