矩形杆交指型带通滤波器

本科毕业设计 论文 矩形杆宽带交指型带通滤波器 设计与仿真分析 罗立 燕 山 大 学 里 仁 学 院 2016 年 6 月 本科毕业设计 论文 矩形杆宽带交指型带通滤波 器设计与仿真分析 学 院 里仁学院 专 业 通信工程 学生 姓名 罗立 学 号 121308061274 指导 教师 邢光龙 答辩 日期 2016 6 19 燕山大学毕业设计 论文 任务书 里仁学院 专业 方向 电子工程系 学 号 121308061274 学生 姓名 罗立 专 业 班 级 通信四班 题目名称矩形杆宽带交指型带通滤波器设计与仿真分析 题目性质 1 理工类 工程设计 工程技术实验研究型 理论研究型 计算机软件型 综合型 2 文管类 3 外语类 4 艺术类 题目类型1 毕业设计 2 论文 题 目 题目来源科研课题 生产实际 自选题目 主 要 内 容 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 基 本 要 求 1 学会使用 HFSS 软件 2 掌握微波段带通滤波器的设计基本原理和分析方法 3 应用 HFSS 分析微波段带通滤波器的特性 参 考 资 料 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 基础及应用 谢拥军等编著 西安 西安电子科技大学出版社 2007 HFSS 用户手册和参考书 周 次 1 4 周5 8 周 9 12 13 16 周 17 18 应 完 成 的 内 容 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 指导教师 邢光龙 职称 教授 2016 年 3 月 5 日 注 周次完成内容请指导老师根据课题内容自主合理安排 摘要 摘要 本文介绍了矩形杆交指型带通滤波器的原理和设计方法 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 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 5GHZ 相对带宽 W 0 70 LAr 0 10 dB 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 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 证明了设计方法的可行性 关键词关键词 HFSS 软件 带通滤波器 交指型带通滤波器 燕山大学本科生毕业设计 论文 Abstract This paper gives the particular description of a theoretical analysis and practical design for rectangular rod inter digitalband pass filter First the self capacitance and mutual capacitance of the inter digital band pass filter is obtained in accordingwith the design theory of the inter digital band pass filter Based on computer aided design the parameters of filter are given Using HFSS software design of the filter model implement a l band changing the filter design And set the filter center frequency is 1 5 GHZ relative bandwidth W 0 70 LAr 0 10 dB Set the scanning frequency of 0 6 GHz to 2 4 GHz Of the set of parameters for each window as well as a detailed description Through the pay type refers to the band pass filter simulation analysis of 3 d models get convergence data and S parameters of the model the model has reached the convergence criteria Thesimulation result shows good agreement with theoretical result which proves themeth od is valid Keywords HFSS software band pass filter Cross finger type band pass filter 燕山大学本科生毕业设计 论文 目 录 摘要 I Abstract II 第 1 章 绪论 1 1 1 课题背景 1 1 2 HFSS 软件简介 1 1 3 国内外滤波器的发展状况 2 1 4 论文章节安排 2 第 2 章 带通滤波器的设计原理 3 2 1 带通滤波器的分类 3 2 2 带通滤波器工作原理 3 2 3 交指型带通滤波器设计原理及方案 4 2 4 本章小结 6 第 3 章 带通滤波器的设计过程 7 3 1 交指型带通滤波器 3D 模型的设计 7 3 1 1 设置工具选项 7 3 1 2 在窗口建立新的项目 8 3 1 3 设置求解类型 9 3 1 4 建立滤波器的模型 9 3 2 设计模型参数 21 3 2 1 边界显示 21 3 2 2 设计分析设置的参数 22 3 2 3 建立一个扫描频率 23 3 2 4 模型确认 24 3 3 本章小结 25 第 4 章 带通滤波器的仿真分析 27 4 1 仿真分析 27 4 1 1 对模型进行仿真分析 27 4 1 2 解析数据 27 4 1 3 建立仿真报告 28 4 1 4 创建电磁场覆盖图 30 4 2 本章小结 32 结论 33 参考文献 34 致谢 35 燕山大学本科生毕业设计 论文 附录 1 37 附录 2 43 附录 3 49 附录 4 55 燕山大学本科生毕业设计 论文 0 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 第一章 绪论 1 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 燕山大学本科生毕业设计 论文 2 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 13 2 2 1 sksk sk S A 上式中均与 R C 相关联 321 kkk 第 2 章 带通滤波器的设计原理 3 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 f 0 f u A 0 f f 0 f u A 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 up A 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 21ppp fff 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 f 0 f u A 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 0 f 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 燕山大学本科生毕业设计 论文 4 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f Ar L 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 1 1 cosh cosh 2 ln 1 2 2 11 1 1 s s a N 式中 通带分贝波纹 0 1dB 2 1 10 110 Ar L Ar L 0 1 0 1 11 2 tan 2 tantan f f 0 2 tan f fa a 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 a f 气介质 则 由于采用终端开路式所以导体的杆数 N N 2 8 1 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 第 2 章 带通滤波器的设计原理 5 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inh625 0 的长宽高分别为 矩形杆谐振器之间的距离分别为in818 1 in125 0in06 0 SMA 接头inss0875 0 7812 inss145 0 6723 inss155 0 5634 ins15 0 45 的内导体在腔体内部的长度 inp15 0 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f Ar L 带通滤波器 根据设计原理得出滤波器的结构尺寸 燕山大学本科生毕业设计 论文 6 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 3 1 1 1 进入 Ansoft HFSS 选择菜单 Tools 工具 选择 Options 选项 选择 HFSS Options HFSS 选项 3 1 1 2 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 第 3 章 带通滤波器的设计过程 7 3 1 1 3 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 燕山大学本科生毕业设计 论文 8 3 1 2 1 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 3 1 2 2 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 3 1 3 1 选择菜单 HFSS Solution Type 求解的类型 3 1 3 2 在 Solution Type 求解的类型 窗口中选择 Driven Terminal 终端驱 动求解 3 1 3 3 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 3 1 4 1 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 3 1 4 2 设置滤波器模型的材料 第 3 章 带通滤波器的设计过程 9 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 3 1 4 3 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 Y 1 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 燕山大学本科生毕业设计 论文 10 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 3 1 4 4 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 第 3 章 带通滤波器的设计过程 11 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 燕山大学本科生毕业设计 论文 12 图 3 14 feed1 模型 3 1 4 5 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 3 1 4 6 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 第 3 章 带通滤波器的设计过程 13 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 3 1 4 7 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 燕山大学本科生毕业设计 论文 14 图 3 17 feedprobe1 模型 3 1 4 8 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 Y 0 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 第 3 章 带通滤波器的设计过程 15 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 Y 0 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 Y 0 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 燕山大学本科生毕业设计 论文 16 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 Y 0 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 3 1 4 9 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 第 3 章 带通滤波器的设计过程 17 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 燕山大学本科生毕业设计 论文 18 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 第 3 章 带通滤波器的设计过程 19 图 3 25 波导端口阻抗设置窗口 3 查看激励 P1 图 3 26 激励 P1 3 1 4 10 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 燕山大学本科生毕业设计 论文 20 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 180 3 Total Number 所有数目 2 4 点击 OK 确定 按钮 第 3 章 带通滤波器的设计过程 21 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 3 1 4 11 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 3 2 1 1 选择菜单 HFSS 选择 Boundary Display Solver View 解决边界显示 解算器视图 3 2 1 2 从边界条件解析视图中 锁定 box 中边界的显示 燕山大学本科生毕业设计 论文 22 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 3 2 1 3 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 3 2 2 1 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 3 2 2 2 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 第 3 章 带通滤波器的设计过程 23 图 3 31 输入频率设置窗口 3 2 3 建立一个扫描频率 3 2 3 1 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 3 2 3 2 编辑扫描窗口 燕山大学本科生毕业设计 论文 24 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 3 2 4 1 选择菜单 HFSS 选择 Validation Check 有效性检查 或使用快捷键 3 2 4 2 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 第 3 章 带通滤波器的设计过程 25 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 燕山大学本科生毕业设计 论文 26 第 4 章 带通滤波器的仿真分析 27 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HFSS Analyze 分析 或者使用快捷键 4 1 2 解析数据 4 1 2 1 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 燕山大学本科生毕业设计 论文 28 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 4 1 3 1 查看 S 参数的结果 第 4 章 带通滤波器的仿真分析 29 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 燕山大学本科生毕业设计 论文 30 4 1 4 创建电磁场覆盖图 4 1 4 1 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 HFSS Fields 场设置 E Mag 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 4 1 4 2 修改电磁场画图的属性 1 选择菜单 HFSS Field 场设置 Modify Plot Attributes 修改绘图属 第 4 章 带通滤波器的仿真分析 31 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 燕山大学本科生毕业设计 论文 32 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 HFSS Field 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 33 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 34 参考文献 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 163 167 2 马军昌 魏文珍 腔体滤波器的频率计算 J 通信技术 2011 07 123 129 3 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 12 136 134 5 刘健 腔体式带通滤波器的研究与设计 D 西安科技大学 2011 23 28 6 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 78 89 7 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 01 117 127 8 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 78 79 9 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 58 65 10 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 06 118 126 11 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 98 112 12 李宏军 微波电调带通滤波器的研究 J 半导体情报 1999 03 48 50 13 Ruiz Cruz Jorge A Wang Chi Zaki Kawthar A advances in microwave filter design techniques J Microwave Journal 2008 11 323 328 14 Bonache J Compact microstrip band pass filters based on semi lumped resonators Microwaves Antennas and Propagation 2007 223 226 15 Jeongpyo K Jaehoon C Tunable microstrip bandpass filter with simple loss compensation method Asia Pacific Microwave Conference 2007 176 177 燕山大学本科生毕业设计 论文 35 燕山大学本科生毕业设计 论文 36 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 致谢 37 燕山大学本科生毕业设计 论文 38 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 39 燕山大学本科生毕业设计 论文 40 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