HFSS天线论 NSOFT HFSS天线设计论文 31

Ansoft2004 年用户通讯 99 用 Ansoft HFSS 分析小型化 高带外抑制的 用 Ansoft HFSS 分析小型化 高带外抑制的 微带滤波器 微带滤波器 赵 平 上海航天局八 0 四研究所电子三室 200082 摘要 本文用 Ansoft HFSS 分析小型 高带外抑制的 PBG 结构的微带滤波器的结构形式和特有的频率 响应特性 关键词 PBG 光子带隙结构 Ansoft HFSS 微带 带通滤波器 1 1 引言 引言 随着 无线时代 的到来 微波工程师关注于电磁波频谱合理 高效 安全的使用 EMI EMC 问题的解决 小型 化 高带外抑制 低成本 宽带滤波器的研究 应用有着重要的意义 微波滤波器已成为无源微波元件的主角之一 它不仅能完成本身的任务 而且能代替其他一些微波元件的功能 或者 可把另外一些微波元件看成微波滤波器结构来进行设计 随着新材料 新技术的引入 应用 滤波器的概念 广义化 2 2 滤波器设计 滤波器设计 2 1 滤波器响应函数类型选择 2 1 滤波器响应函数类型选择 图2 1994年 Alumina 构建的光子晶格 滤波器特性可用其频率响应来描述 按其特性的不同可分为低通 滤波器 高通滤波器 带通滤波器 带阻滤波器 图 1 中是以带通滤波 器为例的滤波器响应 图中横坐标是归一化频率 f 纵坐标是工作衰减 简称 衰减 或插入衰LA 图 1 中所示三种函数滤波器的传输特性 观察可知不同点在于传 输零点的位置 Chebyshev 函数滤波器传输零点在无限远处 Elliptic 函数滤波器传输零点在有限特定频率且阻带呈现等波纹特 性 Quasi Elliptic 函数滤波器将 hebyshev 函数滤波器和 Elliptic 函数滤波器的特性 融合 在一起 即保留了无限远处的零点 又有一对传输零点在特定频率 由此分析 可得出关于滤波器类型选择的依据 为了满足通带的插入损耗带外隔离 应选级数较少的滤波器 相应的级数较少的滤波器的 Q 值也低 通带边沿的插入损耗期望等同于通带中心频率的插入损耗 在 Elliptic 函数滤波器 Quasi Elliptic 函数滤波器中 通带边沿的插入损耗受截至频率附近的传输零点影响较大 Chebyshev 函数滤波器和 Elliptic 函数滤波器 Quasi Elliptic 函数滤波器相比 虽然带外隔离较好 但在靠近 通带边沿处比选择性差 虽然可以通过增加级数提高选择性 但同时带内插入损耗也增加 Elliptic 函数滤波器在靠近通带边沿有较高的选择性 但是相对于 Quasi Elliptic 函数滤波器 它的带外隔离较 差 Elliptic 函数滤波器应用分布元件较难实现 而 Quasi Elliptic 函数滤 波器却较之容易满足设计要求 因此 Quasi Elliptic 函数是微带滤波器较佳 的函数类型 2 2 滤波器的结构选择 2 2 滤波器的结构选择 滤波器采用微带线结构 在尺寸和加工方面满足了工程上器件小型化 低 成本的要求 在人们长期的探索 研究后 引入了 Photonic bandgap PBG 概 念 新颖的微带滤波器具有了高带外抑制 小尺寸 PBG 单元小于二分之一 四 分之一甚至十分之一波导波长 1GHz 3GHz 已广泛使用 的优点 缺点是通带 插入损耗在 1dB 左右 下面就简要描述一下 PBG 材料 结构的概念和结构形式 图1 带通滤波器的频率响应 Partners In Design 100 Ansoft2004 年用户通讯 PBG 的概念最早由 Yablonovitch 在 1987 年提出 主要是想构造人造晶体及其缺陷 在频带内 最初是在光学频带 而后发展为微波乃至声学频带 形成带隙 形成各种巧妙的器件 这样的人造周期性结构的材料会影响甚至改变金属 介质 有电磁特性 新颖的 PBG 结构在天线 滤波器及其它器件方面有更大更多的应用 图 2 是 1994 年 Alumina 构建的光子晶 格结构 通常 PBG 结构可被用于金属 介质 磁物质 铁氧体 介质 PBG 结构已经应用于微带滤波器 它要求以周期性结构 通过微带介质 显而易见 可以构造许多类似的 PBG 结构 比如方形线圈 内有方孔的三角形线圈 内有方孔或圆孔的六 边形蜂巢形式 对于微带线上传播的准 TEM 波有特有的阻带 许多周期性结构可用印刷电路的刻蚀方法实现 图 3 是两种 简单的一维PBG 微带结构滤波器 a b 方形孔滤波器 圆形孔滤波器 图3 两种简单的一维PBG 微带结构滤波器 3 3 微带滤波器 HFSS 模型 微带滤波器 HFSS 模型 PBG 在一维周期性结构例如微带滤波器时是松散的结构形式 而二维 PBG 结构的滤波器是紧构的 例如 微带低通滤 波器 微带带阻滤波器可以通过改变微带的介质材料或底板完成设计 在 HFSS中建立一个 PBG微带通滤波器三维模型 如图 4 所示 第一步 建立HFSS 模型 微带板由两层导体夹一层介质构成 一层导体作为底板 另一层导体经 刻蚀后如图 5 所示 图 5 中三个开环谐振器有序排列后由微带传输线连接 3 形成二维 PBG 结构 这使用微带规格 40 50 1 27mm 铜箔厚度 0 018mm 第二步 定义导体 介质属性 导体属性 铜箔 介电常数 r 10 8 介质损耗 2 10 3 第三步 定义端口 边界条件 图5 HFSS模型端三维示意图 图6 归一化频率的传输特性 HFSS 模型端口位置如图5所示 端口定义为 50 欧姆的集总端口 微带板的上层空间定义为空气 图4 二维PBG带通滤波器HFSS模型 Partners In Design Ansoft2004 年用户通讯 101 4 4 微带滤波器 HFSS 分析 微带滤波器 HFSS 分析 HFSS模型经过求解 可得到图 6 所示的频率传输特性 图中频率为归一化频率 从归一化频率传输特性图中可以得到一些 有用 信息 a 滤波器的传输特性具有不对称性 b 滤波器在归一化频率1 0662处出现传输零点 c 滤波器的通带上边带频率选择性大于下边带频率选择性 d 滤波器通带损耗 1 1dB 这是因为采用了高介电常数 r 10 8 微带板 e 滤波器的 有效 尺寸 25 8 x 36 0mm 当 f 0 88 GHz时 340 mm 0 134 mm r 10 8 即 0 19x 0 27 小型化 因此得名 0 0 微带滤波器的等效电路 有利于理解 图 7a 中是已分析的微带滤波器的等效电路 由对偶关系 可推导出此微带滤波 器等效对偶电路 如图 7b 所示 Port1Port2 R1 L12 C3 C13 C23L3R3 C23C13 R2C2 C23C1 C13L1 L12L2 L12 a 图4微带滤波器等效电路 b 图4微带滤波器等效对偶电路 图7 微带滤波器等效电路 在微带滤波器的等效电路中 为单个开路谐振器特性参数 与谐振器的线宽 线长有关 决定了谐振器的 自谐振频率 为相邻开路谐振器之间的特性参数 与相邻谐振器之间的间隔有关 决定了相邻谐振器的耦合系数 由此 可以依据图 8b 微带滤波器等效对偶电路设计 PBG 微带滤波器 如图8 所示 i R i L i C ij L ij C 图8 图8b微带滤波器HFSS模型 图9 归一化频率的传输特性 从归一化频率传输特性图9 中可以看到与图7 的 不同 信息 a 滤波器在归一化频率出现的 零点 位置由1 0662 变换 到 0 91 b 滤波器的通带上边带频率选择性与下边带频率选择性发生变化 c 滤波器的 有效 尺寸 51 8 x 21 0mm 即 0 41x 0 17 0 0 通过两个有对偶性的 PBG 结构的带通滤波器建模 分析 认为 PBG 结构的滤波器在提高频率选择性 带外高抑制性和 小型化方面有着较大的优势 可以归纳出 PBG 结构滤波器的 共性 a PBG滤波器的传输特性的不对称性与PBG结构形式有关 b PBG滤波器在通带处有较高频率选择性 c PBG滤波器通带损耗与微带板介电常数有关 d PBG滤波器通带边沿的插入损耗与频率附近的传输零点有关 e PBG滤波器结构尺寸可小型化 Partners In Design 102 Ansoft2004 年用户通讯 f PBG滤波器易加工 成本低 可靠性高 随着 PBG 材料 结构的深入研究 PBG结构的滤波器应用范围会更加广泛 5 5 PBG 微带滤波器的其它形式 PBG 微带滤波器的其它形式 PBG 材料 结构以结构形式可以分为一维 二维 三维 PBG 结构 二维 PBG 材料 结构现在已工程化应用 下面列举了几种 PBG 结构的滤波器 如图 10 所 示 a PBG结构微带带通滤波器 双模 TMz 100 TMz 010 b PBG结构微带带阻滤波器及其分析结果 c PBG结构微带带通滤波器及其分析结果 图10 PBG结构的滤波器 6 6 结束语 结束语 本文利用 Ansoft HFSS 软件分析 PBG 结构微带带通滤波器 与实际基本吻合 结合优化模块 有利于及时改进设计方 案 缩短研制周期 降低成本 总之 Ansoft HFSS 软件是微波工程师方便 实用的 EDA 工具 是微波工程师值得信赖的朋 友 参考文献 参考文献 1 JIA SHENG HONG M J LANCASTER Microstrip Filters for RF Microwave Applications 2 E Yablonovitch Photonic bandgap structures J Optical Soc America B Vol 10 pp 283 295 Feb 1993 3 Radisic Yongxi Qian Coccioli et al Novel 2 D Photonic bandgap structure for microstrip lines IEEE Microwave Guided Wave Lett 1998 8 2 69 71 4 Vesna Radisic Roberto Coccioli Novel