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
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:
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
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。
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。
优化处理
点击HFSS>AnalyzeAll
点击HFSS>Result>CreateModalSolutionDataReport
选择RectanglePlot
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。
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。
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。