实验一 交叉耦合滤波器设计与仿真.docx
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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
二、实验设备
装有HFSS软件的笔记本电脑一台
三、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系数（i,j=1,2,…,N，且i≠j）。
在这里取ω0=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ω≈ω0=1,则
其中E为电压矩阵，I为电流矩阵，Z为阻抗矩阵，
U0是N×N阶单位矩阵。
M是耦合矩阵，它是一个N×N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N×N阶方阵，除R（1,1）=R1，R（N,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3×3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α，有：
（2）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：
四、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
带外抑制：
在MHz处>20dB
此滤波器通过三腔微带结构（环形谐振器）实现。
选用介质板的相对介电常数为εr=，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。
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：
-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AddMaterial按钮，添加介电常数为的介质，将其命名为sub。
点击OK结束。
（2）建立Ring_1
（a）在菜单栏中点击Draw>Rectangle，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Draw>Rectangle,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Attribute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Edit>Select>ByName,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Modeler>Boolean>Subtract,在Subtract窗口中作如下设置：
BlankParts:
Ring_1
ToolParts:
Inner,Cut_1
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：
，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Ring_3
（a）在菜单栏中点击Draw>Rectangle。
（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Draw>Rectangle。
（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Edit>Select>ByName,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3DModeler>Boolean>Subtract,在Subtract窗口中做以下设置：
BlankParts：
Ring_3
ToolParts：
Inner_2,Cut_2
Clonetoolobjectsbeforesubtract复选框不选；点击OK按钮。
（6）移动Ring_3
（a）在菜单栏中点击Edit>Select>ByName，在弹出的窗口中选择Ring_3。
（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，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Draw>Rectangle。
（b）在右下角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Draw>Rectangle。
（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Edit>Select>ByName,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3DModeler>Boolean>Unit,在历史操作树中，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。
（9）组合Ring_1、Ring_2、Ring_3、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、Ring_3、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
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：
，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：
，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）在菜单栏中点击EditObjects>Select>ByName,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。
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：
-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范围
（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：
910MHz；MaximumNumbersofPasses：
20；MaximumDeltaSperPass：
；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：
700MHz；Stop：
1100MHz；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shiyan1，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:
Sweep1:
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：
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890~930MHz），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。
七、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。
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