试验一交叉耦合滤波器设计与仿真

1、实验一交叉耦合滤波器设计与仿真一、实验目的.设计一个交叉耦合滤波器.查看并分析该交叉耦合滤波器的S参数二、实验设备装有HFSS 13.0软件的笔记本电脑一台三、实验原理具有带外有限传输零点的滤波器，常常采用谐振腔多耦合的形式实现。这种形式的特点 是在谐振腔级联的基础上，非相邻腔之间可以相互耦合即“交叉耦合”，甚至可以采用源与 负载也向多腔耦合，以及源与负载之间的耦合。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，el表示激励电压源，R1、R2分别为电源内阻和负载电阻，ik(k=1,2,3，,N) 表示各谐振腔的回路电流， Mij 表示第 i 个谐振腔与第 k 个谐振腔之间的互耦合

2、系数 (i,j=1,2,N,且iWj)。在这里取3 0=1,即各谐振回路的电感L和电容C均取单位值。Mkk (k=1,2,3，,N)表示各谐振腔的自耦合系数。n 腔交叉耦合带通滤波器等效电路如下图所示:MMMM1,NeR2这个电路的回路方程可以写为e1-R + sjM12jM13jM1,N -1jM 一 1Ni10jM12sjM 23jM2,N-1jM2N120二MjM 23sjM3,N-1jM 3 3 ni30jM1, N -1jM2,N-1jM3,N-1sjMN -1, NiN -10 _LjM 1NjM2NjM3NjMN-1,NS + R2iN或者写成矩阵方程的形式：E = ZI = (

3、sU0 + M +R)11其中，S = j 3 +- j3一般来讲，频率都归一成1，即33 0=1，则jMij其中E为电压矩阵，I为电流矩阵，Z为阻抗矩阵,Z = sUo + jM0 +RU0是NXN阶单位矩阵。M是耦合矩阵，它是一个NXN阶方阵，形式如下:一 0MMMM12131,N -11NM0MMM12232,N -12NMM0MMM=.1323:3,N -13NMMM0M1, N 12, N -13,N -1N -1,NMMMM01N2N3NN -1,N其中对角线上的元素代表每一个谐振腔回路的自耦合，表示每一个谐振腔的谐振频率 fi与中心频率f0之间的偏差。(在同步调谐滤波器中，认为它

4、们的值都取零)。R矩阵是NX N阶方阵，除R(1,1)=R1, R (N,N)=R2为非零量以外，其它元素值都等于零。那么，这个电路 的传输函数可以写为S（S21 展2. RR = 12D（cof Z ）（Z ）其中，D(cofZ1N)表示Z矩阵第一行、第N列元素的代数余子式，D(Z)表示Z矩阵的行列 式。相应地,通带增益频响特性为=4Rr R D （cof Z ） 2 12-7-1N-D （Z ）取n =3,可得3X3阶耦合矩阵M：-0.307641.282050.435231.28205-0.213091.28205_0.435231.282050.307643阶椭圆函数滤波器的低通增益函

5、数修正为：O =1+ 鼠)其中上述方法中的等波纹系数也必须进行修正，修正方法有下列两种：取Fn导数为零的点，得到(一1, 1)内各点的最大值a有:88 = -0a a(2)令标准椭圆函数与修正后的椭圆函数在边带上的衰减相等,从而求得修正后的纹波系数：,T 1 1 8V k 33 o1 1 z s四、实验内容设计一个交叉耦合滤波器,其指标要求如下：中心频率：910MHz带宽：40MHz带内反射：20dB此滤波器通过三腔微带结构(环形谐振器)实现。选用介质板的相对介电常数为8=1.8, 厚度为h=1.27mm。腔体为半波长方腔结构，腔间耦合程度通过腔间距离来控制，使得滤波 器谐振频率在910MHz

6、。最终获得反射系数和参数系数曲线的仿真结果。五、实验步骤.建立新工程了方便建立模型，在 ToolOptionsHFSS Options 中讲 Duplicate Boundaries with geometry 复选框选中。.将求解类型设置为激励求解类型：(1)在菜单栏中点击HFSSSolution Type。(2)在弹出的Solution Type窗口中(a)选择 Driven Modal。(b)点击OK按钮。.设置模型单位(1)在菜单栏中点击3D ModelerUnits。(2)在设置单位窗口中选择：mm。.建立滤波器模型(1)首先建立介质基片(a)在菜单栏点击DrawBox,这样可以在3

7、D窗口中创建长方体模型。(切输入长方体的起始坐标：X： -20, Y： -35, Z： 0；按回车键结束输入。输入长方体X, Y, Z三个方向的尺寸，即dX： 40, dY： 70, dZ： -1.27；按回车键 结束输入。(d)在特性(Property)窗口中选择Attribute标签，将该名字修改为Substrate,透明度 (transparent)改为 0.85。(e)点击Material对应的按钮，在弹出的材料设置窗口中点击Add Material按钮，添加介 电常数为10.8的介质，将其命名为sub。点击OK结束。(2)建立 Ring_1(a)在菜单栏中点击DrawRectangl

8、e,创建矩形模型。(b)在坐标输入栏中输入起始点的坐标：X： 0, Y： 0, Z:0按回车键。(c)在坐标输入栏中输入长、宽：dX： 10, dY： -25, dZ： 0按回车键。(d)在特性(Property)窗口中选择Attribute标签，将该名字修改为Ring。(e)在菜单栏中点击DrawRectangle,创建矩形模型。在坐标输入栏中输入起始点的坐标：X： 1.4, Y： -1.4，Z： 0按回车键。(g)在坐标输入栏中输入长、宽：dX： 7.2，dY： -22.2，dZ： 0按回车键。(h)在特性(Property)窗口中选择Attribute标签，将该名字修改为Inner。同样

9、地，建立矩形Cut_1,输入的坐标为：X： 4，Y： -25，Z： 0，按回车键结束。dX： 2，dY： 1.4，dZ： 0，按回车键结束。(j)用Ring_1将Inner和Cut_1减去，使之成为一个开口的矩形环。在菜单栏中点击 EditSelectBy Name,在弹出的窗口 中利用 Ctrl 键选择 Ring_1、Inner 和 Cut_1。(k)在菜单栏中点击ModelerBooleanSubtract,在 Subtract窗口中作如下设置：Blank Parts :Ring_1Tool Parts : Inner,Cut_1Clone tool objects before subt

10、ract 复选框不选，点击 OK 结束设置。(3)移动 Ring_1(a)将Ring_1沿Y轴作微小的移动。在菜单栏中点击EditSelectBy Name,在弹出的窗 口中选择Ring_1。(b)在菜单栏中点击EditArrangeMove,在坐标输入栏中输入移动的向量。X：0，Y：0，Z：0dX： 0，dY： -0.9，dZ： 0，按回车键结束输入。(4)创建 Ring_2(a)Ring_2与Ring_1沿X轴对称，因此可以用对称复制操作创建Ring_2。在菜单栏中 点击EditSelectBy Name，在弹出的窗口中选择Ring_1。(b)在菜单栏中点击EditDuplicateMir

11、ror,输入向量。X：0，Y：0，Z：0；dX： 0，dY： 1，dZ： 0，按回车键结束。(c)在操作历史树中双击新建的矩形，在特性窗口中重新将其命名为Ring_2。(5)创建 Ring_3(a)在菜单栏中点击DrawRectangle。(b)在右下角的坐标输入起始点坐标，即X： 0，Y： -12.5, Z： 0按回车键结束输入。9)输入矩形边长，即dX： -10，dY： 25，dZ： 0按回车键结束输入。(d)在特性(Property)窗口中选择Attribute标签，将该矩形的名字修改为Ring_3。(e)在菜单栏中点击DrawRectangle。在右下角的坐标输入栏中输入起始点位置坐标

12、，即X： -1.4, Y： -11.1, Z： 0按回车 键结束输入。输入矩形边长dX： -7.2, dY： -22.2, Z： 0按回车键结束输入。(h)在特性(Property)窗口中选择Attribute标签，将该矩形的名字修改为Inner_2。同样的，建立矩形Cut_2,输入的坐标分别为X： 0, Y： -0.7, Z： 0； dX： -1.4, dY： 1.4, dZ： 0按回车键结束输入。(j)在菜单键栏中点击EditSelectBy Name,在弹出的窗口中利用Ctrl键选择Ring_3、 Inner_2 和 Cut_2。位)用Ring_3将Inner_2和Cut_2减去，使之成

13、为一个开口的矩形环。在菜单栏中点击 3D ModelerBooleanSubtract,在 Subtract 窗口中做以下设置：Blank Parts：Ring_3Tool Parts：Inner_2,Cut_2Clone tool objects before subtract 复选框不选；点击 OK 按钮。(6)移动 Ring_3(a)在菜单栏中点击EditSelectBy Name,在弹出的窗口中选择Ring_3。(b)在菜单栏中点击EditArrangeMove，在坐标输入栏中输入移动的向量，即X： 0，Y： 0， Z：0；dX：-0.5， dY：0，dZ：0 按回车键结束输入。(7)

14、创建 Feedline创建滤波器的馈线结构，该馈线由特性阻抗不同的两段微带传输线组成。(a)在菜单栏中点击DrawRectangle。(b)在右下角的坐标输入栏中输入X： 10.4，Y： -25.9，Z： 0； dX： 0.4，dY： 25，dZ： 0按回车键结束。(c)创建矩形后，在弹出的特性(Property)窗口中选择Attribute标签，将名字修改为F_1。(d)在菜单栏中点击DrawRectangle。(e)在右下角的坐标输入栏中输入X： 10.4, Y： -25.9，Z： 0； dX： 1，dY： -9.1，dZ： 0 按回车键结束。创建矩形后,在弹出的特性(Property)窗

15、口中选择Attribute标签,将名字修改为F_2。(g)在菜单键栏中点击EditSelectBy Name,在弹出的窗口中利用Ctrl键选择F_1和F_2。(h)在菜单栏中点击3D ModelerBooleanUnit,在历史操作树中，双击新组合的模型F_1, 在特性窗口中将其命名为Feedline。(8)创建 Feedline_2同样的，Feedline_2与Feedline沿X轴对称，因此也可以通过对称复制操作来创建。(a)在菜单栏中点击EditSelectBy Name,弹出的窗口中选择Feedline。(b)在菜单栏中点击EditDuplicateMirror,输入向量，即 X： 0

16、, Y： 0, Z： 0； dX： 0, dY： 1, dZ： 0按回车键结束输入。(c)在操作历史树中双击新建的馈线，在特性窗口中将其重新命名为Feedline_2。(9)组合 Ring_1、Ring_2、Ring_3、Feedline_1 和 Feedline_2(a)在菜单键栏中点击EditSelectBy Name,在弹出的窗口中利用Ctrl键选择Ring_1、 Ring_2、Ring_3、Feedline_1 和 Feedline_2。(b)在菜单栏中点击 3D ModelerBooleanUnit。(c)在历史操作树中，双击新组合的模型，在特性窗口中将其命名为Trace。5.创建端

17、口微带滤波器采用集总端口激励，因此需要首先创建供设置端口用的矩形，该矩形连接了 馈线与地板。(1)创建 port_1(a)在菜单栏中点击 3D ModelerGrid PlaneXZ。(b)在菜单栏中点击DrawRectangle,在坐标输入栏中输入如下坐标：X： 10.4, Y： -35, Z： 0； dX： 1, dY： 0, dZ： -1.27按回车键结束输入。(c)将其命名为port_1。(d)在菜单栏中点击EditSelectBy Name。在弹出的窗口中选择port_1。(e)在菜单栏点击 HFSSExcitationsAssignLumped Port,在 Lumped Port

18、 窗口的 General 标签中，将该端口命名为p1,然后点击Next。在 Modes标签的Integration Line中点击None,选择New Line,在坐标栏中输入以 下坐标：X： 10.9, Y： -35, Z： -1.27； dX： 0, dY： 0, dZ： 1.27 按回车键结束输入。点击Next直至结束。(2)创建 port_2(a)在菜单栏中点击Edit ObjectsSelectBy Name,在弹出的窗口中选择Port_1。Port_2与 port_1也以X轴对称，因此可以利用对称复制创建。(b)在菜单栏中点击 EditDuplicateMirror,输入即 X:0

19、,Y:0,Z:0;dX:0,dY:1,dZ:0。按回车键 结束。(c)在操作历史书中双击新建的端口，在特性窗口中将其重新命名为port_2。由于在建立 工程的第一步就设置了复制边界选项，因此在复制创建port_2之后，端口上设置的激励也 一同复制了。.创建Air(a)在菜单栏中点击DrawBox或者在工具栏中点击按钮。(b)在右下角的坐标输入栏中输入长方体的起始位置坐标，即X： -70，Y： -90，Z： -50 按回车键结束输入。输入长方体的X、Y、Z三个方向的尺寸，即dX： 140，dY： 180，dZ： 100按回车 键结束输入。(d)在特性(Property)窗口中选择Attribut

20、e标签，将该长方体的名字修改为Air。.设置边界条件边界条件包括理想金属边界条件你和辐射边界条件。滤波器的导带部分、介质基片下底 面地板要设置为理想金属边界。设置辐射边界是为了截断求解区域。(1)设置理想金属边界条件。(a)在菜单栏中点击EditSelectBy Name,在弹出的窗口中选择Trace。(b)在菜单栏中点击HFSSBoundariesAssignPerfect E。在弹出的对话框中将其命名为 Perf_Trace，点击 OK 按钮。(c)在菜单栏中点击EditSelectFaces,这是应经将鼠标所选设置为选择模型的表面了。 然后点击By Name,选择Substrate，选择

21、其下地面，选择的时候在3D窗口中进行观察，确 保选择导下底面(即8)。(d)在菜单栏中点击HFSSBoundariesAssignPerfect E,在弹出的对话窗中将其命名为 Perf_Ground，点击 OK 按钮。(2)设置辐射边界条件(a)在菜单栏中点击HFSSBoundariesObject,然后点击By Name，选择Air。(b)在菜单栏中点击HFSSBoundariesAssignRadiation，在弹出的对话框中点击OK结 束。.为该问题设置求解频率及扫频范围(1)设置求解频率(a)在菜单栏中点击 HFSSAnalysis SetupAdd Solution Setup。(

22、b)在求解设置窗口中作如下设置：Solution Frequency： 910MHz； Maximum Numbers of Passes： 20； Maximum Delta S per Pass： 0.02；点击 OK 按钮。(2)设置扫频(a)在菜单栏中点击 HFSSAnalysis Setup Add Sweep。(b)选择 Setup1，点击 OK。(c)在扫频设置窗口中作如下设置:Sweep Type： Fast； Frequency Setup Type ： Linear Count； Start：700MHz；Stop：1100MHz；Count:501。(d)将Save Field复选框选中，点击OK按钮。.保存工程在菜单栏中点击FileSave As,在弹出