hfss详细的滤波器设计讲解

在论坛逛了也有些日子了 发现有很多初学者其实是怀着兴奋的心情来论坛 希望可以在 这里初窥滤波器的奥秘 希望有朝一日自己也可以成功的设计出一款性能不错的滤波器 下面介绍的虽然是普通的滤波器设计流程 但其具有很强的代表性 大多数耦合谐振器滤 波器都应遵循下面的几个设计步骤 尤其是对于初学者 这可以帮助大家理解最最最最基 本的概念 当然了 对于高手来说 其实可以省略很多中间过程 声明 本文是基于 Jia Sheng Hong 的 Microstrip Filters for RF Microwave Applications 中第八章 第九章所介绍内容 1 首先 我们要对耦合矩阵有个感性的了解 大家在看论文时 其实可以看到都会给出 一个对应的耦合系数矩阵 用来综合耦合系数的软件很多 大家可以花点时间稍微研究下 就可以了 需要指出的是 曾经有同学问我 为什么我用软件综合出的耦合系数矩阵中的 系数都那么大 很多在1左右 好像无 法实现啊 原因是 综合出的矩阵是归一化的耦合矩阵 你需要乘以你设计的百分比带宽 才能得到你所想要的真实的耦合系数 例如书中的式子 2 拥有了耦合系数矩阵 就需要确定所采用的谐振器类型 整个滤波器的几何结构 此 处采用一个四阶开口环交叉耦合滤波器来做为实例 下面的耦合系数矩阵是我从一篇文章 copy 过来的 只是作为一个辅助 正 负仅仅是一个符号 一般来说 我们将正值视为 磁耦合 负视为电耦合 反之亦然 其对应的几何结构如下所示 其中1和4是开口相对 为什么呢 因为微带开路端电场比较 强 这么放置1和4才能产生耦合系数矩阵中所需的电耦合 同样的原理 我们知道2和3之 间产生的是磁耦合 至于1和2 3和4为什么这么放 它们之间是混合耦合 建议大家去看 书 解释起来麻烦点 3 那么 谐振器之间的几何尺寸怎么确定呢 再下一步 就是用 HFSS 来提取两两谐振 器之间的耦合系数与几何尺寸的关系了 只有确定了所有的几何尺寸 才能建立一个滤波 器的初始模型 要提取耦合系数 下面给出了计算公式 首先分析1和4之间的耦合系数提取 实现大家需要在 HFSS 里面建立下图中的微带谐振器 模型 当然是要有空气盒的 因为 HFSS 中默认的地方全是金属 另外需要特别主要的是 此处我给出的方法是基于 HFSS 本征模的 大家需要在 HFSS 菜 单 HFSS solution type 中选取 eigenmode 下面跟大家介绍如何加 Analysis 在 add solution setup 后会弹出下图 现在逐个分析含 义 Minimum frequency 最小频率 即它的值一定要小于谐振器的谐振频率 Number of modes 模式数目 此处设为2 它意味着会仿真得出两个模式的频率 即计算 耦合系数需要的 fp1和 fp2 再下面的两个选项嘛 用过 HFSS 的大家应该都很清楚了 可以仿照图中所示 2 re Mode 1 re mode 2 re mode 1 re mode 2 下面一步给大家演示如何在 HFSS 中计算出耦合系数 在 result 中选择 create eigenmode parameter report Data table 此时 会产生下面图中所示对话框 此时需 要注意 点击 output variables 会产生最顶层的对话框 我们需要在其中对式8 72中的 fp1 和 fp2进行定义 我们将 mode 1 的实部定义为 fp1 具体操作 在 name 中输入 fp1 选择 mode 1 的实部即 re 然后点击 insert into expression 在点击 add 就可以了 再下一步 当仿真完成后 你就可以在 result 中看到 fp1和 fp2的值了 同时也就可以得到 耦合系数了 当然了 你也可以在 HFSS 中定义耦合系数的计算公式 那你就可以直接在 HFSS 中看到耦合系数的数值了 正如大家在 paper 中看到 许多人会给出耦合系数与几何尺寸的关系图 这也就需要大家 改变下几何尺寸 重新仿真下上面的 model 就可以了啊 其实很容易的 4 1和4谐振器我们采用下面的方式进行激励 至于外部品质因素的计算 可以由下式得到 w0代表谐振频率 具体的定义大家参考 Jia sheng hong 书中的第八章 图12 同样的 你可以根据不同几何尺寸得到不同的 Qe 从而形成一个关系图 5 此时 我们需要根据上面所得的几组数据 来选取每个几何参数的初始值 这就是为 什么我们要进行上面的步骤的原因 这样建立好的初始 model 不出意外会得到一个不会 很差的性能 当你看到自己的付出有了回报 一切辛苦都是浮云 下面需要的就是优化了 一般来说 对于初学者 还是建议使用优化 虽然比较笨 慢 但是总要有循序渐进的过 程 而对于高手们 一般都是自己手动去调节每个几何尺寸 因为他们知道哪些关键参数 的功能 下面简单介绍下如何使用 HFSS 的优化功能 首先你需要在建立 model 时 尽量使用变量 来表示每个几何尺寸 这样方便调节 也只有这样才能使用优化 第一步 如图 点击 design properties 里面的优化菜单中勾中你想优化的变量 同时可 以设计它的最小值和最大值 第二步 右键 optimetrics 里面 add optimization 弹出对话框 点击 variables 里面勾 中所有变量如图 第三步 设置优化目标 如下图 定义的是 在1GHz 处的 S11的幅度要小于0 05 具体 大家慢慢摸索吧 大概的入门应该够了 图片 15 jpg the equivalent circuit of microstrip gap the