实验一交叉耦合滤波器设计与仿真Word下载.docx
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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=1。
8,厚度为h=1.27mm。
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
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:
—1。
27;
(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,在弹出的材料设置窗口中点击AddMaterial按钮,添加介电常数为10。
8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:
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:
(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:
4,Y:
-1.4,Z:
0按回车键.
(g)在坐标输入栏中输入长、宽:
7.2,dY:
—22.2,dZ:
(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:
—25,Z:
0,按回车键结束。
2,dY:
1.4,dZ:
(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:
dX:
0,dY:
—0。
9,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。
(b)在菜单栏中点击Edit〉Duplicate〉Mirror,输入向量.
0;
d
1,dZ:
(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:
-12.5,Z:
0按回车键结束输入。
(c)输入矩形边长,即dX:
-10,dY:
25,dZ:
(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:
-1.4,Y:
—11。
1,Z:
(g)输入矩形边长dX:
—7。
2,dY:
—22.2,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:
-0.7,Z:
4,dY:
4,dZ:
(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,Z:
-0.5,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。
(b)在右下角的坐标输入栏中输入X:
10.4,Y:
—25。
9,Z:
0。
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>
(e)在右下角的坐标输入栏中输入X:
10.4,Y:
9,Z:
1,dY:
—9.1,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。
ByName,弹出的窗口中选择Feedline_1。
Duplicate〉Mirror,输入向量,即X:
0,Z:
(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:
—35,Z:
1,dY:
-1.27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:
10。
9,Y:
-35,Z:
-1。
27;
0,dY:
27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,Z:
0,dY:
1,dZ:
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
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.
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>
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:
02;
点击OK按钮。
(2)设置扫频
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893。
6MHz,其值为-19.577dB。
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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- 关 键 词:
- 实验 交叉 耦合 滤波器 设计 仿真