矩形杆宽带交指型带通滤波器设计与仿真分析毕业设计.doc

目录 矩形杆宽带交指型带通滤波器设计与仿真分析毕业设计目 录摘要IAbstractII第1章 绪论11.1 课题背景11.2 HFSS软件简介11.3 国内外滤波器的发展状况21.4 论文章节安排2第2章 带通滤波器的设计原理32.1 带通滤波器的分类32.2 带通滤波器工作原理32.3交指型带通滤波器设计原理及方案42.4本章小结6第3章 带通滤波器的设计过程73.1 交指型带通滤波器3D模型的设计73.1.1设置工具选项73.1.2在窗口建立新的项目83.1.3设置求解类型93.1.4建立滤波器的模型93.2 设计模型参数213.2.1边界显示213.2.2设计分析设置的参数223.2.3建立一个扫描频率233.2.4模型确认243.3本章小结25第4章 带通滤波器的仿真分析274.1仿真分析274.1.1对模型进行仿真分析274.1.2解析数据274.1.3建立仿真报告284.1.4创建电磁场覆盖图304.2本章小结32结论33参考文献34致谢35III 附录137附录243附录349附录455V 第一章 绪论 第1章 绪论1.1 课题背景微波滤波器是雷达系统，通信系统，测量系统必不可少的组成部分，同时也是最为重要，技术含量较高的微波无源器件，一般被用来分开或整合不同频段的信号。电磁波谱是有限的，且需按应用加以分配。微波滤波器具有选频功能，可以分隔频率，即通过所需的频率信号，而抑制不需要的频率信号。 微波滤波器有许多种类，其中交指型带通滤波器是微波滤波器中一种比较常用的结构形。交指型带通滤波器的适用范围非常广泛，其相对带宽可以从窄带的1%一直变化到带宽的7%以上甚至更宽，其频带的变化范围可以从UHF到C波段。 交指型滤波器是指由平行耦合线谐振器阵交叉组成的结构，结构多用做慢波系统，但近来研究表明，它具有优良的带通特性，具有如下优点： （1）结构紧凑、可靠性高； （2）由于每个谐振器间的间隔较大，故公差要求较低，容易制造； （3）由于谐振杆长近似等于1/4,所以第二通带中心在3以上，其间不会有寄生响应； （4）既可以作成印刷电路形式，又可以作成腔体结构，用较粗的杆作成自行支撑，而不用介质。 因此，交指型滤波器在电子系统，尤其是在通信技术及近代航空航天领域中被广泛使用。同时近年来随着计算机技术突飞猛进的发展，出现了一些实用的三维高频电磁场仿真软件，如美国Ansoft的HFSS。这些实用的仿真软件对于设计出的参数可以进行进一步的仿真、优化，以达到在实际加工中的准确性和一致性。 1.2 HFSS软件简介 HFSS（High Frequency Structure Simulator）是由美国Ansoft公司开发的三维电磁场仿真系统。采用切向分量的有限元方法，自适应网格剖分，可以求解任意三维射频、微波器件电磁场分布，计算辐射材料损耗。可直接得到微波传输系统特征阻抗、传播系数和S参数等，也可直接得到天线辐射方向图和特定吸收率等结果。广泛地应用于电磁场分析和微波、天线系统设计，是一种在电磁工程设计中常用的软件。本设计的主要内容是藉助于HFSS，设计、分析矩形杆宽带交指型带通滤波器，主要分析带宽和结构之间的关系。1.3 国内外滤波器的发展状况 凡是有能力进行信号处理的装置都可以称为滤波器。在近代电信设备和各类控制系统中，滤波器应用极为广泛；在所有的电子部件中，使用最多，技术最为复杂的要算滤波器了。滤波器的优劣直接决定产品的优劣，所以，对滤波器的研究和生产历来为各国所重视。 1917年美国和德国科学家分别发明了LC滤波器，次年导致了美国第一个多路复用系统的出现。20世纪50年代无源滤波器日趋成熟。自60年代起由于计算机技术、集成工艺和材料工业的发展，滤波器发展上了一个新台阶，并且朝着低功耗、高精度、小体积、多功能、稳定可靠和廉价方向努力，其中小体积、多功能、高精度、稳定可靠成为70年代以后的主攻方向。导致RC有源滤波器、数字滤波器、开关电容滤波器和电荷转移器等各种滤波器的飞速发展，到70年代后期，上述几种滤波器的单片集成已被研制出来并得到应用。80年代，致力于各类新型滤波器的研究，努力提高性能并逐渐扩大应用范围。90年代至现在主要致力于把各类滤波器应用于各类产品的开发和研制。当然，对于滤波器本身的研究仍不断进行。 我国广泛使用滤波器是50年代后期的事2，当时主要用于话路滤波和报路滤波。经过半个世纪的发展，我国滤波器在研制、生产和应用等方面已纳入国际发展步伐，但由于缺少专门验资机构，集成工艺和材料工业跟不上来，使得我国许多性型滤波器的研制应用与国际发展有一定距离。1.4 论文章节安排 第1章为绪论部分，主要介绍课题具体背景及课题意义，HFSS软件简介和国内外滤波器的发展状况。 第2章先总体介绍了带通滤波器的分类和带通滤波器的工作原理，然后介绍交指型带通滤波器的设计原理及方案。第3章为设计交指型带通滤波器的过程，利用HFSS软件设计矩形杆交指型带通滤波器的3D模型，然后设置模型参数，完成模型的设计。第4章主要介绍了仿真的结果及其分析，对模型进行仿真分析，解析数据，建立仿真报告，创建电磁场覆盖图。 35 第2章 带通滤波器的设计原理 第2章 带通滤波器的设计原理2.1 带通滤波器的分类 带通滤波器分为窄带和宽带两种类型，如果上截止频率与下截止频率的比超过一个倍频程，这个滤波器就认为是宽带型的。这时滤波器的设计指标可以被分为独立的低通和高通指标，并简单地看作低通滤波器和高通滤波器的级联。窄带滤波器的设计更困难些，必须恰当的选择电路结构，而且要运用合适的变换，以避免元件不符合实际。此外，当滤波器的窄带变窄时，元件的Q值要求增大，对元件的误差和稳定的要求也随之增加。2.2 带通滤波器工作原理 一个理想的滤波器应该有一个完全平坦的通带，例如在通带内没有增益或者衰减，并且在通带之外所有频率都完全衰减掉，另外，通带外的转换在极小的频率范围内完成。实际上，并不存在理想的带通滤波器。滤波器并不能够将期望频率范围外的所有频率完全衰减掉，尤其是在所要的通带外还有一个被衰减但是没有被隔离的范围，这通常称为滤波器的滚降现象，并且使用每十倍频的衰减幅度dB来表示，通常，滤波器的设计尽量保证滚降范围越窄越好，这样滤波器的性能就与设计更加接近，然而，随着滚降范围越来越小，通带就变得不再平坦一开始出现“波纹”。这种现象在通带边缘尤其明显，这种效应称为吉布斯效应。BPF的频率响应特性示意图如图1所示。根据特性，可定性给出一个二阶带通滤波器的传递函数如下： 上式中均与R、C相关联图2-1 幅频特性当输人信号在时的模最大，称为特征频率，并将时的值即称为通带电压放大倍数；带通滤波电路输出电压与输入电压之比的模随频率变化下降到通带电压放大倍数的7O时所对应的频率用表示，称为通带截止频率；通带宽度是两个通带截止频率之差；Q值是特征频率与通带宽度之比。从图中可看出以下几点：在通带内幅频特性基本是水平的通带外的电压放大倍数为零或近似为零：通带与阻带之间的频段称为过渡带，过渡带越窄说明滤波电路的选择性越好。由于输人信号时，传递函数的虚部为零的模最大即输出信号的幅值最大。故当输人信号的频率与相同时，通过滤波器输出信号的相位不变即输人输出信号之间的相移为零或为反相。这是带通滤波器最重要的特征。2.3交指型带通滤波器设计原理及方案所谓“交指型”是指由两组平行耦合线谐振器阵相互交叉组成的结构。有3 种结构形式,即终端短路式、终端开路式和电容加载式。其中,终端开路式交指型滤波器的结构如图2所示。图2-2 交指型滤波器示意图其结构是在两个平行接地板间放入两个交叉的矩形杆平行耦合线阵,每个矩形杆一端短路,一端开路,长约0/4,载TEM模。杆1 到杆n(包括两终端杆在内)都是用作谐振器,因此对于n个电抗元件低通原型,只要n 个杆就能实现。对于这种结构,采用近似设计方法对于宽带滤波器最为实用, 若用来设计窄带滤波器,则会发现,两终端杆将有极高的阻抗值,因而难以实现。在交指型滤波器中,由于杆端分布电容的影响,谐振器实际长度比0/4 略短。在这种形式滤波器中,谐振器之间的耦合是用谐振线之间的边缘场来得到的。谐振器之间的耦合主要是磁耦合效应。利用滤波器的设计公式求出滤波器所需的归一线电容后,再利用滤波器设计图表,在指定b (谐振腔的宽度)和t (谐振器的宽度)后,就可以算出每个谐振线与地的归一单位长自电容和相邻谐振线间的归一单位长互电容。由于在推导这种耦合圆杆的设计公式时,忽略了相邻以外的边缘电容的影响,因而可用两个沿结构传输的TEM 正交模来描述, 即奇模和偶模。这两个TEM 模具有不同的特性阻抗,它们与矩形杆对地的静电容有关,而静电容又与矩形杆的单位长自电容Cg和两杆间单位长互电容Cm有关。所以,要用矩形杆结构来实现滤波器的设计,第一步是要计算出归一互电容Cm /= Ck, k+1/,然后把滤波器结构分成许多小节, 每个小节由归一自电容及其左右两边的归一互电容所组成。本设计方案是设计一个=1.5GHz,BW=0.7GHz，=0.1分贝的交指型带通滤波器。用准确设计理论可以求出交指型腔体滤波器的分布电容数据表，这期间会有大量繁琐的计算，现已有根据此设计理论计算出来的分布电容数据表，这样用少量的计算便可完成滤波器的设计。运用切比雪夫逼近方式计算阶数： 式中（=通带分贝波纹=0.1dB）。 =所需阻带衰减频率，对于本滤波器给出的指标，取N=6，YA=YB=0.02，选用空气介质，则，由于采用终端开路式所以导体的杆数N=N+2=8。可根据相关的公式计算出滤波器的结构尺寸。腔体的内部结构对于决定滤波器的带宽，中心频率以及通带特性起着非常关键的作用。要得到滤波器的内部尺寸，首先确定腔体的高度h，本滤波器取，对矩形杆进行尺寸设计，矩形杆的长宽高分别为,矩形杆谐振器之间的距离分别为，。SMA接头的内导体在腔体内部的长度。2.4本章小结 主要介绍了带通滤波器的分类及工作原理，还有交指型带通滤波器的设计原理及方案，本设计方案是设计一个=1.5GHz,BW=0.7GHz，=0.1分贝的交指型带通滤波器。根据设计原理得出滤波器的结构尺寸。第3章 带通滤波器的设计过程 第3章 带通滤波器的设计过程3.1 交指型带通滤波器3D模型的设计3.1.1设置工具选项进入Ansoft HFSS，选择菜单Tools（工具）选择Options（选项）选择HFSS Options(HFSS 选项)对HFSS Options(HFSS 选项)窗口进行设置(1)点击General（常规）(2)确认该项“ Use Wizards for data entry when creating new boundaries ”（为数据条目使用向导创建新的边界）前打勾(3)确认该项“ Duplicate boundaries with geometry ”（几何形状复制边界）前打勾(4)点击 “OK”（确定）按钮图3-3常规设置窗口选择菜单Tools（工具） 选择Options （选项） 选择3D Modeler Options（3D模型选项）对3D Modeler Options（3D模型选项）窗口进行设置(1)点击Operation（操作）(2)确认该项“ Automatically cover closed polylines ”（自动覆盖封闭折线）前打勾(3)点击Drawing（绘画）窗口(4)确认该项“ Edit property of new primitives ”（编辑新基本体的属性）前打勾(5)点击“OK”（确定）按钮图3-4 3D模型设置窗口3.1.2在窗口建立新的项目在 Ansoft HFSS 窗口中，在工具条中点击新建按钮，或者在菜单条中选择File（文件）选择New（新建）从Project（工程） 中，选择Insert HFSS Design（插入HFSS设计），或在工具栏中点击3.1.3设置求解类型 选择菜单HFSSSolution Type（求解的类型） 在Solution Type（求解的类型）窗口中选择Driven Terminal（终端驱动求解） 点击“OK”（确定）按钮图3-5 求解类型设置窗口 3.1.4建立滤波器的模型设置滤波器模型的单位(1)选择3D Modeler（3D模型）选择units(单位)(2)设置滤波器模型的单位，选择：in（英寸inch）(3) 点击 “OK”（确定）按钮图3-6单位设置窗口设置滤波器模型的材料使用工具条上的3D 模型材料，选择vacuum（真空）图3-7材料设置快捷栏设计建立空气腔体(1)选择菜单Draw（绘画）Box（长方体）或者在工具栏中选择新建box按钮(2)设置air模型坐标 鼠标拖动后会弹出command（指令）窗口，在输入坐标的地方，输入盒子的一个顶点位置X:1.0，Y1.7，Z：0.3125并输入长方体的长X方向2.0宽Y方向3.4高Z方向0.625。图3-8指令设置窗口(3)设置air模型的名称选择Attribute（属性）表，在name（名字）一栏中将名字改为“air” 确认无误后点击确定按钮图3-9属性设置窗口(4)查看air模型选择菜单View（观察）选择Fit All（适合所有结果）选择Active View（当前视窗）或者同时按CTRL+D 组合键来查看模型。 图3-10 air的模型设计建立同轴外导体模型(1)从画平面的工具条中，改变活动平面由XY到YZ图 3-11活动平面快捷栏(2)选择菜单Draw（绘画）选择Cylinder（圆柱体）或者点击工具条中的快捷键(3)设置feed1模型坐标首先在弹出command（指令）窗口输入中心位置的坐标X：1.0，Y：-0.9，Z：0.0并依次输入半径0.14与高度0.75。图3-12 指令设置窗口(4)设置feed1模型名称如图3-13 所示，选择Attribute（属性）表，在name（名字）一栏中将名字改为“feed1” 确认无误后点击确定按钮。图3-13 属性设置窗口(5)查看feed1模型图3-14 feed1模型改变模型的材料(1)在3D模型材料工具条中选择Select（选择）(2)在选择窗口中，利用Search by Name（按名称查找）中选择Pec（光电管，氯化聚乙烯）(3) 点击“OK”（确定）按钮图3-15材料选择窗口设计建立同轴导体内的模型(1)选择菜单Draw（绘画）选择Cylinder（圆柱体）或者点击工具条中的快捷键(2)设置feedin1模型坐标如图3-12所示，在弹出的command（指令）窗口中输入中心位置坐标，X：1.0，Y：-0.9，Z:0.0然后输入圆柱半径0.06以及圆柱的高度0.75(3)设置feedin1模型名称如图3-13 所示，选择Attribute（属性）表，在name（名字）一栏中将名字改为“feedin1” 确认无误后点击确定按钮。(4)查看feedin1模型图3-16 feedin1模型设计建立同轴馈电探针模型(1)选择菜单Draw（绘画）选择Cylinder（圆柱体）或者点击工具条中的快捷键(2)设置feedprobe1模型坐标如图3-12所示，在弹出的command（指令）窗口中输入中心位置坐标，X：1.0，Y：-0.9，Z:0.0然后输入圆柱半径0.06以及圆柱的高度-0.15(3)设置feedprobe1模型名称如图3-13所示，选择Attribute（属性）表，在name（名字）一栏中将名字改为“feedprobe1” 确认无误后点击确定按钮(4)查看feedprobe1模型 图3-17 feedprobe1模型 设计建立谐振器(1)创建l1选择菜单Draw（绘画）选择Box（长方体）或者在工具栏中选择新建box按钮设置l1模型的坐标如图3-12所示，拖动鼠标弹出command（指令）窗口后，在输入坐标的地方，输入盒子的一个顶点位置X:0.85，Y0.9625，Z：0.03并输入长方体的长X方向-1.7宽Y方向0.125高Z方向0.06设置l1模型名称如图3-13所示，选择Attribute（属性）表，在name（名字）一栏中将名字改为“l1” 确认无误后点击确定按钮查看l1模型图3-18 l1模型(2)创建l2选择菜单Draw（绘画）选择Box（长方体）或者在工具栏中选择新建box按钮设置l2模型坐标如图3-12所示，拖动鼠标弹出command（指令）窗口后，在输入坐标的地方，输入盒子的一个顶点位置X:-0.1，Y0.75，Z：0.03并输入长方体的长X方向1.818宽Y方向0.125高Z方向0.06设置l2模型名称如图3-13所示，选择Attribute（属性）表，在name（名字）一栏中将名字改为“l2” 确认无误后点击确定按钮查看l2模型图3-19 l2模型(3)创建l3选择菜单Draw（绘画）选择Box（长方体）或者在工具栏中选择新建box按钮设置l3模型坐标如图3-12所示，拖动鼠标弹出command（指令）窗口后，在输入坐标的地方，输入盒子的一个顶点位置X:1，Y0.48，Z：0.03并输入长方体的长X方向-1.818宽Y方向0.125高Z方向0.06设置l3模型名称如图3-13所示，选择Attribute（属性）表，在name（名字）一栏中将名字改为“l3” 确认无误后点击确定按钮查看l3模型图3-20 l3模型(4)创建l4选择菜单Draw（绘画）选择Box（长方体）或者在工具栏中选择新建box按钮设置l4模型坐标如图3-12所示，拖动鼠标弹出command（指令）窗口后，在输入坐标的地方，输入盒子的一个顶点位置X:-1.0，Y0.2，Z：0.03并输入长方体的长X方向1.818宽Y方向0.125高Z方向0.06设置l4模型名称如图3-13所示，选择Attribute（属性）表，在name（名字）一栏中将名字改为“l4” 确认无误后点击确定按钮查看l4模型 图3-21 l4模型 建立波导端口(1)选择端口面选择项目菜单Edit（编辑）选择Select（选择）选择Faces（表面）选择同轴外导体的外侧为同轴端面 图3-22 选择的同轴端面(2)设置模型的端口激励选择项目菜单HFSS选择Excitations（激励）选择Assign(赋值) 选择Wave Port(波端口激励)在波导端口窗口中选择Wave Port：General（一般）名称Name设置为p1 图3-23设置波导端口名称窗口点击Next（下一步）按钮在Wave Port（波端口）窗口中设置Number of modes（终端个数）设置为1再次点击Next（下一步）按钮图3-24波端口设置窗口在Post Processing（后置处理）窗口中设置波导端口阻抗为50点击Finish（完成）按钮图3-25波导端口阻抗设置窗口(3)查看激励P1 图3-26 激励P0通过复制来进行剩下模型的建立(1)选择要复制的模型 选择项目菜单Edit（编辑）选择Select（选择）选择Objects（对象）选择项目菜单Edit（编辑）选择Select（选择）选择By Name（通过名字）在选择物体对话框中选择需要复制的模型：feed1，feedin1，feedprobe1，l1，l2，l3，l4点击“OK”（确定）按钮 图3-27 选择模型(2)进行复制操作建立剩下的模型选择项目菜单Edit（编辑）选择Duplicate（复制）选择Around Axis（围绕坐标轴）或选择快捷键在窗口中设置1）Axis(坐标轴):Z 2）Angle（角度）：1803）Total Number（所有数目）：2 4）点击“OK”（确定）按钮 图3-28 按坐标轴旋转窗口(3)查看最终滤波器模型 图3-29 最终滤波器模型1保存滤波器模型(1) 在 Ansoft HFSS 窗口中，选择菜单File（文件）选择Save As（另存为）(2)在另存为窗口中写出保存的名字(3)点击“save”（保存）按钮3.2 设计模型参数 3.2.1边界显示选择菜单 HFSS选择Boundary Display(Solver View)（解决边界显示，解算器视图）从边界条件解析视图中，锁定 box 中边界的显示。 （1）注意：背景被显示为 out（外面的）边界。 （2）注意：理想导体被显示为 smetal（）边界 （3）注意：选择菜单， View（观察）选择Visibility（可见度）来隐藏所有的几何物体，这样就能容易看见边界。 设置完，就点击 Close（关闭） 按钮 图3-30 边界设置窗口3.2.2设计分析设置的参数 选择项目菜单HFSS选择Analysis Setup（分析设置）选择Add Solution Setup（添加解决方案设计）解析窗口的设置(1)点击General(一般设置)表进行设置(2)Solution Frequency(解决方案的频率)：1.5GHz(3) Maximum Number of Passes(最大数量的经过)：15(4)Maximum Delta S per Pass(每次通过的最大熵)：0.02 （5）点击“OK”（确定）按钮图3-31 输入频率设置窗口3.2.3建立一个扫描频率选择菜单HFSS选择Analysis Setup（分析设置）选择Add Sweep(添加扫频)(1)选择解析设置： Setup1(2)点击“OK”（确定）按钮图3-32 选择解析窗口编辑扫描窗口(1)选择扫描方式：fast（快速）(2)频率设置类型：Linear Count（线性计数） start（开始频率）：0.6GHz stop（截至频率）：2.4GHz Count（计数）：451(3) 点击“OK”（确定）按钮图3-33 扫描频率设置窗口3.2.4模型确认选择菜单HFSS选择Validation Check（有效性检查）或使用快捷键点击Close（关闭）按钮注意：使用Message Manager（消息管理器），查看任何错误和警告信息 图3-34 消息管理器窗口3.3本章小结第三章详细的介绍了怎样用HFFS仿真设计实现一个 L 波段的八级滤波器的过程。并设定该滤波器的中心频率是为1.50 千兆赫兹, 相对带宽 W=0.70,LAr= 0.10 分贝。设置扫描频率为0.6 GHz-2.4 GHz。对于各个窗口以及参数的设定进行了详细的描述。第4章 带通滤波器的仿真分析 第4章 带通滤波器的仿真分析4.1仿真分析 4.1.1对模型进行仿真分析选择菜单HFSSAnalyze（分析）或者使用快捷键4.1.2解析数据查看解析数据结果，选择菜单HFSS选择Results（结果）选择Solution Data（计算数据结果）(1)点击Convergence（收敛）表查看是否收敛HFSS会将基于当前网络计算出的S参数（或是能量、频率）结果与上一次的计算结果相比较。如果误差S（或者E、F）小于设置的收敛标准（默认0.02），表示已经收敛。 可以在标签convergence下看到每步收敛的情况，HFSS计算S矩阵以每两步间的Delta S判断是否收敛，在这里可以看到迭代次数，每步迭代后的Delta S，如果目前的（current）Delta S小于目标（target）Delta S就是收敛 图4-35 收敛的数据表示由图4-35可以读出Target（目标）为0.02，而Current（目前）达到的标准是0.01436，小于目标收敛值，证明模型达到了收敛的标准。(2)点击Plot（绘图）查看收敛曲线图4-36 收敛的网格图表示 由图4-36可以看出代表收敛的曲线（图中的红线表示）最终降到了标准值（图中紫线表示）之下，由此可以看出模型收敛。(3) 点击 Matrix Data（查看矩阵数据）表图4-37 矩阵数据表格4.1.3建立仿真报告查看S参数的结果(1)选择菜单 HFSS选择Result（结果）选择Create Report（生成报告）(2)建立报告窗口报告类型：Terminal S Parameters（终端的参数） 显示类型：Rectangular（矩形）图4-38 矩阵数据表由图4-38可以看出，设计出来的带通滤波器的中心频率为1.5GHz。通过信号的范围是1.0GHz到2.0GHz，小于1.0GHz和大于2.0GHz的信号被滤波器滤除掉。将扫描频率改为从0.5GHz到3。0GHz的扫描频率，由图4-39可以到改变扫描频率不改变带通滤波器的滤波范围，反而可以证明滤波器将小于1.0GHz和大于2.0GHz的信号被滤波器滤除掉。 图4-39 0.5-3.0GHz的矩阵数据表4.1.4创建电磁场覆盖图选择Global（总体） XY 平面（1）使用Model Tree(模型树)，展开 Planes(平面)选择Global(总体)：XY 图4-40 选择XY平面（2）选择菜单HFSSFields（场设置）EMag_E （3）创建电磁场画图窗口 Solution（解决方案）：Setup1（设置）：LastAdaptive Quantity（量）：Mag_E In Volume（按量计算）：All 点击 Done（完成） 按钮 图4-41 创建电磁场窗口 修改电磁场画图的属性 （1) 选择菜单 HFSSField（场设置）Modify Plot Attributes （修改绘图属性）（2) 选择 Plot Folder（绘图文件夹） 窗口 选择：E Field （电场） 点击 OK 按钮 图4-42 绘图文件夹窗口（3) E-Field1 （电场）窗口 点击 Scale（规模）表。 1) Select Use Limits（选择使用限制）2) Min（最小）: 5 3) Max（最大）: 1500 4) Scale（规模）: Log （记录） 点击 Close（关闭） 按钮图4-43 电场设置窗口（4）点击左侧工程管理窗口，可以查看电场仿真结果 图4-44 工程管理窗口由图4-45电场仿真可以看出仿真过程中，电场的强弱位置(颜色与强弱的关系显示在图4-45左侧的注释里)。选择动态图HFSSField（场设置）Animate（动画）可以查看动态的电场仿真，就可以看到电场的简单流动趋势。 图 4-45 电磁场覆盖图4.2本章小结 本章主要给出了对交指型带通滤波器3D模型的仿真分析，得到模型的收敛数据和S参数，模型达到了收敛标准，仿真所得结果与理论结果相符，仿真成功，完成课题任务。结论 结论一、本文介绍了矩形杆交指型带通滤波器的工作原理和设计方法，根据交指型滤波器的设计原理获得矩形杆的自电容和互电容，利用计算机辅助设计工具结合图表得到滤波器的初始尺寸。二、给出了一个中心频率为1.5GHz，带宽为0.7GHz的矩形杆交指滤波器的设计方案。三、利用HFSS软件设计滤波器的模型，实现一个 L 波段的八级滤波器的设计。并设定该滤波器的中心频率是为1.50 千兆赫兹, 相对带宽 W=0.70,LAr= 0.10 分贝。设置扫描频率为0.6 GHz-2.4 GHz。对于各个窗口以及参数的设定进行了详细的描述。四、通过对交指型带通滤波器3D模型的仿真分析，得到模型的收敛数据和S参数，模型达到了收敛标准，仿真所得结果与理论结果相符，仿真结果和理论结果吻合良好，证明来设计方法的可行性。五、将滤波器的谐振单元为四分之一波长，减小了滤波器的尺寸，谐振单元一端短路，一端开路，各个谐振单元的开路端和短路端交叉布局，构成带状线腔体滤波器结构，实现了宽频带和小插入损耗。这种结合传统理论和先进计算机技术的方法可以大大节省研制周期和生产成本，具有实用价值。参考文献燕山大学本科生毕业设计（论文）1. 程军.基于HFSS的交指型滤波器设计与仿真J.微计算机信息，2010，1631672. 马军昌,魏文珍.腔体滤波器的频率计算J. 通信技术. 2011(07):1231293. 陈丽艳,刘甫坤,单家方.交指型腔体滤波器设计J. 核电子学与探测技术. 2011(06) 4. 王清芬,马延爽.应用HFSS设计40MHz腔体滤波器J. 无线电工程. 2008(12)：1361345. 刘健. 腔体式带通滤波器的研究与设计D. 西安科技大学， 2011 ，23286. 雷晓军. 超宽带盘锥天线的HFSS仿真研究与设计J. 微计算机信息. 2009(16):78897. 贾建蕊,韩军. 基于HFSS设计同轴腔调谐滤波器J. 无线电工程. 2011(01):117 1278. 王洪. 电磁仿真软件HFSS在天线设计中的应用J. 福建电脑. 2010(09)：78799. 钟淼,刘成国,黎杨,杨名.双频微带带通滤波器的设计与仿真J.电子元器件应用. 2009(12)：586510. 谢涛,何怡刚,姚建刚,李兵,侯周国.基于改进BP算法的微带射频带通滤波器设计J.仪器仪表学报. 2009(06)：11812611. 刘高,黄国策. 550-850MHz电调谐滤波器研究与设计J.微计算机信息. 2007(29)：9811212. 李宏军.微波电调带通滤波器的研究J. 半导体情报. 1999(03)：485013. 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Asia-Pacific Microwave Conference . 2007：176177 致谢致谢本课题研究是在邢光龙教授的指导与关怀下顺利完成的。从当初的选题、开题、中期到最后的完成设计撰写毕业论文，都离不开的老师的帮助与指导。邢光龙老师爱岗敬业，对科研有着一个谨慎认真的态度是值得我们学生学习的。邢光龙老师不但以敏锐的学术思维和渊博的知识影响着我，还以严谨踏实的科研态度影响着我未来的学习和生活态度。通过此次的毕业设计，我认识了解了邢光龙老师，我不但从老师身上学到了宝贵的理论知识，还学到了认真、踏实的科研态度，借此机会我向邢老师表达最真挚的感谢和最崇高的敬意。另外，能顺利学习并完成大学四年的学业，离不开四年里遇到的每一位老师的悉心教导；离不开辅导员于陆璐老师的关心与指导；离不开同学和朋友们的帮助与鼓励。在此，我要向你们表示衷心的感谢！最后我要把我最诚挚的感谢送给我的父母。是他们为了我能顺利完成学业，日复一日坚守在自己的岗位上，用辛勤的汗水换取了这来之不易的学习机会。是他们用最无私的爱鼓励着我，是他们用最伟大的付出支持着我，在此我要向我的父母表达一句深深的感谢。37 附录1燕 山 大 学本科毕业设计（论文）开题报告课题名称：矩形杆宽带交指型带通滤波器设计与仿真分析 学院（系）： 里仁学院 年级专业： 通信四班 学生姓名： 罗 立 指导教师： 邢光龙 完成日期： 2016.3.20 49 附录1一、综述本课题国内外研究动态，说明选题的依据和意义 微波滤波器是雷达系统，通信系统，测量系统必不可少的组成部分，同时也是最为重要，技术含量较高的微波无源器件，一般被用来分开或整合不同频段的信号。电磁波谱是有限的，且需按应用加以分配。微波滤波器具有选频功能，可以分隔频率，即通过所需的频率信号，而抑制不需要的频率信号。 微波滤波器有许多种类，其中交指型带通滤波器是微波滤波器中一种比较常用的结构形。交指型带通滤波器的适用范围非常广泛，其相对带宽可以从窄带的1%一直变化到带宽的7%以上甚至更宽，其频带的变化范围可以从UHF到C波段。 交指型滤波器是指由平行耦合线谐振器阵交叉组成的结构，结构多用做慢波系统，但近来研究表明，它具有优良的带通特性，具有如下优点： （1）结构紧凑、可靠性高； （2）由于每个谐振器间的间隔较大，故公差要求较低，容易制造； （3）由于谐振杆长近似等于1/4,所以第二通带中心在3以上，其间不会有寄生响应； （4）既可以作成印刷电路形式，又可以作成腔体结构，用较粗的杆作成自行支撑，而不用介质。 因此，交指型滤波器在电子系统，尤其是在通信技术及近代航空航天领域中被广泛使用。同时近年来随着计算机技术突飞猛进的发展，出现了一些实用的三维高频电磁场仿真软件，如美国Ansoft的HFSS。这些实用的仿真软件对于设计出的参数可以进行进一步的仿真、优化，以达到在实际加工中的准确性和一致性。二、研究的基本内容，拟解决的主要问题 本课题拟采用高介电常数、低损耗微波介质为基片材料，并用交叉耦合微波谐振腔结构设计微波滤波器的电路结构。并采用有限元法及高频结构模拟器（HighFrequencyStructureSimulator,HFSS）软件进行电路全波仿真。在仿真软件里一般都是采用理想原件和理想介质，所得的理论结果与实测结果不尽相同，即使在同一软件里多次仿真同一模型，所得频率波形也随结构微小变化而有很大不同，也就是说仿真所得的结果具有结构的敏感性，因此将之直接应用到实际环境当中时，还需要实际工程中的调整，所以这是设计滤波器结构时需要解决的关键问题。为了解决这个问题，在设置电路的组件参数时，首次仿真用理想参数运行一下仿真结果，并将其优化得到需要的结果，然后将其做为理想模板方便以后做对比。把参数设为与原件的实测值接近时再进行多次仿真，与理想条件下所得的结果进行对比，调整微带传输线的长度等其它相关参数，优化其谐振频率、带宽、带内纹波抖动、带外抑制、插入损耗等相关电气参数。 三、研究步骤、方法及措施 HFSS（High Frequency Structure Simulator）是由美国Ansoft公司开发的三维电磁场仿真系统。采用切向分量的有限元方法，自适应网格剖分，可以求解任意三维射频、微波器件电磁场分布，计算辐射材料损耗。可直接得到微波传输系统特征阻抗、传播系数和S参数等，也可直接得到天线辐射方向图和特定吸收率等结果。广泛地应用于电磁场分析和微波、天线系统设计，是一种在电磁工程设计中常用的软件。本设计的主要内容是藉助于HFSS，设计、分析矩形杆宽带交指型带通滤波器，主要分析带宽和结构之间的关系。1将标准切比雪夫低通滤波器变换为符合要求的特定带通滤波器。首先建立归一化低通切比雪夫滤波器的结构；利用频率变换将其低通频率特性变换为带通滤波器频率特性。2根据将集总参数元件变为分布参数元件的Richards变换和Kuroda规则用分布参数元件实现这些滤波器。四、设计方案设计参数：信号带宽：16381658MHz。插入损耗：小于1.5dB。带内波动：小于0.2dB带外抑制：频带两端（f015，f0为中心频率）处带外抑制到-50dBc,频带外（f030，f0为中心频率）抑制到60dBc。 滤波器设计过程为：工作频率超过500MHz的滤波器是难以用分立元件实现的，这是由于工作波长与滤波器元件的物理尺寸相近，从而造成了多方面的损耗并使电路性能严重恶化。所以，实际滤波器的实现必须将一些工具（Richards变换、单位元件和Kuroda规则）的集总参数元件变换为分布参数元件。 下面用耦合微带线来实现此滤波器： 1选择标准低通滤波器参数。根据所要设计滤波器的性能指标，决定采用切比雪夫滤波器设计方法。查“给定波纹及插入损耗时选定切比雪夫滤波器节数的列表图”，可知滤波器可用三节来实现。 查表可知0.2dB波纹的标准三节切比雪夫滤波器参数为 g0=g4=1.0000，g1=g3=1.2275，g2=1.1525。2.确定归一化带宽3根据带宽指标计算参数五、研究工作进度 14周58周912周1316周1718周查阅文献资料、了解和掌握课题研究背景和方法建立分析方法、确定软件实现方案、编制源程序软件调试，结果分析。编制设计文件，使用说明完成论文六、主要参考文献 天线（antennas:for all applications third edition）,john D.karus Ronald J Marchefka著，章文勋 译，电子工业出版社，2004。 微波技术与天线电磁波导行与辐射工程，殷际杰，电子工业出版社，2004 Ansoft HFSS基础及