实验一-交叉耦合滤波器设计与仿真

实验-交叉耦合滤波器的设计与仿真一、实验目的1.交叉耦合滤波器设计2.查看和分析交叉耦合过滤器的s参数二、实验设备一台安装了HFSS 13.0软件的笔记本电脑三、实验原理带外有限传输零点的滤波器经常以谐振腔多耦合的形式实现。这种形式的特点基于谐振腔级联，其中不相邻的腔可以相互耦合，即“交叉耦合”，也可以在源和负荷以及源和负荷之间组合。交叉耦合带通滤波器的等效电路如下图所示。在等效电路模型中，E1是此电压来源，R1和R2分别是电源内部电阻和负载电阻，ik (k=1、2、3、n)是每个谐振器的电路电流，Mij是I和k谐振器之间的互耦系数(I，j=1，2，n和ij)。其中0=1表示每个谐振电路的电感l和电容c均采用单位值。Mkk (k=1，2，3，n)表示每个谐振腔的自耦合系数。n型腔交叉耦合带通滤波器等效电路为：如下图所示此回路的回路表达式可以写为或矩阵方程的形式写：其中，通常，频率分类为十分之一，即0=1其中e是电压矩阵，I是电流矩阵，z是阻抗矩阵，U0是NN次单位矩阵。m是连接矩阵，它是以下形式的NN阶正方形：其中对角线的元素表示每个谐振腔电路的自耦合，表示每个谐振腔的谐振频率fi和中心频率F0之间的偏差。同步优化过滤器假定值为零。R矩阵是除R(1，1)=R1，R (N，N)=R2非零值以外的NN阶方阵，其他元素值等于0。如果是，则此回路的传输函数可以写为其中D(cofZ1N)表示Z矩阵的第一行，n列元素的代数余项，D(Z)表示Z矩阵的决定因素。因此，通过频带增益频率响应特性如下使用N=3时，33阶耦合矩阵m:三阶椭圆函数滤波器的低通增益函数修改如下：其中在上述方法中，还必须修改各向同性系数，修改方法有两种：取(1)导数为零的点，求出(-1，1)内每个点的最大值。(2)通过使标准椭圆函数等于修改椭圆函数的边带的衰减，得出修改后的重排系数。四、实验内容设计具有以下指标要求的交叉耦合滤波器：中心频率：910MHz带宽：40MHz频带内反射：20dB带外抑制：20dB，MHz该滤波器通过三腔微带结构(环形谐振腔)实现。可选介质板的相对介电常数为r=1.8，厚度为h=1.27mm。腔是半波长方形腔结构，腔间耦合程度通过腔间距离控制，因此滤波器谐振频率在910MHz。最终得到反射系数和参数化系数曲线的仿真结果。五、实验阶段1.建立新专案为了便于创建模型，请在ToolOptionsHFSS Options中选中duplicate boundaries with geometry复选框。2.将解决方案类型设置为激励解决方案类型。(1)在菜单栏上，单击HFSSSolution Type。(2)在弹出的Solution Type窗口中(a)选择“驱动器模式”。(b)单击OK按钮。3.设定模型单位(1)在菜单栏上，单击“3D ModelerUnits”。(2)在“单位设置”窗口中，选择“:mm”。4.构建过滤器模型(1)首先建立介质基板(a)单击菜单栏上的“DrawBox”，可以在3D窗口中创建长方体模型。(b)输入方块的起始座标：x:-20，y:-35，z:0；按Enter键结束输入。(c)方块x、y、z的三个方向尺寸：dx: 40、dy: 70、dz:-1.27；按Enter键结束输入。(d)在“属性”窗格中，选择Attribute标记，将其名称更改为Substrate，然后将“透明度”(transparent)更改为0.85。(e)单击“材质”对应的按钮，然后单击“设置弹出的材质”窗口中的“添加材质”按钮，添加介电常数为10.8的媒体，将其命名为sub。单击OK退出。(2)创建Ring_1(a)在菜单栏上，单击“DrawRectangle”以创建矩形模型。(b)在坐标输入栏上输入起点的坐标。按x: 0、y: 0和Z:0 enter键。(c)在定点栏上输入长度，宽度：dx: 10，dy:-25，dz: 0，然后按enter键。(d)在“特性”窗格中，选择“属性”选项卡，然后将名称修改为Ring_1。(e)在菜单栏上，单击“DrawRectangle”以创建矩形模型。(f)在坐标输入栏上输入起点的坐标。按x: 1.4、y:-1.4和z: 0 enter键。(g)在定点栏上输入长度，宽度：dx: 7.2，dy:-22.2，dz: 0按enter键。(h)在“属性”窗格中，选择Attribute标记，然后将名称修改为Inner。(I)同样，创建矩形Cut_1。输入的坐标为：按X: 4、y:-25、z: 0和enter键退出。按Dx: 2、dy: 1.4、dz: 0和enter键退出。(j)将Inner和Cut_1减去Ring_1，形成开放矩形回路。在菜单栏上，单击EditSelectBy Name，然后使用Ctrl键在弹出窗口中选择Ring_1、Inner和Cut_1。(k)在菜单栏上，单击ModelerBooleanSubtract，然后在Subtract窗口中进行以下设置：Blank Parts :Ring_1Tool Parts : Inner，Cut_1不选择Clone tool objects before subtract复选框，单击OK退出设置。(3) Ring_1移动(a)沿y轴略微移动Ring_1。在菜单栏上，单击EditSelectBy Name，然后在弹出窗口中选择Ring_1。(b)在菜单栏上，单击“EditArrangeMove”以输入移动到定点栏的矢量。X: 0、y: 0、z: 0按Dx: 0、dy:-0.9、dz: 0和enter键结束输入。(4)创建Ring_2(a)Ring_2和Ring_1沿x轴线轴对称，因此镜射复制作业可以产生Ring_2。在菜单栏上，单击EditSelectBy Name，然后在弹出窗口中选择Ring_1。(b)在菜单栏上，单击EditDuplicateMirror，然后输入矢量。X: 0、y: 0、z:0；d按X: 0、dy: 1、dz: 0和enter键退出。(c)双击历史记录树中新创建的矩形，然后在“特性”窗格中将其重命名为Ring_2。(5)创建Ring_3(a)在菜单栏上，单击“DrawRectangle”。(b)在右下坐标中输入起点坐标。也就是说，x: 0、y:-12.5和z: 0通过按enter键结束输入。(c)输入矩形边的长度。也就是说，按dx:-10、dy: 25和dz: 0以结束输入。(d)在“属性”窗格中，选择Attribute标记，然后将矩形的名称修改为Ring_3。(e)在菜单栏上，单击“DrawRectangle”。(f)在右下角的坐标菜单栏上，输入起点位置坐标。也就是说，按x:-1.4、y:-11.1和z: 0结束输入。(g)输入矩形边长度dx:-7.2，dy:-22.2，z: 0按enter键结束输入。(h)在“属性”窗格中，选择Attribute标签，然后将矩形的名称修改为Inner_2。(I)同样，输入坐标(例如x: 0、y:-0.7、z: 0)以生成矩形Cut_2。按Dx:-1.4、dy: 1.4和dz: 0 enter结束输入。(j)在菜单栏上，单击EditSelectBy Name，然后使用Ctrl键从弹出菜单中选择Ring_3、Inner_2和Cut_2。(k)将Inner_2和Cut_2减去Ring_3，形成开放的矩形回路。在菜单栏上，单击3D ModelerBooleanSubtract，然后在Subtract窗口中进行以下设置：Blank parts: ring _ 3Toolparts: inner _ 2，cut _ 2不要选择Clone tool objects before subtract复选框。单击OK按钮。(6) Ring_3移动(a)在菜单栏上，单击EditSelectBy Name，然后从弹出窗口中选择Ring_3。(b)在菜单栏上，单击“EditArrangeMove”，然后输入移动到定点栏的矢量(x: 0，y: 0，z: 0)。按Dx:-0.5、dy: 0和dz: 0 enter键结束输入。(7)建立Feedline_1建立由两个具有不同特性阻抗的微带传输线组成的滤波器的馈线结构。(a)在菜单栏上，单击“DrawRectangle”。(b)在右下角的坐标菜单栏上，输入x: 10.4，y:-25.9，z:0；按Dx: 0.4、dy: 25和dz: 0 enter键退出。(c)建立矩形后，在快显性质视窗中选取Attribute标签，然后将名称修改为F_1。(d)在菜单栏上，单击“DrawRectangle”。(e)在右下角的坐标菜单栏上，输入x: 10.4，y:-25.9，z:0；按Dx: 1、dy:-9.1和dz: 0 enter键退出。(F)创建矩形后，在弹出的“属性”(Property)窗口中选择属性标记，将名称修改为F_2。(g)在菜单栏上，单击EditSelectBy Name，然后使用Ctrl键从弹出窗口中选择F_1和F_2。(h)在菜单栏上，单击“3D ModelerBooleanUnit”，双击“录制任务”树中新合并的模型F_1，然后在“属性”窗格中将其命名为Feedline_1。(8)建立Feedline_2同样，Feedline_2和Feedline_1沿x轴对称，因此也可以通过镜像复制操作创建。(a)单击菜单栏上的EditSelectBy Name，然后从弹出窗口中选择Feedline_1。(b)在菜单栏上，单击EditDuplicateMirror，然后输入矢量，例如x: 0、y: 0、z: 0。按Dx: 0、dy: 1和dz: 0 enter键结束输入。(c)双击历史记录树中新创建的馈线，然后在“特性”窗格中将其重命名为Feedline_2。(9) Ring_1、Ring_2、Ring_3、Feedline_1和Feedline_2的组合(a)单击菜单栏上的EditSelectBy Name，然后在弹出窗口中使用Ctrl键选择Ring_1、Ring_2、Ring_3、Feedline_1和Feedline_2(b)在菜单栏上，单击“3D ModelerBooleanUnit”。(c)在历史记录任务树中，双击新合并的模型，然后在“特性”窗格中将其命名为Trace。5.建立连接埠微带过滤器使用“设置端口总数激发”(set total port excitation)，因此必须首先为馈线和底部连接的端口设置创建矩形。(1)建立port_1(a)在菜单栏上，单击“3D ModelerGrid PlaneXZ”。(b)在菜单栏上，单击“DrawRectangle”，然后在坐标输入栏上输入以下坐标：x: 10.4、y:-35、z:0；按Dx: 1、dy: 0和dz:-1.27 enter键结束输入。(c)命名为port_1。(d)在菜单栏上，单击EditSelectBy Name。在弹出窗口中，选择port_1。(e)在菜单栏上，单击hfssexcitationsassignLumped Port，在Lumped Port窗口的General选项卡上，将端口命名为P1，然后单击Next。(f)在“Modes”选项卡的“Integration Line”下，单击“None”，选择“New Linex: 10.9、y:-35、z:-1.27；按Dx: 0、dy: 0和dz: 1.27 enter键结束输入。单击“下一步”直到结束。(2)创建port_2(a)在菜单栏上，单击edit objectsselectname，然后从弹出窗口中选择Port_1。Port_2和port_1也在x轴上对称，因此可以创建为镜像副本。(b)在菜单栏上，单击EditDuplicateMirror，然后键入X:0、Y:0、Z:0。DX:0、dY:1、dZ:0。按Enter键退出。(c)双击历史记录中新创建的端口，然后在特性窗口中将其重命名为port_2。由于在项目设置的第一阶段设置了边界复制选项，因此复制创建port_2后，在端口上设置的激励也将被复制。6.建立Air(a)在菜单栏上，单击“DrawBox”，或单击工具栏上的按钮。(b)在右下角的坐标输入栏中，输入长方体起始位置的坐标。也就是说，按x:-70、y:-90和z:-50 enter键结束输入。(c)在框中输入x、y、z三向尺寸：dx: 140、dy: 180和dz: 100，然后按enter键结束输入。(d)在“属性”窗格中，选择Attribute标记，然后将该框的名称修改为Air。7.设定边界条件边界条件包括理想的金属边界条件你和辐射边界条件。过滤器的导向部分、介质基板下的地板底部应设置为理想的金属边界。径向边界设定为切割解析区域。(1)设定理想的金属边界条件。(a)在菜单栏上，单击EditSelectBy Name，然后从弹出窗口中选择Trace。(b)在菜单栏上，单击HFSSBoundariesAssignPerfect E。在弹出对话框中，将其命名为Perf_Trace，然后单击OK按钮。(c)在菜单栏上，单击EditSele