实验一交叉耦合滤波器设计与仿真.docx

1、实验一交叉耦合滤波器设计与仿真实验一 交叉耦合滤波器设计与仿真一、 实验目的1.设计一个交叉耦合滤波器2.查看并分析该交叉耦合滤波器的S参数实验设备装有HFSS 软件的笔记本电脑一台实验原理具有带外有限传输零点的滤波器，常常采用谐振腔多耦合的形式实现。这种形式的特点是在谐振腔级联的基础上，非相邻腔之间可以相互耦合即“交叉耦合”，甚至可以采用源与负载也向多腔耦合，以及源与负载之间的耦合。交叉耦合带通滤波器的等效电路如下图所示。在等效电路模型中，e1表示激励电压源，R1、R2分别为电源内阻和负载电阻，ik（k=1,2,3,N）表示各谐振腔的回路电流，Mij表示第i个谐振腔与第k个谐振腔之间的互耦合

2、系数(i,j=1,2,N，且ij)。在这里取0=1，即各谐振回路的电感L和电容C均取单位值。Mkk（k=1,2,3,N）表示各谐振腔的自耦合系数。n 腔交叉耦合带通滤波器等效电路如下图所示:这个电路的回路方程可以写为 或者写成矩阵方程的形式：其中，一般来讲，频率都归一成1，即0=1,则其中E为电压矩阵，I为电流矩阵，Z为阻抗矩阵，U0是NN阶单位矩阵。M是耦合矩阵，它是一个NN阶方阵，形式如下： 其中对角线上的元素代表每一个谐振腔回路的自耦合，表示每一个谐振腔的谐振频率fi与中心频率f0之间的偏差。（在同步调谐滤波器中，认为它们的值都取零）。R矩阵是NN阶方阵，除R(1,1)=R1，R (N,

3、N)=R2为非零量以外，其它元素值都等于零。那么，这个电路的传输函数可以写为其中，D(cofZ1N)表示Z矩阵第一行、第N列元素的代数余子式，D(Z)表示Z矩阵的行列式。相应地,通带增益频响特性为取 n =3，可得 33 阶耦合矩阵M：3阶椭圆函数滤波器的低通增益函数修正为：其中上述方法中的等波纹系数也必须进行修正，修正方法有下列两种：(1)取导数为零的点，得到(1，1)内各点的最大值，有：令标准椭圆函数与修正后的椭圆函数在边带上的衰减相等，从而求得修正后的纹波系数：实验内容设计一个交叉耦合滤波器，其指标要求如下：中心频率：910MHz带宽：40MHz带内反射：20dB此滤波器通过三腔微带结构

4、(环形谐振器)实现。选用介质板的相对介电常数为r=，厚度为h =。腔体为半波长方腔结构，腔间耦合程度通过腔间距离来控制，使得滤波器谐振频率在910MHz。 最终获得反射系数和参数系数曲线的仿真结果。实验步骤1.建立新工程了方便建立模型，在ToolOptionsHFSS Options中讲Duplicate Boundaries with geometry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HFSSSolution Type。（2）在弹出的Solution Type窗口中(a)选择Driven Modal。(b)点击OK按钮。3.设置模型单位（1）在菜单栏中点击3D

5、 ModelerUnits。（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DrawBox,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：-20，Y：-35，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：40，dY：70，dZ：；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。(e)点击Material对应的按钮，在弹出的材料设置窗口中点击Add Material按钮，添加介电常数为的介质，将

6、其命名为sub。点击OK结束。（2）建立Ring_1(a)在菜单栏中点击DrawRectangle，创建矩形模型。(b)在坐标输入栏中输入起始点的坐标：X：0，Y：0，Z:0按回车键。(c)在坐标输入栏中输入长、宽：dX：10，dY：-25，dZ：0按回车键。(d)在特性（Property）窗口中选择Attribute标签，将该名字修改为Ring_1。(e)在菜单栏中点击DrawRectangle,创建矩形模型。(f)在坐标输入栏中输入起始点的坐标：X：，Y：，Z：0按回车键。(g)在坐标输入栏中输入长、宽：dX：，dY：，dZ：0按回车键。(h)在特性（Property）窗口中选择Attri

7、bute标签，将该名字修改为Inner。(i)同样地，建立矩形Cut_1，输入的坐标为：X：4，Y：-25，Z：0，按回车键结束。dX：2，dY：，dZ：0，按回车键结束。(j)用Ring_1将Inner和Cut_1减去，使之成为一个开口的矩形环。在菜单栏中点击EditSelectBy Name,在弹出的窗口中利用Ctrl键选择Ring_1、Inner和Cut_1。(k)在菜单栏中点击ModelerBooleanSubtract,在Subtract窗口中作如下设置：Blank Parts :Ring_1 Tool Parts : Inner,Cut_1Clone tool objects be

8、fore subtract 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EditSelectBy Name,在弹出的窗口中选择Ring_1。(b)在菜单栏中点击EditArrangeMove,在坐标输入栏中输入移动的向量。X：0，Y：0，Z：0dX：0，dY：，dZ：0，按回车键结束输入。（4）创建Ring_2(a)Ring_2与Ring_1沿X轴对称，因此可以用对称复制操作创建Ring_2。在菜单栏中点击EditSelectBy Name，在弹出的窗口中选择Ring_1。(b)在菜单栏中点击EditDuplicateMirror，

9、输入向量。X：0，Y：0，Z：0；dX：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Ring_3(a)在菜单栏中点击DrawRectangle。(b)在右下角的坐标输入起始点坐标，即X：0，Y：，Z：0按回车键结束输入。(c)输入矩形边长，即dX：-10，dY：25，dZ：0按回车键结束输入。(d)在特性（Property）窗口中选择Attribute标签，将该矩形的名字修改为Ring_3。(e)在菜单栏中点击DrawRectangle。(f)在右下角的坐标输入栏中输入起始点位置坐标，即X：，Y：，Z：0按回车键结

10、束输入。(g)输入矩形边长dX：，dY：，Z：0按回车键结束输入。(h)在特性（Property）窗口中选择Attribute标签，将该矩形的名字修改为Inner_2。(i)同样的，建立矩形Cut_2,输入的坐标分别为X：0，Y：，Z：0；dX：，dY：，dZ：0按回车键结束输入。(j)在菜单键栏中点击EditSelectBy Name,在弹出的窗口中利用Ctrl键选择Ring_3、Inner_2和Cut_2。(k)用Ring_3将Inner_2和Cut_2减去，使之成为一个开口的矩形环。在菜单栏中点击3D ModelerBooleanSubtract,在Subtract窗口中做以下设置：Bl

11、ank Parts：Ring_3Tool Parts：Inner_2,Cut_2Clone tool objects before subtract 复选框不选；点击OK按钮。（6）移动Ring_3(a)在菜单栏中点击EditSelectBy Name，在弹出的窗口中选择Ring_3。(b)在菜单栏中点击EditArrangeMove，在坐标输入栏中输入移动的向量，即X：0，Y：0， Z：0；dX：， dY：0，dZ：0 按回车键结束输入。（7）创建Feedline_1创建滤波器的馈线结构，该馈线由特性阻抗不同的两段微带传输线组成。(a)在菜单栏中点击DrawRectangle。(b)在右下角

12、的坐标输入栏中输入X：，Y：，Z：0；dX：，dY：25，dZ：0按回车键结束。(c)创建矩形后，在弹出的特性（Property）窗口中选择Attribute标签，将名字修改为F_1。(d)在菜单栏中点击DrawRectangle。(e)在右下角的坐标输入栏中输入X：，Y：，Z：0；dX：1，dY：，dZ：0按回车键结束。(f)创建矩形后，在弹出的特性（Property）窗口中选择Attribute标签，将名字修改为F_2。(g)在菜单键栏中点击EditSelectBy Name,在弹出的窗口中利用Ctrl键选择F_1和F_2。(h)在菜单栏中点击3D ModelerBooleanUnit,在

13、历史操作树中，双击新组合的模型F_1，在特性窗口中将其命名为Feedline_1。（8）创建Feedline_2同样的，Feedline_2与Feedline_1沿X轴对称，因此也可以通过对称复制操作来创建。(a）在菜单栏中点击EditSelectBy Name,弹出的窗口中选择Feedline_1。(b）在菜单栏中点击EditDuplicateMirror，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。（9）组合Ring_1、Ring_2、Ring_3、Feedline_1

14、和Feedline_2(a)在菜单键栏中点击EditSelectBy Name,在弹出的窗口中利用Ctrl键选择Ring_1、Ring_2、Ring_3、Feedline_1和Feedline_2。(b)在菜单栏中点击3D ModelerBooleanUnit。(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 微带滤波器采用集总端口激励，因此需要首先创建供设置端口用的矩形，该矩形连接了馈线与地板。（1）创建port_1(a)在菜单栏中点击3D ModelerGrid PlaneXZ。(b)在菜单栏中点击DrawRectangle，在坐标输入栏中输入如下坐标

15、：X：，Y：-35，Z：0；dX：1，dY：0，dZ：按回车键结束输入。(c)将其命名为port_1。(d)在菜单栏中点击EditSelectBy Name。在弹出的窗口中选择port_1。(e)在菜单栏点击HFSSExcitationsAssignLumped Port,在Lumped Port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Integration Line中点击None，选择New Line，在坐标栏中输入以下坐标：X：，Y：-35，Z：；dX：0，dY：0，dZ：按回车键结束输入。点击Next直至结束。（2）创建port_2(a

16、)在菜单栏中点击Edit ObjectsSelectBy Name,在弹出的窗口中选择Port_1。Port_2与port_1也以X轴对称，因此可以利用对称复制创建。(b)在菜单栏中点击EditDuplicateMirror,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。由于在建立工程的第一步就设置了复制边界选项，因此在复制创建port_2之后，端口上设置的激励也一同复制了。6.创建Air(a)在菜单栏中点击DrawBox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

17、置坐标，即X：-70，Y：-90，Z：-50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：140，dY：180，dZ：100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.设置边界条件边界条件包括理想金属边界条件你和辐射边界条件。滤波器的导带部分、介质基片下底面地板要设置为理想金属边界。设置辐射边界是为了截断求解区域。（1）设置理想金属边界条件。(a)在菜单栏中点击EditSelectBy Name,在弹出的窗口中选择Trace。(b)在菜单栏中点击HFSSBoundariesAssignPerfec

18、t E。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EditSelectFaces,这是应经将鼠标所选设置为选择模型的表面了。然后点击By Name ,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HFSSBoundariesAssignPerfect E,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HFSSBoundariesObject,然后点击By Name ，选择Air。(b)在菜单栏中点击HFSSBoundaries

19、AssignRadiation ,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范围（1）设置求解频率(a)在菜单栏中点击HFSSAnalysis SetupAdd Solution Setup。(b)在求解设置窗口中作如下设置：Solution Frequency：910MHz；Maximum Numbers of Passes：20；Maximum Delta S per Pass：；点击OK按钮。（2）设置扫频(a)在菜单栏中点击HFSSAnalysis Setup Add Sweep。(b)选择Setup1，点击OK。(c)在扫频设置窗口中作如下设置：Sweep Type

20、：Fast；Frequency Setup Type ：Linear Count；Start：700MHz；Stop：1100MHz；Count:501。(d)将Save Field复选框选中，点击OK按钮。9.保存工程在菜单栏中点击FileSave As，在弹出的窗口中将该工程的命名为shiyan1，并选择路径保存。优化处理点击HFSSAnalyze All点击HFSSResultCreate Modal Solution Data Report选择Rectangle Plot在Trace窗口中设置：Solution:Sweep1:Sweep1;Domain:Sweep;点击Y标签，选择：C

21、ategory:S parameter;Quantity:S(p1,p1)、S(p2,p1);Function:dB。点击New Report按钮完成。实验结果仿真图如下：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910MHz，带宽40MHz的频率范围内（即890930MHz），最大出现在，其值为。在842MHz的带外频点处，带外抑制大于20dB，满足一般指标要求。问题思考及小结本实验利用HFSS软件设计了一个交叉耦合滤波器，该滤波器采用三腔微带环形谐振器，其耦合矩阵为：本实验由于创建的模型比较多，需要输入的数据比较多，所以需要足够的仔细和耐心。在第一次实验时由于对HFSS不够熟悉且不够仔细，仿真结果差强人意，重新认真的做了一遍之后，发现结果还是出不来，经多处查资料和在论坛上发帖提问之后，才发现是装软件时少导入了一个库造成的，重新装了一遍软件并重新做一遍之后结果输出正确。通过本次实验，我熟练的掌握了HFSS软件的基本使用方法，掌握了交叉耦合滤波器的结构及其S参数。