t型开槽三角形贴片双模微带带通滤波器的研究

学号：200910321057 上海海事大学 本科生毕业设计（论文） T 型开槽三角形贴片双模微带带通滤波器的研究 学院：信息工程学院 专业：电子信息工程 班级：092 姓名：姜文俊 指导教师：张友俊 完成日期：2013 年 5 月 24 日 1 摘 要 随着电子通信系统在各领域应用的飞速发展，由于微波滤波器设计时具有独特的优点，模 微带滤波器越来越得到重视。对于早期提出的三角形谐振器，它们存在体积大，不利于滤波器 的小型化，贴片之间靠缝隙耦合，导致插入损耗比较大，滤波器的频率响应一般只有一个衰减 极点。本文不使用传统的缝隙耦合，而采用直接抽头馈线作为输入输出，减小插入损耗；不使 用多级片破坏对称性等激起双模，而采用开 T 型槽激起双模。这样的三角形贴片滤波器有两个 衰减极点在通带两侧，阻带的抑制能力得到加强,有利于小型化且性能更优。 关键字：微带带通滤波器， 双模， T 型开槽， 三角形贴片 Abstract With the rapid development of the electronic communication system in variety of the fields，the dual-mode microstrip filters have been put more emphasis on because of the unique advantages when being designed.For the triangular resonator raised in the early time，It have relatively large insertion loss because of the patches are coupling by the gap and have only one transmission zeros.In this paper， ee use a pair of parallel inset feed lines without using the coupling gap so that problem is no longer exists and the insertion loss is decreases.We use the triangular patch with a T-slot in it instead of using multiple patches to simulate the degenerate mode.In this way,there are two attenuation poles on both sides of the passband to improve the stopband rejection and ensure the filter miniaturization and the better performance. Key words:microstrip bandpass filter， dual-mode， T-shaped slot， triangular patch 目 录 摘 要 1 1. 引 言 .3 1.1 国内外研究现状 3 1.2 研究目标和内容 3 2.滤波器设计原理 4 2.1 滤波器的发展状况 4 2.2 滤波器结构及原理分析 6 2.2.1 T 型槽开槽 6 2.2.2 直接采用抽头作为输入输出（一对平行插入微带线馈线） 11 2.3 滤波器的常用参数 .12 2.4 三角形贴片形状的分析（等边/等腰三角形） 13 3.HFSS 软件功能介绍 14 3.1 HFSS 软件功能概述 .14 3.2 HFSS 软件的计算原理 .15 3.3 HFSS 中的边界条件 .16 3.4HFSS 中的激励设置 16 3.5HFSS 广泛的应用领域 16 4.滤波器性能分析 .18 4.1 滤波器的性能介绍 .18 4.2 各变量对滤波器性能分析 .18 5. 总结与展望 23 参考文献 .24 上海海事大学本科生毕业设计（论文） 3 1. 引 言 伴随着双模微带滤波器在电子通信系统中的广泛应用，以及无线通信（移动通信和卫星通 信）、雷达、遥感技术的快速发展，加快推动了微带滤波器的发展。微带滤波器具有尺寸体积 小、质量轻、成本低、辐射小、功率较高以及较易加工制作的优点。所以，贴片微带滤波器越 来越得到关注和研究，并且不同类型的贴片微带滤波器广泛被应用于各种微波集成电路。微带 滤波器的设计十分简单方便，都得益于其固有特性。微带滤波器可以设计成单模和双模两种不 同的谐振器，并且双模的谐振器可以等效成为双调谐的谐振电路，从而，简并模可以使得滤波 器的固有阶数减少一半，即滤波器贴片的数量减少一半。这样的话，滤波器尺寸体积会缩小， 使得结构更为紧凑。双模滤波器结构形式如方形贴片、圆形贴片、折线环等已经较为成熟和广 泛应用于设计工作当中去了，本文所进行研究的三角形贴片双模滤波器则是一种较为新型的滤 波器，越来越受到关注和研究。传统的三角形贴片滤波器常常采用不对称馈线、开槽等微扰或 者多贴片滤波器都对滤波器的性能和小型化产生了障碍。除此之外，滤波器的频率响应往往只 有一个衰减极点，而性能较好较为理想的带通滤波器最好有在通带两侧都存在衰减极点。 1.1 国内外研究现状 三角形贴片谐振器最早是 N.Ogasawara 和 T.Noguchi 在 1974 年提出的，之后 J.Helszajn 和 D.S.James1,2分析了三角形谐振器，并用来制成了微带环流器，并给出了带阻和带通滤波器的原 型。但真正用来设计滤波器的是高温超导滤波器，高温超导滤波器虽然 Q 值很高，但是它的推 广和普及有两个主要障碍：一是高温超导电路对制冷的要求仍是一个有待解决的问题，需要发 展具有高效率、高可靠、长寿命、小体积而又价格低廉的制冷装置；二是目前高温超导薄膜的 价格昂贵，从而阻碍了其推广应用。J.S.Hong 和 M.Lancaster 避开了用高温超导的方法设计制 作滤波器，他们采用微带贴片的方法设计了两种类型的滤波器。利用了三角形贴片谐振器中的 两个简并模，模一和模二设计了两种滤波器。 目前国内研究机构有：南京邮电学院无线通信与电磁兼容实验室、电子科技大学电子工程 学院、浙江正原电气股份有限公司、西安空间无线电技术研究所、华东工学院 405 教研室等。 1.2 研究目标和内容 本文采取在等腰三角形贴片上开挖出一个 T 型槽，采用抽头直接输入输出，并不存在缝隙 耦合的插入损耗；并对滤波器进行了分析和优化，这样使得滤波器在通带两侧都存在了衰减极 点，提高了滤波器的性能和小型化。 2.滤波器设计原理 2.1 滤波器的发展状况 在微波技术突飞猛进的发展过程中，微波滤波器是一个极其活跃的分支，以致要想全面而 详尽的讨论其进展，需要相当的篇幅，这里只对近年来的主要进展和发展趋势做一简单的概括。 1. 从个别应用到一般应用 如果考虑到一个微波空腔谐振器就是一个微波滤波器的基本单位的话，可以说它也是微波 技术中研究最早的基本课题之一。但事实上或者是由于初期微波设备所承担的任务还较低级， 或者是由于微波滤波器的分析、设计和制造均很繁琐，因此，当初人们宁可直接应用单腔谐振 器，而较少的把它们组合成具有更为优良性能的微波滤波器。但是随着微波理论和技术的发展， 微波波段中电子设备的增多、频谱的拥挤，加之电子对抗技术的普遍应用，促使微波滤波器在 应用的广度和深度上都进展极大。 2设计方法从繁到简、从粗糙到精确 由于条件限制的原因，过去人们用场与波的方法对一些简单的微波滤波器结构进行分析和 设计，已感相当困难，而现在却可以成套的应用现代网络综合理论成果，顺利的进行各种微波 滤波器的综合了，并有电子计算机所解出的大量的曲线和数据可用，简化了人工计算，提高了 设计精度。 3. 形式多样化、标准化和元件化 随着广泛的应用和制造工艺的不断进展，微波滤波器已经从少数的几种产品发展到数以千 计的类型。常用的一些滤波器结构已标准化和元件化。 4. 采用各种新材料、新工艺 各种微波材料的不断进步及其在微波滤波器中的应用，对滤波器性能的提高起到了不可忽 视的作用。例如铁电体、陶瓷材料、超导体、微波铁氧体、等离子体以及新工艺低温共烧陶瓷。 5. 与其他无源或有源微波器件结合日益紧密 上海海事大学本科生毕业设计（论文） 5 现在，微波滤波器已成为主要的微波无源器件之一，它不仅能够实现本身的功能，还能起 到其他微波器件的功能，也可以说可以把其他微波器件以微波滤波器的结构来分析设计。另外， 由于半导体器件工艺向更高频率的飞速发展，各种半导体器件中微波滤波器也被广泛的应用， 如开关、调制器、放大器、倍频器、变频器等。在微波集成电路中，它们可以结合成一个整体。 6. 体积越来越小、集成度越来越高 随着无线通信技术的不断发展，对适合无线移动通信中器件的要求也越来越高，这就使得 滤波器在保证其优越的性能之外，还需重量轻、体积小、易于装配。 7. 向高波段进军 近几年人们对毫米波以及亚毫米波的兴趣日益加深，对于分析和制造这一波段的微波滤波 器，要在原有厘米波研究技术的基础上，引用光学上的成果。可以预料，随着新型功率源和传 输线的研究不断进步，这些新波段微波滤波器的研究工作将更加活跃。 到目前为止，关于微波滤波器的研究热点主要有以下几个方面：1，在卫星通信行业中，对 质量小，窄频带，低损耗以及具有严格的选频特性及相位线性度的滤波器等的各种需求，这些 需求导致了介质腔体滤波器、多模波导以及多路复用器的发展。2，蜂窝移动通信基站中，对大 量功率容量高、损耗低、尺寸小并易于加工的滤波器的各种需求，这些需求推动了同轴腔体、 介质腔体、超导滤波器以及包括计算机辅助设计在内的降低开发成本方法的发展。3，在军事领 域中，各种电子探测设备需要宽带可调的滤波单元，这推动了对高选择性宽带波导滤波器、悬 浮底多路复用器和同轴谐振腔滤波器，以及电控调谐滤波器的发展。4，在蜂窝移动通信系统中， 手持终端需要数以亿计性能良好的超小型滤波器，大量的需求导致了微波集成电路中陶瓷、表 面声波和有源滤波器的快速发展 8-11。 微波平面滤波器，尤其是微带滤波器，由于其尺寸小，易加工，便于集成等优点在无线通 信系统中有着较为广泛的应用。但由于微带线结构简单，可设计参数有限，故对于要求较精确 的滤波器的设计难度较大，而且多级滤波器的尺寸仍比较大。然而在微带滤波器的接地板上开 槽，可在尺寸基本不变的情况下增加滤波器的阶数，从而改善滤波器的性能。这种结构易于加 工，而且不需要增加面积，因此，这种结构与现有的微带滤波器理论相结合会有广泛的发展前 景。 2.2 滤波器结构及原理分析 2.2.1 T 型槽开槽 微波谐振器一般是由任意形状的电壁或磁壁所限定的体积，其内产生微波电磁振荡，是一 种具有储能和选频特性的微波谐振元件。微波谐振器在微波电路和系统中有非常广泛的应用， 可以用作微波滤波器、振荡器 17、天线和调谐放大器等。根据其结构，微波谐振器可以分为两 类，一类是传输线性，如波导腔谐振器、微带谐振器和介质谐振器等；另一类是非传输线型， 如环形谐振器和混合同轴线型谐振器等。 如同图3.1所示为本文所设计的三角形贴片滤波器，在等腰三角形贴片谐振器上挖出一个T 型槽。T型槽的由来，是由于一个三角形贴片谐振器在它的基波谐振频率上存在一对简并模模 式1和模式2。具有相同谐振频率，不同电磁场分布的模式被称为简并模。它会使得原来正交的 电场分布发生改变，从而让一对正交简并模发生耦合作用。这样的话，两个发生了耦合的简并 模就可以相当于两个耦合谐振器，可以节省一半数目的谐振器在保持谐振回路不变的情况下。 更为重要的是，交叉耦合过的一对简并模可以产生衰减极点，提高了滤波器的性能，降低了滤 波器的中心频率，使高次谐波频率发生偏移。 并且，在三角形贴片谐振器上的一点任意几何形状的小改变都可以改变影响这一对简并模，对 谐振频率的扰动十分大。如图2.1和图2.2所示，由于在谐振器上简并模模式1的电流分布是横向 流动，会改变竖直方向上的电流分布，从而会降低模式2的谐振频率。所以，水平的开槽可以单 独地影响并激励模式1。同样的，由于简并模模式2的电流分布是纵向流动的，会改变水平方向 上的电流分布，从而会降低模式1的谐振频率。所以，竖直的开槽可以影响激励模式2。将水平 槽和竖直槽结合在一起就形成了T型槽，可以将双模工作模式完成，同时激起模式 1和2，将滤 波器的性能大大的提高了。 上海海事大学本科生毕业设计（论文） 7 为了学习和研究这种模式在带有水平开槽和竖直开槽的等边三角形贴片中的分裂特征，作 者使用了一个单模的谐振器，耦合了输入输出的微带线来分别进行分析。如图2.3所示，通过改 变水平开槽的尺寸，即水平槽到三角形底边的距离a 、槽的横向长度L 、槽的竖直长度w 来分析 模式的谐振频率变化。通过分析发现，L、w、a对模式 1的谐振频率毫无影响，而l、w 对模式2 的谐振频率存在强烈影响，但a只有微微的影响存在。所以，水平槽可以单独地激励起简并模式 1。类比地控制变量法研究竖直槽，我们通过改变竖直开槽的尺寸，即竖直槽到等边三角形底边 的长度a、竖直槽的竖直高度L、竖直槽的横向高度w 。a 、L、w 的影响恰恰与水平开槽的影响 完全相反，即对模式1的谐振频率存在影响，对模式2毫无影响，所以，竖直槽可以单独地激励 起简并模式2。由此，我们发现竖直开槽的长度和宽度是模式分裂的最重要的参数，可以影响并 图 2.1 水平开槽三角形贴片模式 1（a）和模式 2（b）的电流分布图 图 2.2 竖直开槽三角形贴片模式 1（a）和模式 2（b）的电流分布图 降低模式1的谐振频率。 图 2.3（a）带有水平槽的三角形贴片在 a=1.5mm、w=0.5mm 时，模式 1 和 2 随长度 L 变化而变化的 频率图 (b)带有 6mm x 0.5mm 的水平槽的三角形贴片对于随着水平槽离底边的长度 a 变化而变化 的简并模式 1 和 2 的频率响应。 (c)当 L=6mm、a=2mm 时，简并模式 1 和 2 的频率随三角形贴片的水平开槽宽度 w 变化而变化 的频率响应图 上海海事大学本科生毕业设计（论文） 9 图 2.4（a）带有水平开槽的三角形贴 片 （b）水平槽频率响应图 m1=8.30GHz m2=9.32GHz 图 2.5（a） 不带开槽的三角形贴片 （b）无槽频率响应图 m1=m2=9.40GHz 从图 2.4 至图 2.6 可以分析看出，当三角形贴片结构不被破坏时，简并模式 1 和 2 都稳定在 9.40GHz 上下，图 2.4（b ）中反映出，水平槽影响到了模式 2 的谐振频率，模式 1 任然稳定在 9.32GHZ，这验证了水平槽可激励起简并模模式 1。同理从图 2.6（b）也可看出竖直槽激励了 简并模式 2。 谐振器中对于不同的场分布有无穷多个谐振模式和谐振频率，其中具有相同谐振频率的模 式称为简并模。若在单个谐振器中通过加入一些微扰（比如开槽、切角或加入小的贴片、内切 角等），会改变原正交简并模的电场分布，使得一对正交简并模之间发生耦合，两个耦合简并 模的作用相当于两个耦合谐振器，从而在保持谐振回路不变的情况下，使谐振器的个数减少一 半。 我们通过观察图 2.1 和 2.2 模式 1 和模式 2 的两个模式的电流分布，发现模式 1 的电流主要 沿垂直方向流动，分布在贴片的顶部，而模式 2 的电流主要沿水平方向流动，分布在贴片的底 部。 因为电流的流经长度和谐振器的谐振频率直接相关，假如在同一个谐振器里，电流流经长 度越长，表示工作波长越长，也就是说明谐振器的谐振频率越低，即如果谐振器谐振频率相同， 谐振器的尺寸就可以越小。因此，我们想到在贴片上垂直于模式电流的流动方向上设计细槽， 如图 2.7（a）所示，如果一个垂直方向的细槽加载贴片中心，因为槽很细，对电流的垂直流动 即模式 1 几乎没什么影响，但是阻碍了电流的水平流动方向即模式 2，使模式 2 的电流流经长 度变长，即模式 2 的谐振频率就降低了。同样的道理，我们在贴片上垂直于水平方向的电流设 计细槽，同样对模式 2 几乎没什么影响，但是阻碍了电流的垂直流动即模式 1，使模式 1 的电 流流经长度变长，即模式 1 的谐振频率就降低了。因此，我们设想在贴片上水平和垂直的方向 图 2.6(a)带竖直槽的三角形贴片 （b）竖直槽频率响应图 m1=8.70GHz m2=9.33GHz 上海海事大学本科生毕业设计（论文） 11 上同时设计细槽，如图 2.7（b）所示，垂直槽和水平槽分别控制模式 2 和模式 1 的电流分布， 使两个模式的电流流经长度都变长了，也就能将总的贴片滤波器的谐振频率有效的降下来了。 图 2.7（a）带有一个垂直槽的等腰三角形贴片谐 振器（b）新型的 T 形槽双模三角形谐振器 除此之外，电流的流经长度和滤波器的谐振频率直接密切相关，在滤波器当中，电流的流 经长度与工作波长成正比，电流流经长度越长的话，工作波长也就越长，这就是说滤波器的谐 振频率就会越低。如果使用相同谐振频率来设计滤波器的时候，带 T 型槽作为微扰源的滤波器 的尺寸可以更小，也利于滤波器的小型化。 在三角形贴片上通过结合水平开槽和竖直开槽来形成一个倒置的“T”型开槽，非常有可能可 以自由地控制模式1和2的频率下降。这样的话，制作一个小型化的微带带通滤波器的频率就会 比单模三角形贴片谐振器小很多，可以更加小型化。 2.2.2 直接采用抽头作为输入输出（一对平行插入微带线馈线） 比较传统的三角形贴片微带带通滤波器往往为了达到拥有两个衰减极点的目的，常常会使 用多个三角形贴片滤波器相互缝隙耦合，抑或使用微带线缝隙耦合来达到良好的性能（在通带 两侧都获得衰减极点）。但是的话，这样为了衰减极点而使用的方法会使得插入损耗提高，影 响了滤波器的性能。本文中使用的直接插入50微带线不仅可以在通带两侧拥有衰减极点， 也可以降低插入损耗，优化滤波器。除此之外，使用缝隙耦合的方式作为输入输出在制造 和生产上面具有很大的不确定性，会影响到滤波器的谐振频率，从而影响滤波器的性能。 而使用微带线馈线插入的滤波器结构显得更为紧凑，也更加容易制作且稳定性高。插入馈线的 深度影响滤波器的输入阻抗，馈线两边的槽可以近似认为是小的电容，从而可以降低滤波器的 中心频率。 2.3 滤波器的常用参数 本节将对滤波器的常用参数作一下简要的介绍： （1）插入损耗：在理想条件下，插入到电路中的理想滤波器，不应该在其通带内引入任何 功率损耗。然而，实际上我们不能完全消除滤波器固有的、某种程度的功率损耗。有了插入损 耗的概念，我们可以定量地描述功率响应幅度与 0dB 基准的插值，其数学表达式为： （2-28） 2IL10logl(1-)inLPin 其中， 是从信号源向滤波器看去的反射系数， 是滤波器从信号源得到的功率，inP 是滤波器向负载输出的功率。LP （2）带宽 B。上下两截止频率之间的频率范围称为滤波器带宽，或-3dB 带宽，单位为 Hz。带宽决定着滤波器分离信号中相邻频率成分的能力频率分辨力。 （3）中心频率（Fo): 通常定义为带通滤波器（或带阻滤波器）的两个 3 dB 点之间的中点， 一般用两个 3 dB 点的算术平均来表示 。声音高低主要与频率有关，由于可听声的声频太宽 (从 20Hz 到 20000Hz)，为便于进行频率分析，将其分为若干段，称为频程。每频程的上限与下限 频率的几何平均值称为该频程的中心频率。 （4）阻带抑制：理想情况下，我们都希望在阻带频带内滤波器具有无穷大衰减。但事实上 我们只能根据滤波器元件数目来得到与之相关的有限衰减。实际应用中，通常把阻带抑制的设 计值定义为 60dB。 （5）截止频率 fc：幅频特性值等于 0.707A0 所对应的频率称为滤波器的截止频率。以 A0 为参考值，0.707A 0 对应于-3dB 点，即相对于 A0 衰减 3dB。若以信号的幅值平方表示信号功率， 则所对应的点正好是半功率点。 （6）回波损耗，又称为反射损耗。是电缆链路由于阻抗不匹配所产生的反射，是一对线自 身的反射。不匹配主要发生在连接器的地方，但也可能发生于电缆中特性阻抗发生变化的地方， 所以施工的质量是提高回波损耗的关键。回波损耗将引入信号的波动，返回的信号将被双工的 千兆网误认为是收到的信号而产生混乱。 上海海事大学本科生毕业设计（论文） 13 2.4 三角形贴片形状的分析（等边/等腰三角形） 为了适应滤波器小型化的要求，J.S.Hong 等提出了两种单个三角形贴片双模滤波器如图 3- 12 所示。考虑到等边三角形中 ,为了分裂等边三角形的两重简并模，可以通过切去小3/2b 顶角（3-12 （a ）使得 ，从而引入微扰造成简并模式发生分裂。也可以将等边三角形/ 略微变形成等腰三角形（3-12（b）使得 ，从而引起简并模式的分裂。由于这两类滤/ 波器是通过平行微带线耦合馈电的，制作过程中的不确定性对滤波器的性能指标影响较大，两 类滤波器的 S 参数（尤其是通带内回波损耗 S11）不够理想。 （a） (b) 图 2.8 两种单个贴片三角形双模滤波器(a) 结构 1 和(b) 结构 2 3.HFSS 软件功能介绍 3.1 HFSS 软件功能概述 作为电磁仿真领域的领军产品，HFSS 正式发布于 1989 年，至今已具有二十年的成功商用 史，在全球拥有最大的用户群，其对微波设计领域的贡献超越了以往任何计算机辅助设计 （CAD ）和电子自动化软件。 HFSS 针对任意三维结构能够快速、精确、可靠地计算高频/高速部件的电气性能，包括磁 场分布、S 参数、辐射特性、功率容量、SAR 、TDR/TDT 等。在二十多年的商用过程中， HFSS 的有限元法（FEM）全波电磁场求解器不断的成熟和升级，在精度、容量和速度方面均 遥遥领先于业界。上世纪 90 年代后期，计算电磁学领域的区域分解算法的出现为超大规模问题 的求解拓宽了道路。经过十年的技术衍进，HFSS 于 2009 年推出的 12.0 版本中加入了这一革命 性的成果。区域分解算法配合现代计算机强大的并行求解能力，可以有效地攻克大型天线阵、 电大尺寸目标 RCS、复杂结构等电磁场求解的大规模计算问题。 HFSS 支持 0 阶、1 阶、2 阶、混合阶基函数插值的有限元法求解，适合于求解从电小尺寸 到电大尺寸和 EMI/EMC 等多尺度问题的求解。HFSS 采用四面体网络剖分和先进的共形网络技 术，对结构有广泛的适应性，容错的网络划分算法能够处理从三维机械 CAD 软件中读入的复 杂结构，独有的自适应网络剖分技术不仅大大降低了软件的使用难度，使 HFSS 成为工程化的 仿真工具，并且确保了求解的可靠性，能够在求解速度和精度之间获得最佳均衡。HFSS 能够 与 Ansoft Designer/Nexxim 进行动态链接和协同设计，建立了基于电磁场的高频/ 高速系统设计 流程，将复杂的系统拓扑结构、强非线性的晶体管级电路和细节的电磁场寄生效应结合在一起， 实现系统和电路的精确设计与仿真，为一次设计成功提供了有力的保障。 HFSS 是基于有限元法的，有限元法的原理如下： 建立待求微波工程问题的支配方程。 对于待求解的物理问题包含本构参数的几何模型和求解区域。 对于几何模型和求解区域进行离散化剖分。 利用加权残数法建立误差泛函。 利用对应离散化剖分单元的分域基函数离散化误差泛函，建立对应矩阵方程。 求解矩阵方程，获得待求函数的离散化近似解。 上海海事大学本科生毕业设计（论文） 15 矩量法主要利用惠更斯（Huygens）等效原理，建立理想金属微波结构表面、介质微波结 构表面或整体的电磁场积分方程。比如，描述理想导电体散射问题的电场积分方程（Electric Field Integral Equation，简称 EFIE）为： （5-1 ）2(),(),its sjJrGdJrGdsE 式中， 是待求的表面电流， 是已知的入射场， 是格林函数，这里需要指出 itE(,)r 两点： 格林函数目前仅仅在自由空间、分层介质和部分规则腔体等特殊情况下有解，而且其推导 和计算均有一定难度。 问题的待求区域仅在理想导体散射体表面。但是，因为积分算子的域也是在理想导电体的 表面，所以在应用加权参数法离散化后形成的矩阵方程中的系数矩阵是满阵。 HFSS 现已广泛应有于航空、航天、船舶、电子、半导体、计算机、通信、医疗仪器等多 个领域，帮助工程师们高校地完成高频/高速等电磁场相关的设计。 3.2 HFSS 软件的计算原理 HFSS 采用四面体网络，并采用棱边元作为矢量基函数，从而有效的避免了伪模式问题， 也是这一核心技术使得有限元法首次应用于商用电磁场仿真软件。HFSS 的基本求解流程如图 5-1 所示。算法的核心主要体现在三维模型离散化（即网格剖分）及自适应求解。 图 3.1 HFSS 的基本求解流程 3.3 HFSS 中的边界条件 边界条件定义了微波问题的求解区域和微波问题模型表面上场的特性，HFSS 软件中包括 以下边界类型： 理想导体边界：在 HFSS 中，可以通过设置理想导体边界来描述微波问题中的理想导体表 面。HFSS 模型所有暴露在背景中的边界都被默认设置成理想导体边界，在这种情况下，HFSS 假定整个结构是由理想导体壁包围的。电场假设为垂直于这些表面，最终的场解必须满足在理 想导体边界电场的切向分量为零。 阻抗边界：在 HFSS 中使用阻抗边界条件来描述一些元器件，如一个电阻器包含由薄膜电 阻器分离的两个介质体，该电阻器能够由两部分之间表面上的阻抗边界来描述。 （5-3）tantan()SEZH 其中，n 是表面法向单位矢， 是电场的表面切向分量， 是磁场的表面切向分量。 是t tan SZ 边界的表面阻抗。 3.4HFSS 中的激励设置 在 HFSS 软件中，激励设置就是在物体或者其表面上定义电磁场、电荷、电流或者电压， 软件中提供以下激励设置帮助： 波端口激励：在默认的情况下，所有的三维物体和背景之间的接触面都是理想导体边界， 没有能量可以进出。波端口往往设置在这样的面上，从而提供了一个连接模型和外界的窗口。 HFSS 假定定义的每个波端口是连接有与端口相同横截面和材料特性的半无限长的波导。当 求解 S 参数时， HFSS 假定结构由这些横截面的简正场模式所激励。每个波端口所产生的二维 场解为 3D 问题提供在这些端口上的边界条件。最终的场解必须与每个端口的二位场模式相匹 配。 HFSS 在每个端口分别激励产生一个解。入射到端口上的每个模式含有 1W 的平均功率，端 口 1 被 1W 的信号激励，其他端口设置为 0W。在该解产生后，端口 2 被 1W 的信号激励，其 他端口设置为 0W，循环往复。在某些情况下，例如端口为正方形或者圆形时，不管是在这个 问题的正方向还是负方向上，电场线的排列都是任意的。然而，如果选择了极化场选项，HFSS 就会按照定义的积分线排列电场。 3.5HFSS 广泛的应用领域 天线、天线阵及馈电结构设计 上海海事大学本科生毕业设计（论文） 17 赋形双反射面天线模型的多物理场仿真 应用于电磁散射和频率选择性表面设计上的应用 在高频/高速器件领域的应用 在 IC 封装领域的应用 在 PCB 领域的应用 在系统 EMI/EMC 设计方面的应用 在医疗一起领域的应用 在 RFID（射频识别）设计方面的应用 在防雷和电磁脉冲方面的应用 在射频连接器设计方面的应用 在特殊器件设计方面的应用 4.滤波器性能分析 4.1 滤波器的性能介绍 微带滤波器由于其易于加工，易于设计，造价低。可以大批量生产等优点得到了广泛应用， 在这一章里我们从五个方面来对微带滤波器的性能设计做简单的介绍。 1低损耗设计。要使得微带滤波器的辐射损耗尽量降低，因此尽量不要采用耦合馈电的方式， 输入输出采用直接连接到谐振器或者内嵌到谐振器内部，可以大大降低通带插损。对于多级谐 振器的滤波器，能量在谐振器与谐振器之间，谐振器与输入输出端来回传输，损失较大，因此 本章采用单个贴片的谐振器以减少这种能量损失。 2. 小型化设计。小型化设计主要有三种方式,一种是环形谐振器上并联电容性阻抗，集总或是分 布电容。并联型的阻抗通常加载环形内角侧，使环形谐振器的基模频率降低，从而实现小型化。 第二种是通过在贴片内部加槽，使谐振回路的电感增加，从而使谐振器的频率降低。第三种是 加缺陷地，其实质也是增大了谐振器上并联的电容性阻抗，使原来的谐振器的基模频率降低。 本文采用的是在贴片内部加槽的方法来使滤波器尺寸减小。 3. 高选择性设计。通过分析双模谐振器的等效电路模型，计算传输零点产生的条件，使滤波器 在通带附近产生零点，提高双模滤波器的通带选择性。 4. 宽阻带设计。微带谐振器是周期性结构，寄生通带的问题限制了微带滤波器的进一步应用， 我们通过加槽可以降低谐振器的基模频率，而二次通带频率不变，这样能相对的让寄生通带远 离工作频带。 5. 宽带化设计。宽带滤波器的研究是现在宽带通信系统的重要课题之一，在微带双模滤波器里 实现宽带化主要有两种方法。（1）多环，在一个圆环谐振器里引入半圆环结构，使原来的圆环 能分成多个圆环谐振器，使通带变宽；（2）采用调谐臂，开路阻抗线或者阶梯阻抗线，调谐臂 相当于串联谐振器，改变了谐振器的谐振频率，并且在一些谐振器点上，能量不能传到输出端 形成阻带，而其它的谐振频率上，能量从输入端传到输出端不受影响。 上海海事大学本科生毕业设计（论文） 19 4.2 各变量对滤波器性能分析 采用ANSOFT 公司的高频电磁仿真软件 HFSS10.0进行仿真研究，所设计的滤波器中心 频率在5GHZ，衬底的介电系数为2.65，衬底厚 度为1.0mm，50馈线宽为2.8mm。 图4.1为滤波器的设计结构图，图上标明了 各个参数变量以及各个在三角形贴片上的开口、 两条50的馈线，并且，依据这些变量来分析 性能最好最适合的滤波器尺寸参数。 图 4.2 为当 s=1.6 mm，h =1.2 mm，l=10.8mm ，m=1.8mm,b=0.7mm,=2.0mm,d =8.4mm（不作说明时只改变个参数的数值， 其它参数保持不变）的情况下，三角形底边有槽和无槽时的频率响应。从图中可以看出，无论 是有槽还是无槽的状态下，滤波器都在通带两侧存在两个衰减极点，但是，有槽状态下的右侧 图 3.2 三角形贴片底边有槽和无槽时滤波器的频率响应图 图 4.2 馈线两边有槽和无槽时的滤波器频率响应图 图 4.1 微带三角形贴片的滤波器参数 衰减极点较为明显和低，使得阻带的抑制能力得到了提升。同时，从图上看出，回波损耗 S21 在有槽时有明显降低，提升了滤波器性能，且中心频率和插入损耗并没有很大的变化。从此可 以得出，馈线两边的开槽对滤波器的性能有很大的影响与提升。 图4.3表示的是滤波器频率响应随50馈线插入深度变化时的频率响应，从图中，在频率 5GHz附近，中心频率随着深度减小略有降低，带宽略有增大。同时，可以发现插入馈线的 深度对通带右侧的衰减极点和回波损耗有很大的影响。但是，插入馈线的深度并不是与右 侧衰减极点和回波损耗成线性比例，故在实际设计滤波器参数时，馈线的插入深度应当适 当。 图4.4反映的是2个馈线之间的距离dL变化时滤波器的频率响应图，从图中可以看出，当 dL 发生变化时，滤波器的中心频率几乎没有发生变化，通带带宽也近乎不变，插入损耗也趋于原 始状态。但是，dL对于右侧衰减极点有一定程度的影响，所以，在实际设计滤波器时，调节 dl 至一个适当的值，可以有效控制右侧衰减极点的状态。 图 4.4 两根馈线之间 dL 变化的频率响应图 上海海事大学本科生毕业设计（论文） 21 图4.5表示了馈线和三角形底边开槽宽度b变化时的频率响应,从图上可以看出，中心频率和 通带并无明显变化，右侧通带的极点随着b的升高而降低，而回波损耗随着b的升高而减小。所 以，b的取值的合适对滤波器的性能起到了很重要的作用。 图 4.6 表现的是长方形槽的长度 l 变化时对滤波器的影响，使得通带中心频率降低，带宽减 小，而由图 4.7 可以看出，宽度的变化又影响了通带右侧的衰减极点。由此可以看出，在实际 设计滤波器的时候，槽的长度和宽度取值应当适宜。 图 4.7 图 4.5 馈线和三角形底边开槽宽度 b 变化时的频率响 图 4.6 长方形槽长度 l 变化时的频率响应图 由图 4.8 可以看出，中心频率与带宽基本没有变化，但回波损耗和右侧衰减极点随着底边 长 A 的增大而降低。因此，底边长度 A 的取值也显得尤为重要。 综上所述，所得最优参数如下表 4.9 所示。 s /mm h/mm l/mm m/mm g/mm e/mm d/mm w/mm A /mm B/mm 1.6 1.2 10.8 1.8 0.7 2 8.4 3.4 21 18.5 图 4.8 三角形贴片底边 A 长度变化时的频率响应图 表 4.9 最优滤波器参数 上海海事大学本科生毕业设计（论文） 23 5.总结与展望 本文主要介绍了 T 型开槽三角形贴片双模微带带通滤波器的设计思想和原理，以及一些性能分析和分 析工具 HFSS 的介绍。本文所设计的新型三角形贴片滤波器，体积小，十分容易制作生产，并且，经过优化 后的滤波器在通带两侧都拥有衰减极点，回波损耗比较低，中心频率也有所下降，阻带的抑制能力也得到了 提高。除此之外，馈电方式并没有采取传统的缝隙耦合，而是两个输入输出都采用了 50 微带线馈电， 能够有效的避免生产过程中的不确定性因素，方便滤波器的设计与制作，优化了滤波器的 性能。 对于滤波器的参数与滤波器的性能之间的关系还只能依靠从实验数据直观的分析与总 结，并不能依靠理论公式与原理分析，与实践结合。双模滤波器的等效电路模型需要更进一 步研究，虽然我们在设计过程中对滤波器的等效电路图做了分析，但是严格的理论公式还没有 得到，现在的文献也没有关于双模滤波器的理论计算方法，以后的工作可以针对这方面来展开 深入的研究。为了满足双模滤波器的高性能设计和应用场合，一些新颖的双模滤波器往往被设 计出来，并且通过不断地改进，滤波器就能得到更进一步的发展。总而言之，滤波器越来越被 研究与重视，越来越向小型化，性能优，辐射小等特点优化，未来必将得到越来越广泛的应用。 参考文献 1 Hong J S，Lancaster M. Microstrip triangular patch resonator filters C / IEEE MTT-S Int Microwave Symposium Digest. Boston： Microwave Symposium Digest，2000:331 334. 2 Hong JS, Li Shuzhou. Dual-mode microstrip triangular patch resonators and filtersC /2003 IEEE MTT-S Digest. Boston： Microwave Symposium Digest, 2003:1902 -1904. 3 Zhu Lei, Pierre M, Wu Ke . New planar dual-mode filter using cross-slotted patch resonator for simultaneous size and loss reduction J. IEEE Transactions on Microwave Theory Techniques, 1999，47(5):650 654. 4 Zhang Youjun . Dual-mode trapezium-loop microstripe bandpass filter J. Microwave and Optical Technology Letters, 2010, 52(4) :840 841. 5 Wang Xuedong, Ji Wusheng,Li Ying. Microstrip bandpass filter using one single patch resonator with two transmission zerosJ. IEE Electronic Letters，2003，39 (17) : 1255-1257. 6 Ariana L C S, Correra F S. Dual-mode bandpass filter using triangular patch resonator with inverted 丁- shaped slotJ. Microwave and Optical Technology Letters, 2007,49(12):2897-2902. 7 J.S. Hong, and S. Li, Theory and experiment of dual-mode microstrip triangular patch resonators and filters, IEEE Trans Microwave Theory Tech 52 (2004), 12371243. 8 邓哲； 吕文俊； 程崇虎； 朱洪波 ；