交叉耦合带通滤波器
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课程设计任务书
序进行装订上交（大张图纸不必装订）
2.可根据实际内容需要续表，但应保持原格式不变。
指导教师签名：日期：
前言 (1)
一、背景知识 (2)
1、滤波器的发展 (2)
2、微波滤波器的应用 (2)
3、交叉耦合滤波器提出与发展 (3)
二、交叉耦合带通滤波器设计原理 (4)
1、交叉耦合滤波器的设计思路 (4)
2、新型耦合开环结构 (5)
3、交叉耦合滤波器的设计 (6)
三、仿真步骤 (9)
1、建立新工程 (9)
2、设置求解类型 (9)
3. 设置模型单位 (10)
4、建立滤波器模型 (10)
5、创建端口 (19)
6、创建Air (20)
7、设置边界条件 (20)
8、为该问题设置求解频率及扫频范围 (22)
9、优化仿真 (23)
10、保存工程 (24)
11、后处理操作 (25)
四、设计总结 (25)
参考文献 (27)
前言
微波滤波器是微波系统中重要元件之一，它用来分离或者组合各种不同频率信号的重要元件。在微波中继通信、卫信通信、雷达技术、电子对抗及微波测量中，具有广泛的应用。?
众所周知，滤波器的设计在低频电路中是用集总参数元件（电感L和电容C）构成的谐振回路来实现。但当频率高达300Mhz以上时，低频下的集总参数的LC谐振回路已不再适用了。这一方面由于当回路的线性尺寸和电磁波的波长可以比拟时，辐射相当显着，谐振回路的品质因数大大下降，因而必须采用分布参数的微波滤波器。?任何一个微波系统都是由各种各样的微波器件、有源电路和传输线等组成的。微波元件种类很多。按传输线类型可分为波导式、同轴式和微带式等；按功能可分为连接元件、终端元件、匹配元件、衰减元件、相移元件、分路元件、波型变换元件、滤波元件等；按变换性质可分为互易元件、非互易元件和非线性元件等。
本文正是根据微波滤波器的特性设计一种微带交叉耦合带通滤波器，要求其小型化、频段规则性高、边缘陡峭，可用于小型化天线系统。
摘要：
交叉耦合滤波器具有高选择性、低插入损耗、宽阻带、高的带外截止特性等，已被广泛应用于现代微波通信系统中，本文拟采用高品质谐振腔交叉耦合的形式实现该带通滤波器，结构简单紧凑，通带陡度较高，适合小型化设计，性能较高的天线或雷达双工器等电路使用。
关键词：
交叉耦合滤波器、微带线、设计、HFSS
一、背景知识
1、滤波器的发展
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。我国广泛使用滤波器是50年代后期的事，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，但由于缺少专门研制机构，集成工艺和材料工业跟不上来，使得我国许多新型滤波器的研制应用与国际发展有一段距离。我国现有滤波器的种类和所覆盖的频率已基本上满足现有各种电信设备。从整体而言，我国有源滤波器发展比无源滤波器缓慢，尚未大量生产和应用。从下面的生产应用比例可以看出我国各类滤波器的应用情况：LC滤波器占50%；晶体滤波器占20%；机械滤波器占15%；陶瓷和声表面滤波器各占1%；其余各类滤波器共占13%。从这些应用比例来看，我国电子产品要想实现大规模集成，滤波器集成化仍然是个重要课题。随着电子工业的发展，对滤波器的性能要求越来越高，功能也越来越多，并且要求它们向集成方向发展。我国滤波器研制和生产与上述要求相差甚远，为缩短这个差距，电子工程和科技人员负有重大的历史责任。
2、微波滤波器的应用
微波滤波器，它的基础是谐振电路，只要能构成谐振的电路组合就可以实现滤波器功能。微波滤波器利用集总参数即各种射频/微波传输线形成的谐振器，理论上滤波器是无耗元件。由于微波的特殊性,?微波电路所采用的元件在结构上和普通电路所用的元件是截然不同的。元件结构上的这种差异引起了微波滤波器的特殊性,?当然作为滤波器,?它和其他滤波器具有许多共性。?
微波滤波器的指标形象的描述了微波滤波器的频率响应特性。其指标有：工作频率；擦损带宽；带内纹波；带外抑制；承受功率；插入相移和时延频率特性。微波滤波器搭建起来很简单，但理解起来比较复杂。它们在系统中完成一个基本的功能：阻止某些信号，通过其它信号。但可以用许多不同的方式实现这种功能，而且有许多不同的副作用，例如系统幅度和相位响应失真等。
现代微波通信系统，特别是在卫星或是移动通信系统中需要高性能的窄带滤波器，要求它们具有低的插入损耗，好的频率选择性以及在通带内的线性相位特性等。现代滤波器一般通过两种结构形式来实现;一种是单通路的直接耦合结
构滤波器;另一种是多通路的交叉耦合结构滤波器。在传统的切比雪夫函数基础上衍生出来的广义切比雪夫滤波函数都可以用来综合这两种滤波器。
选择性高、低插入损耗的小型化微波带通滤波器的研制一直受人瞩目。由于其非常好的滤波器特性而被广泛应用于卫星、雷达等微波通信系统中。传统的微带发夹谐振器滤波器的寄生通带都在N*f处（f为通带中心频率，N为1，2，3…），因此在通带和第一寄生通带之间的阻带特性很差。正因如此，它的应用才越来越受到限制，已不能很好的满足现代通信系统的发展要求。现代通信不仅要求高选择性，电路的小型化也至关重要。于是，人们引进了交叉耦合技术来提高滤波器的特性，进而减小其尺寸。交叉耦合滤波器的传输零点在通带附近，而不是在无穷远处，所以可以用更少的谐振器来实现高的截止特性和宽阻带特性。其结构更加紧凑，尺寸也小于传统的滤波器。由于交叉耦合滤波器的高选择性、低插入损耗、宽阻带、高的带外截止特性等，它已被广泛应用于现代微波通信系统中。
3、交叉耦合滤波器提出与发展
上世纪70年代Atia和William采用双模高Q值波导结构设计具有椭圆函数响应的时延均衡滤波器波导滤波器，使这种设计方法最终成为设计卫星转发器滤波器(多工器)的设计标准。1980年和1982年Cameron在网络滤波函数方面做出很大贡献，他在原来切比雪夫函数的基础上推广广义切比雪夫函数，使广义切比雪夫函数大量的应用到交叉耦合多路滤波网络的综合当中。在1998年Atia提出(analytical grandient-based optimization technique)电路优化技术，这是与耦合矩阵的相似变换效果相同的技术，通过设计合适的代价函数，经过有限次优化过程，可以将不需要的耦合矩阵元素优化为零，从而得到可实现的电路网络的耦合矩阵，随后S.Amari利用这种技术做了大量的实际工作。
二、交叉耦合带通滤波器设计原理
1、交叉耦合滤波器的设计思路
在微波设计综合的过程中一般分为4个阶段:
(1) 给定指标要求对于一个二端口滤波器网络有:截止频率、通带损耗、阻带边频、阻带衰减以及输入输出阻抗等主要技术指标。
(2)选定逼近函数设计滤波器要选定其低通原型滤波器，常用的包括巴特沃斯函数、切比雪夫函数、椭圆函数和高斯多项式，根据选定的逼近函数确定谐振腔的数目。
(3)确定系统结构选定了微波滤波器的类型，通过计算或查图表可得出系统的尺寸、参数和拓扑结构，确定网络结构图或电路图。
(4)微波仿真实现通过微波设计软件进行仿真设计得到结论验证设计，根据结果验证是否满足给定指标要求，进行分析误差，最后工艺实现。
2、新型耦合开环结构
下面是一种基于交叉耦合与传输零点理论的耦合器并将给出一种新型耦合开环结构，如图1所示。图2所示为滤波器的结构，代表各环之间的距离；图3为电场耦合单元；图4为磁场耦合单元；图5为交叉耦合单元。
现在导出一组简便的的数学推导公式，
将大大简化交叉耦合结构滤波器的设计过图 1：凹槽式耦合环图 图 2 ：凹槽结构交叉耦合带通滤波器图
图 3：电场耦合单元 图 4：磁场耦合单元
图 5：交叉耦合单元
程，得到各个环之间的间距，其中当=－20 dB时有:
实际的设计过程中，设计参数Q值和耦合系数
3、交叉耦合滤波器的设计
本文采用三腔微带环形谐振器实现一个交叉耦合滤波器。
( 1) 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来实现。这种形式的特点是在谐振腔级联的基础上，非相邻腔之间可以用相互耦合即“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。
n 腔交叉耦合带通滤波器等效电路如下图所示:
图6：n 腔交叉耦合带通滤波器
取n =3，可得3 ×3 阶耦合矩阵M:
图7：n腔交叉耦合滤波器等效电路图
( 2) 修正椭圆函数
3 阶椭圆函数滤波器的低通增益函数修正为
其中
其中的等波纹系数也必须进行修正:
取ω导数为零的点，得到(－1，1)内各点的最大值α，有
( 3) 元件的微波实现
利用HFSS软件设计此交叉耦合环形滤波器，微带线介质参数为10．8/1．27。腔体为半波长方腔结构，通过磁耦合和交叉耦合构成，腔间耦合程度通过腔间距离来控制，通过馈线位置、合适的边界条件以及腔体尺寸距离调节，使得滤波器谐振频率为2.4GHz 左右，带宽100MHz，满足设计要求。
三、仿真步骤
1、建立新工程
为了方便建立模型，在Tool>Options>HFSS Options中讲Duplicate Boundaries with geometry复选框选中，这样可以使得在复制模型的是，所设置的边界也一同复制。
图8：建立新工程
2、设置求解类型
将求解类型设置为激励求解类型：
（1）在菜单栏中点击HFSS>Solution Type。
（2）在弹出的Solution Type窗口中
(a)选择Driven Modal。
(b)点击OK按钮。
图9：设置求解类型
3. 设置模型单位
（1）在菜单栏中点击3D Modeler>Units。
（2）在设置单位窗口中选择：mm。
图10：设置模型单位
4、建立滤波器模型
（1）首先建立介质基片
(a)在菜单栏点击Draw>Box,这样可以在3D窗口中创建长方体模型。
(b)输入长方体的起始坐标：X：-20，Y：-35，Z：0；按回车键结束输入。
(c)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。
(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。
图11：创建长方体模型
图12
图13：添加介质
（2）建立Ring_1
(a)在菜单栏中点击Draw>Rectangle，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：-l，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_1。
图14：创建矩形模
(e)在菜单栏中点击Draw>Rectangle,创建矩形模型。
(f)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：-(l-2.8)，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。
图15
(i)同样地，建立矩形Cut_1，输入的坐标为：X：(10-l2)/2，Y：-l，Z：0；dX：l2，dY：1.4，dZ：0.按回车键结束。
图16：创建矩形Cut_1
(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Edit>Select>By 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3D Modeler>Boolean>Subtract,在Subtract窗口中作如下设置：Blank Parts :Ring_1, Tool Parts : Inner,Cut_1；Clone tool objects before subtract 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Edit>Select>By Name,在弹出的窗口中选择Ring_1。
(b)在菜单栏中点击Edit>Arrange>Move,在坐标输入栏中输入移动的向量，即X：0，Y：0，Z：0；dX：0，dY：-0.9，dZ：0按回车键结束输入。
图17：移动Ring_1
（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Edit>Select>By Name，在弹出的窗口中选择Ring_1。
(b)在菜单栏中点击Edit>Duplicate>Mirror，输入向量，即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。
图18：创建Ring_2
（5）创建Ring_3
(a)在菜单栏中点击Draw>Rectangle。
(b)在右下角的坐标输入起始点坐标，即X：0，Y：l/2，Z：0按回车键结束输入。
(c)输入矩形边长，即dX：-10，dY：-l，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Draw>Rectangle。
(f)在右下角的坐标输入栏中输入起始点位置坐标，即X：-1.4，Y：-(l-2.8)/2，Z：0按回车键结束输入。
(g)输入矩形边长dX：-7.2，dY：l-2.8，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。
(i)同样的，建立矩形Cut_2,输入的坐标分别为X：-1.4，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Edit>Select>By Name,在弹出的窗口中利用Ctrl键选择Ring_3、Inner_2和Cut_2。
(k)用Ring_3将Inner_2和Cut_2减去，使之成为一个开口的矩形环。在菜单栏中点击3D Modeler>Boolean>Subtract,在Subtract窗口中做以下设置：
Blank Parts：Ring_3;Tool Parts：Inner_2,Cut_2;Clone tool objects before subtract 复选框不选；点击OK按钮。
图19：输入起始点位置坐标
图20：矩形环
（6）移动Ring_3
移动Ring_3，使之与Ring_1和Ring_2有0.5mm的缝隙。
(a)在菜单栏中点击Edit>Select>By Name，在弹出的窗口中选择Ring_3。
(b)在菜单栏中点击Edit>Arrange>Move，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）创建Feedline_1
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Draw>Rectangle。
(b)在右下角的坐标输入栏中输入X：10.4，Y：-0.87，Z：0；dX：0.4，dY：-l，
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Draw>Rectangle。
(e)在右下角的坐标输入栏中输入X：10.4，Y：-35，Z：0；dX：0.98，dY：34.1-l，dZ：0按回车键结束。
(f)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_2。
(g)在菜单键栏中点击Edit>Select>By 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 Modeler>Boolean>Unit,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_1。
图21：输入起始点位置坐标
图22：历史操作树
（8）创建Feedline_2
同样的，Feedline_2与Feedline_1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Edit>Select>By Name,弹出的窗口中选择Feedline_1。
(b）在菜单栏中点击Edit>Duplicate>Mirror，输入向量，即X：0，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。
图22：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Edit>Select>By 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 Modeler>Boolean>Unit。
(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。
图23：历史操作树
5、创建端口
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 Modeler>Grid Plane>XZ。
(b)在菜单栏中点击Draw>Rectangle，在坐标输入栏中输入如下坐标：X：10.4，Y：-35，Z：0；dX：1.101，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Edit>Select>By Name。在弹出的窗口中选择port_1。
(e)在菜单栏点击HFSS>Excitations>Assign>Lumped Port,在Lumped Port窗口的General标签中，将该端口命名为P1，然后点击Next。
(f)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：10.4，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>Select>By 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Edit>Duplicate>Mirror,输入即X:0,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。
图24
6、创建Air
(a)在菜单栏中点击Draw>Box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。
(c)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Attribute标签，将该长方体的名字修改为Air。
图25：滤波器模型图
7、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Edit>Select>By Name,在弹出的窗口中选择Trace。
(b)在菜单栏中点击HFSS>Boundaries>Assign>Perfect 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Edit>Select>Faces,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。
(d)在菜单栏中点击HFSS>Boundaries>Assign>Perfect E,在弹出的对话窗中将其命名为Perf_Ground，点击OK按钮。
图26：设置理想金属边界条件
(2)设置辐射边界条件
(a)在菜单栏中点击HFSS>Boundaries>Object,然后点击By Name ，选择Air。
(b)在菜单栏中点击HFSS>Boundaries>Assign>Radiation ,在弹出的对话框中点击OK结束。
图27：设置辐射边界条件
8、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HFSS>Analysis Setup>Add Solution Setup。
(b)在求解设置窗口中作如下设置：Solution Frequency：2.4GHz；Maximum
Numbers of Passes：6；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HFSS>Analysis 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：2GHz；Stop：2.8GMHz；Count:501。
(d)将Save Field复选框选中，点击OK按钮。
图28：设置求解频率
9、优化仿真
经过计算，影响中心频率和带宽的决定因素是矩形的长度，所以在优化方案中，对变量l进行优化
图29：频率特性
从图中可以看出，l在5mm~6mm两条曲线较接近设计要求，在这个范围内再进行优化仿真。
图30 ：优化仿真1
由优化结果曲线可以看出，l在5.4mm~5.5mm两条曲线较接近设计要求，在这个范围内再进行优化仿真。
图31：优化仿真2
最后将l设定为5.485mm，进行仿真。
图32：优化仿真3
（插入损耗）在2.35GHz到2.45GHz的频率范围内衰减小于3dB，2.35GHz左侧衰减不是很理想，较缓慢，2.45GHz右侧衰减非常快，效果很理想，总体看衰减基本大于10dB，符合设计要求。
（回波损耗）在2.39GHz到2.44GHz的频率范围内衰减大于-10dB，效果不是很理想，其他范围内，衰减小于-10dB，效果可以。
10、保存工程
在菜单栏中点击File>Save As，在弹出的窗口中将该工程的命名为hfss_3couple，并选择路径保存。
11、后处理操作
在仿真计算结束后，查看滤波器的S参数。
(1)点击菜单栏HFSS>Result>Create Report。
(2)在创建报告窗口中做以下设置：Report Type：Modal S Parameters；Display Type：Rectangle。点击OK按钮。
(3)在Trace窗口中作如下设置：Solution：Setup1：Sweep1；Domain : Sweep点击Y标签，选择：Category：S parameter；Quantity：S(p1，p1)、S（p2，p1）；Function：dB，然后点击Add Trace。最后点击Done按钮完成设置。
图33：查看滤波器的参数
四、设计总结
本次课程设计我们设计了一种耦合带通滤波器，分析了该带通滤波器的工作原理，并给出了耦合环结构的结构参数与耦合系数的对应曲线。总的来说这次的课程设计还是有许多的困难，首先是软件的学习，短时间内学会HFSS软件的简单使用对我们来说是一个很大的挑战；其次没有具体的经验公式，靠自己查资料，摸索，仿真，最终得出结果；还有就是一次次的仿真，一次次的改正、优化最终基本达到要求。但是设计中仍存在一些瑕疵，比如插入损耗2.35GHz左侧衰减不是很理想，回波损耗在2.39GHz到2.44GHz的频率范围内效果不是很好，以及扫频点数不是很多等。
通过这次的课程设计，我进一步加深了对微波滤波器的认识，同时也认识到自己的不足，相信在以后的学习中我回更加努力，提高自己，完善自我。我会合理的利用HFSS，做出更加精确、完美的设计。
参考文献
［1］王蒙．切比雪夫低通滤波器型阻抗匹配网络设计［J］．泰山学院学报，2010( 3) ［2］雷振亚．射频微波导论［M］．西安: 西安电子科技大学出版社，2005．
［3］姬五胜，彭清斌．微波滤波器小型化设计［J］．科学技术与工程，2009( 8) ［4］李明祥 HFSS天线设计
［5］李春宇基于LTCC技术的微波滤波器设计西安电子科技大学
网址
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