1800MHz同轴谐振微波介质滤波器的结构设计及其仿真
2024版ADS设计实验教程微波滤波器的设计制作与调试
•引言•微波滤波器基本原理•ADS 软件在微波滤波器设计中的应用•微波滤波器制作工艺流程•调试技巧与常见问题解决方案•实验案例分析与讨论•总结与展望目录01引言微波滤波器概述微波滤波器是一种用于控制微波频率响应的二端口网络，广泛应用于无线通信、雷达、卫星通信等领域。
微波滤波器的主要功能是允许特定频率范围内的信号通过，同时抑制其他频率范围的信号，从而实现信号的选频和滤波。
微波滤波器的性能指标包括插入损耗、带宽、带内波动、带外抑制等，这些指标直接影响着通信系统的性能。
设计制作与调试重要性设计是微波滤波器制作的首要环节，良好的设计能够确保滤波器的性能指标满足系统要求。
制作是将设计转化为实物的过程，制作精度和质量直接影响着滤波器的最终性能。
调试是对制作完成的滤波器进行性能调整和优化，使其达到最佳工作状态的过程。
本教程旨在介绍微波滤波器的设计、制作与调试过程，帮助读者掌握相关知识和技能。
教程内容包括微波滤波器的基本原理、设计方法、制作流程和调试技巧等。
通过本教程的学习，读者将能够独立完成微波滤波器的设计、制作与调试，为实际工程应用打下基础。
教程目的和内容02微波滤波器基本原理低通滤波器高通滤波器带通滤波器带阻滤波器微波滤波器分类工作原理及性能指标工作原理性能指标常见类型微波滤波器特点集总参数滤波器分布参数滤波器陶瓷滤波器晶体滤波器03ADS软件在微波滤波器设计中的应用ADS软件简介及功能模块ADS（Advanced Design System）是一款领先的电子设计自动化软件，广泛应用于微波、射频和高速数字电路的设计、仿真与优化。
ADS软件包含多个功能模块，如原理图设计、版图设计、电磁仿真、系统级仿真等，可满足不同设计阶段的需求。
ADS软件支持多种微波滤波器类型的设计，如低通、高通、带通、带阻等，具有强大的设计能力和灵活性。
微波滤波器设计流程确定滤波器类型和性能指标根据实际需求选择合适的滤波器类型，并确定滤波器的性能指标，如中心频率、带宽、插入损耗、带外抑制等。
基于HFSS的微波带阻滤波器设计
基于HFSS的微波带阻滤波器设计引言：微波带阻滤波器是一种能够阻止特定频段信号传输的电路器件，在无线通信和雷达系统中具有广泛的应用。
本文将基于HFSS软件来设计一种微波带阻滤波器。
设计目标：设计一个具有中心频率为2GHz，带宽为500MHz的微波带阻滤波器，并实现较好的阻带衰减。
设计步骤：1. 确定滤波器类型：根据设计要求，我们选择了以理想带阻类型为参考，具体选择了Cauer型带阻滤波器。
2.选择滤波器结构：根据设计要求，我们选择了巴特沃斯微带滤波器结构，它具有简单的结构和相对较好的性能。
3.确定滤波器的阻带和通带：根据设计要求，我们确定了滤波器的上下阻带频率和通带频率。
4.开始HFSS软件设计：根据以上设计目标和步骤，我们打开HFSS软件，并进行以下设计：a)创建一个适当大小的板材作为基底。
b)选择适当的介质材料，以获得所需的介电常数。
c)绘制微带线结构和抗地面。
d)添加滤波器元件，例如阻抗转换器和耦合缝隙等，以实现所需的滤波特性。
e)对设计进行模拟和优化，以获得最佳性能。
5.导出设计文件：优化完成后，将设计导出为标准格式的文件，以便进行后续的制作和测试。
6.制作和测试：根据导出的设计文件，制作实际的滤波器电路，并使用合适的测试设备进行性能测试。
结论：本文介绍了基于HFSS软件的微波带阻滤波器的设计流程。
通过HFSS 的模拟和优化功能，我们能够快速设计出符合要求的滤波器电路，并能够预测其性能。
通过实际制作和测试，我们可以验证设计结果，并对其进行修正和改进。
微波带阻滤波器的设计是一个复杂的过程，需要对电磁场和滤波器原理有一定的理解和经验。
然而，使用HFSS等仿真软件可以大大简化设计过程，并提高设计效率和准确性。
一种新型结构微波介质滤波器的设计及仿真
ＬＩＡＮＧ Ｆｅｉ，ＬＵ Ｗ ｅｎ－ｚｈｏｎｇ ，ＺＨｏＵ Ｄｏｎｇ－ｘｉａｎｇ ，ＺＨＵ Ｊｉａｎ－ｈｕａ
（Ｔｈｅ Ｄｅｐｔ． ｏｆ Ｅｌｅｃｔｒｏｎｉｃｓ Ｓｃｉｅｎｃｅ ａｎｄ Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ ，Ｈｕａｚｈｏｎｇ Ｕ ｎｉｖｅｒｓｉｔｙ ｏｆ Ｓｃ ｉｅｎｃｅ ａｎｄ Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ，Ｗ ｕｈａｎ ４３００７４，Ｃｈｉｎａ） Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｔｈｉｓ ｐａｐｅｒ ｄｅｓｃｒｉｂｅｄ ａ ｄｅｓｉｇｎｉｎｇ ｍ ｅｔｈｏｄ ｏｆ ａ ｎｅｗ ｓｔｒｕｃｔｕｒｅ ｍ ｉｃｒｏｗ ａｖｅ ｄｉｅｌｅｃｔｒｉｃ ｆｉｌｔｅｒ． Ｔ ｈｅ ｒｅｌａｔｉｏｎ ｏｆ
互 耦合 ，各 谐振 器 间 的耦 合 及 滤 波 器 与 外 电 路 的耦 合 以电容 耦合 为 主 。整个滤 波 器放 置在 双面 敷铜 的 聚 四氟 乙烯微 带基 板 上 ，并 采 用金属 外 壳加 以 固定 。 微波 信 号 通 过 微 带 传 输 线 输 入 输 出 。在 微 波 频 段 下 ，微波 介质 滤波 器 的等效 电路 图如 图 ２所 示 。
ｔｈｅ ｃｏｕｐｌｉｎｇ ｓｔｒｕｃｔｕｒｅ ａｎｄ ｒｅｓｏｎａｔｉｎｇ ｓｔｒｕｃｔｕｒｅ ｉｎ ｔｈｅ ｆｉｌｔｅｒ ｗａｓ ａｎａｌｙｚｅｄ ，ｔｈｅ ｓｔｒｕｃｔｕｒｅ ｐａｒａｍ ｅｔｅｒｓ ｃｏｍ ｐｕｔｅｄ ｂｙ ｔｈｅ ｍｉｃｒｏｗａｖｅ ｎｅｔ ｔｈｅｏｒｙ ｗｅｒｅ ｓｉｍ ｕｌａｔｅｄ ａｎｄ ｏｐｔｉｍｉｚｅｄ ｂｙ ａｄｖａｎｃｅｄ ＥＤＡ ｔｏｏｌ（ＨＦＳＳ）ａｎｄ ａ ｉｄｅａｌ ｒｅｓｕｌｔ ｃｏｕｌｄ ｂｅ ａｃ— ｑｕｉｒｅｄ．Ａｃｃｏｒｄｉｎｇ ｔＯ ｔｈｅ ｓｉｍｕｌａｔｅｄ ａｎｄ ｏｐｔｉｍｉｚｅｄ ｒｅｓｕｌｔｓ ，ｔｈｅ ｍ ｉｃｒｏｗａｖｅ ｄｉｅｌｅｃｔｒｉｃ ｆｉｌｔｅｒｓ ｗｅｒｅ ｆａｂｒｉｃａｔｅｄ ａｎｄ ｔｈｅｉｒ ｆｉｎａｌ ｐｒｏｐｅｒｔｉｅｓ ｗａｓ ｃｏｎｓｉｓｔｅｎｔ ｗ ｉｔｈ ｔｈｅ ｄｅｓｉｇｎｉｎｇ ｒｅｑｕｅｓｔ．
微波谐振腔特性参数的计算和仿真
毕业论文二0一一年六月微波谐振腔特性参数的计算和仿真专业班级：通信工程3班姓名：指导教师：摘要微波谐振腔其内部的电磁场分布在空间三个坐标方向上都将受到限制,均成驻波分布.微波谐振腔在微波电路中起着与低频LC振荡回路相同的作用,是一种具有储能和选频特性的谐振器件.这次主要研究矩形谐振腔和圆柱体谐振腔的特性参数的计算和仿真.计算时用VC++中的MFC编写一个小界面计算工具，当输入变量参数时，类似计算器形式直接输出计算结果，仿真所用软件为HFSS，对矩形谐振腔和圆柱谐振腔进行仿真，输入变量得出仿真结果并与上述结算结果进行比较。
本文首先介绍了微波谐振腔的发展及前景和理论基础知识和MFC,Hfss等软件.然后分别进行了:1.对金属谐振腔中特性参数的特性及计算方式进行深入探讨，学习其基本特性与基本分析方法。
2.矩形谐振腔和圆柱谐振腔特性参数的计算在小界面计算方式方式下表示，并举例输入变量得出计算结果。
3.用Hfss微波技术仿真软件对矩形谐振腔和圆柱谐振腔仿真,与之前的结果进行比较。
4.在小界面计算工具在输入不同尺寸，内部填充不同材料，以及用铜，铁，铝等材料作为谐振腔表面材料等多种情况下计算，得出不同结果，并用仿真软件对矩形及圆柱谐振腔仿真，两组数据比较并得出结果。
本文主要研究金属谐振腔中矩形谐振腔及圆柱谐振腔特性参数的特性及计算方法，对其特性参数的特点，计算方式进行深入研究，然后运用编程软件对其编程，得到一个便捷的计算工具，并对矩形及圆柱谐振腔仿真，计算结果与仿真结果比较来判别计算工具的实用性与便捷性。
关键词：金属谐振腔，特性参数，MFC，小界面，Hfss，仿真AbstractMicrowave resonant cavity of internal electromagnetic field distribution in space three coordinate direction will be limited, all into standing wave distribution. Microwave resonator in microwave circuits plays and low frequency oscillation loop of the same role LC, is one kind has the energy storage and choose the resonance frequency characteristics of the device. The main research rectangular resonant cavity and cylinder of resonance cavity characteristic parameters of the calculation and simulation calculation with vc + +. When the MFC write a small interface calculation tool, when the input variable parameter, similar calculator form output calculation result directly, and the simulation software for HFSS, used for rectangular resonant cavity and cylindrical a rectangular resonant cavity simulation, the input variables that the simulation results and the results were compared with the settlement. This paper first introduces the development of microwave resonator and prospects and theoretical knowledge and MFC, Hfss and software. And then, the:1. To metal in a resonant cavity characteristic parameters of the characteristics and calculation way further discusses the basic characteristics and learning basic analysis method.2. Rectangular resonant cavity and cylindrical resonator parameters calculation in small interface calculated method, and an example is said that the calculation results input variables.3. With Hfss microwave technology simulation software of the rectangular resonant cavity and cylindrical resonant cavity, and the results of the simulation before the comparison.4. In a small interface computing tools in different size, internal filling input, and different material with copper, iron, aluminum and other materials as a resonant cavity surface material, etc cases calculated, different results, and the simulation software of the rectangular cylinder and resonant cavity simulation, two sets of data and compared to obtain the result.This paper makes a study of the metal in a resonant cavity rectangular resonant cavity and cylindrical resonator characteristic parameters of the characteristics and calculation method, and the characteristic parameters of the method for calculating the characteristics, further research and study, and then use of its programming software programming, get a convenient calculation tool, and in rectangular cylinder and resonant cavity simulation, the results and simulation results is discrimination computing tools of practicality and convenience.Keywords:metal resonator, characteristic parameters, MFC, small interface, Hfss,目录第1章绪论 (1)1.1研究背景及概况 (1)1.2谐振腔的发展和应用 (2)1.3本文主要的工作 (3)第2章微波谐振腔的基本理论 (4)2.1 引言 (4)2.2 谐振频率f0的概念与计算方法 (5)2.3 品质因数Q的概念与计算方法 (7)第3章：金属波导型谐振腔 (10)3.1 矩形谐振腔 (10)3.1.1 矩形谐振腔谐振频率f0的计算方法 (13)3.1.2 矩形谐振腔品质因数Q的计算方法 (13)3.2 圆柱谐振腔 (15)第3章微波谐振腔特性参数的计算 (18)4.1 关于MFC (18)4.2 运用MFC进行编写的具体步骤 (18)4.2.1 对矩形腔编程 (19)4.2.2 对圆柱腔编程 (20)4.3 具体数据代入计算 (21)第5章微波谐振腔的仿真 (23)5.1 电磁仿真软件ANSOFT HFSS (23)5.2谐振腔的的仿真步骤 (24)5.2.1 矩形谐振腔的的仿真步骤 (24)5.2.2 圆柱谐振腔的的仿真步骤 (26)5.3 对实验结果进行分析 (27)第6章：总结 (31)参考文献 (32)致谢 (33)微波谐振腔特性参数的计算和仿真第1章绪论1.1研究背景及概况目前，随着移动通信，卫星通信的迅速发展，和通讯设备的进一步向多功能,便携化，全数字化和高集成化方向发展，极大地推动了电子元器件的小型化，片式化和低成本化，以及其间组合化，功能集成化的发展进程。
微波低通滤波器的仿真设计毕业论文
微波低通滤波器的仿真设计[摘要]近年来，随着军事、通迅、科研的发展，市场对微波滤波器在机能方面的需要不断地升迁。
在微波电路系统中，滤波器的性能对电路的性能指标有很大的影响，于是设计一个高性能的滤波器，对设计微波电路系统具有很重要的影响。
本文设计了一个微带线微波低通滤波器.低通滤波器的原型为切比雪夫低通滤波器，输入输出阻抗为50 ，截止频率为4GHz，3阶，带内波纹为3dB. 首先依据理查德变换和科洛达规则对切比雪夫低通滤波器原型进行转换。
然后在射频软件（ADS）中计算出微带线的尺寸并且进行建模仿真。
最后对仿真结果进行调谐优化,仿真结果达到设计要求.[关键字] 微波低通滤波器微带线 ADS陕西理工学院毕业设计Simulation design of microwave low-pass filterxxxx(Grade 10,Class 04,Major electronics and information engineering，School of Physics and Telecommunication Engineering.，Shaanxi University of Technology，Hanzhong Shaanxi，723003)Tutor: xxxxxAbstract: In recent years, with the development of military, communications, research, and market need for microwave filters constantly promoted in the function aspect. In microwave circuit system, the performance of filter circuit has great influence on the performance index of the circuit, so to design a high performance filter has a significant impact on the design of microwave circuit system. This paper describes the design of a microstrip line microwave low-pass filter. The low-pass filter prototype is the Chebyshev low-pass filter, input and output impedance is 50 , and cut-off frequency is 4GHz, 3 bands, the band ripple is 3dB. Firstly according to Richard transformation and Kuroda rules on Chebyshev low-pass filter prototype conversion. Then calculate the size of microstrip line and simulation in the RF software (ADS). Finally, the simulation results are tuned to optimization, and the simulation results meets the design requirements.Keywords:Microwave low-pass filter line ADS目录1 绪论 (1)1.1 课题的研究背景及意义 (1)1.2 发展历程及国内外研究现状 (1)1.3 ADS软件简介 (1)2 微波低通滤波器的设计理论 (3)2.1 滤波器的定义及分类 (3)2.2滤波器的主要指数指标 (3)2.3 切比雪夫低通滤波器设计理论 (5)2.3.1 切比雪夫低通滤波器原理 (5)3 微带传输线 (7)3.1 传输线理论 (7)3.2 微带传输线 (7)3.3 微带线的设计方法 (8)4 微带线低通滤波器的设计 (9)4.1 由集总元件低通滤波器变换为分布参数低通滤波器 (9)4.1.1利用理查德变换将集总元件转换为分布参数元件 (9)4.2 利用科洛达规则将串联短截线转换为并联短截线 (10)4.3 微带低通滤波器原理图 (12)5 微带线滤波器原理图和版图的仿真设计及优化 (14)5.1原理图的设计 (14)5.2 电路参数设置 (14)5.3 仿真参数设置和原理图仿真 (16)5.3.1 仿真参数设置 (16)5.3.2 原理图仿真 (16)5.4微带滤波器版图生产与仿真 (17)5.4.1 版图的生产 (17)5.5 对原理图和版图的优化 (20)5.5.1 原理图的优化 (20)5.5.2版图的仿真 (22)6设计总结 (25)参考文献 (26)致谢 (27)附录A 外文文献 (28)附录B 外文翻译 (33)1 绪论1.1 课题的研究背景及意义对于无线通信体系来讲，滤波器是一个关键的射频元器件。
高功率MPCVD谐振腔体的优化设计和数值模拟
高功率MPCVD谐振腔体的优化设计和数值模拟目录一、内容简述 (2)1. 研究背景和意义 (3)2. 国内外研究现状及发展趋势 (4)3. 研究目的和内容 (5)二、MPCVD谐振腔体的基本理论 (6)1. MPCVD原理简介 (7)2. 谐振腔体的基本概念 (9)3. 谐振腔体的工作模式 (10)三、高功率MPCVD谐振腔体的优化设计 (11)1. 总体设计思路 (12)2. 谐振腔体的结构优化设计 (13)3. 谐振腔体的性能参数优化 (15)四、数值模拟方法及工具 (16)1. 数值模拟方法介绍 (17)2. 仿真软件的选择与使用 (18)3. 仿真模型的建立 (19)五、高功率MPCVD谐振腔体的数值模拟分析 (20)1. 仿真结果分析 (22)2. 实验验证与结果对比 (23)3. 结果讨论与优化建议 (23)六、实验验证及结果分析 (25)1. 实验系统搭建 (26)2. 实验过程及结果记录 (27)3. 结果分析与讨论 (28)七、结论与展望 (29)1. 研究结论 (31)2. 研究创新点 (31)3. 后续研究方向及建议 (32)一、内容简述高功率MPCVD技术作为一种先进的材料制备技术，在现代工业生产中得到了广泛应用。
而谐振腔体作为MPCVD系统的核心部件之一，其性能对沉积过程及最终产品质量具有重要影响。
对高功率MPCVD谐振腔体的优化设计及其数值模拟研究具有重要的现实意义。
高功率MPCVD技术概述：介绍MPCVD的基本原理、应用领域以及技术特点等。
谐振腔体的作用及设计要求：阐述谐振腔体在MPCVD系统中的作用，包括等离子体产生、能量传输以及反应区域控制等，同时提出优化设计的要求和标准。
谐振腔体的优化设计：详细介绍谐振腔体的结构设计、材料选择、热管理等方面的优化措施，以提高其性能和使用寿命。
数值模拟方法与技术：阐述在谐振腔体优化设计中所采用的数值模拟方法，包括电磁场模拟等离子体模拟以及化学反应动力学模拟等，并介绍相关软件工具。
一种高Q值的TE01模介质滤波器的设计与实现
方 法得 到 的介质 谐振 器 的计算 公式 在许 多 文献 中
收稿 日期 ： ０ ６ １ － ５ ２ ０ — ２ ０
已有 论 述 ，这里 不做详 述 。输 入输 出 可 以采用 各
Ｉ ＇Ｃ ｉ Ｅ Ｄ ｎｔ ２０ ． 电 手 元 器 件 主 用 ２ Ｏ Ｗ ｈｎ Ｃ ．ｅ Ｗ． ａ ０７ ３ ３
种 不 同的耦 合结构 来实 现 ，可 以用探 针耦 合 ，也 可 以用环 耦合 、小 孑 耦 合 ，以及 传输 波导 直接 耦 Ｌ 合等。
导
的耦 合 系数 的结 构 尺寸 。图２ 所示 是基于Ｔ 。 的 Ｅ。 模
介质 滤 波器 的结构 。这 种 结构具 有 六个 介质 谐振
器 和 五 个 耦 合 窗 ，谐 振 器 间 通 过 耦 合 窗 相 互 耦
维普资讯
第９ 卷
２ ７第月 ｏ年 ３ ０ ３期
新瓣墓缔 威愿
Ｖ１ Ｎ． ｏ ｏ ． ３ ９
Ｍ ａ ． ２ ０７ ｒ ｏ
一
ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ
种高Ｑ 值的Ｔ伪 Ｅ模介质滤波器 的设计与实现
陈彩 云 ，徐 立 勤 ， 包建 烨
２００ ； １０ ３ ２ 合肥 博仑微 波 器件 有 限公 司 ，安 徽 ． 合肥 ２ ０８） ３０ ８
合 。输 入和输 出使 用探 针 耦合 ．六 个谐 振 器 由直
应 用。
１ 介 质 滤 波器 的基 本 原 理 及 设 计 方 法
金 属 空 腔谐 振 器 的主要 损 耗 来 自导 体 损 耗 。 如果 能够 取消金 属 导体 而又 能把 电磁 场 限制 于谐
器 中的介质 可 以是 圆柱 形 ，也可 以是 方形 的 ，其 振 荡模 式 分别 为Ｔ 。和Ｔ 。。介 质谐 振 器 的分 析 Ｅ 。 Ｅ。 ８ 方 法有 数值 法 和解 析法 。其 中解 析法 又分 为 磁壁
微波滤波器的综合与设计
研究生签名：_____________ 日期：____________
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单位代码：
10293
密
级：
公开
硕 士 学 位 论 文
论文题目：
微波滤波器的综合与设计
学 姓 指 学 研 导 科 究 教 专 方
号 名 师 业 向
Y002090833 玉海燕 程 勇 副教授 电磁场与微波技术 移动通信与射频技术 工学硕士 2012-2
I
申请学位类别 论文提交日期
南京邮电大学学位论文原创性声明
III
南京邮电大学硕士学位论文
摘要
摘要
现代通信技术的发展，要求微波滤波器有更好的频率选择性能包括：带内插损尽可能的 低、带外抑制尽可能的陡峭、通带相位特性更趋近于线性等等。广义的切比雪夫函数为传输 函数的滤波器具有了切比雪夫函数滤波器和椭圆函数滤波器的优点，能够达到限定的指标要 求，同时交叉耦合滤波器引入了有限频率处的传输零点，在改善了滤波器的性能的同时没有 增加滤波器的体积，从而以切比雪夫函数为传输函数的交叉耦合滤波器在通信网络中广泛应 用。 本文综合研究了广义切比雪夫函数滤波器的设计理论及其在滤波器设计中的实现。首先 是根据等效电路模型得出其对应的网络特征函数，计算得到对应的导纳函数，根据导纳函数 和广义切比雪夫函数的传输函数得到归一化的耦合矩阵；然后根据滤波器的传输零点和传输 极点之间的关系，确定广义切比雪夫函数滤波器的传输零点的位置。同时，本文还进行了耦 合矩阵的综合 ，对可实现的拓扑结构的耦合矩阵进行相似变换消元。接着给出了从实际微波 电路中提取耦合系数的方法，给出具体的设计实例进行验证。最后给出了交叉耦合滤波器的 设计流程， 并在同轴腔体和基片集成波导中实现了交叉耦合滤波器的设计,验证了前面理论可 行性。
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1800M Hz同轴谐振微波介质滤波器的结构设计及其仿真①樊 鹏 周东祥 赵 俊 黄 川(华中科技大学电子科学与技术系 武汉 430074)摘 要研究1800MHz的微波介质滤波器的设计原理和计算方法,同时使用高频结构仿真软件对所设计的滤波器进行了仿真分析。
所要求的滤波器的参数指标为:中心频率f0=1800MHz,插入损耗IL<2.5dB,3dB带宽BW=45MHz,带内波动A p <1.5dB,100MHz处带外抑制A s>25dB。
关键词:介质滤波器 HFSS 仿真中图分类号:TP39119Structure Design and Simulation of a1800M H z Microw ave Dielectric Filter Using Coaxial R esonatorsF an Peng Zhou Dongxiang Zhao Jun H u ang Chu an(Dept.of Electronic Science and Technology,HUST,Wuhan 430074)Abstract:This paper introduces the design principle and calculating method of a1800MHz microwave dielectric filter consist2 ing of coaxial resonator,and uses High Frequency Structure Simulation(HFSS)software to simulate the design.The required pa2 rameters of the microwave band pass dielectric filter:center frequency f0=1800MHz,insertion loss IL>2.5dB,3dB band BW= 45MHz,ripple in the band A p<1.5dB,the attenuation in the stopband A s>25dB.K ey w ord:dielectric filter,HFSS,simulationClass number:TP391.91 引言介质滤波器是由介质谐振器构成的滤波器。
而介质谐振器是由于电磁波在介质内部进行反复全反射谐振所形成的。
因为电磁波在高介质常数的物质里传播时,其波长可以缩短,正是利用这一特点可以构成小型的微波谐振器。
介质滤波器作为高频元器件,在微波通信和移动通信领域已成为不可缺少的电子元器件。
本文主要研究中心频率f0=1800MHz,带宽BW=45MHz,插入损耗在IL<2.5dB,带内波动A p<1.5dB,在±100MHz处的带外抑制A s=25～45dB的同轴谐振介质滤波器的设计以及使用来进行仿真。
2 电路结构设计2.1滤波器的阶数以及结构图以现代微波滤波器的设计理论为基础,根据已知的滤波器参数确定滤波器的级数以及等效电路图。
滤波器级数n是一个重要的参数,它的选择直接影响到滤波器的性能,特别是滤波器的插损和带外抑制特性。
下面就研究如何确定滤波器的阶数n,按已知条件确定如下[1]:给定条件:(1)中心频率:f0=1800MHz(2)通带:1800MHz±45MHz A p<1.5dB(3)阻带:f s1<1700MHz,f s2>1900MHzA s>25dB①收到本文时间:2004年10月18日f s1与f s2的几何对称:f ’s 2=f 20f s 1=190519MHZ ,f ’s 1=f 20f s 2=170513MHZ (Δf s )1=f ’s 2-f s 1=20519MHZ (Δf s )2=f s 2-f ’s 1=19417MHZ取Δf s =19417MHZ 通带宽Δf =90MHZ归一化频率Ωs =Δf sΔf =2116根据阶数的计算公式有:n ≥cosh -1(10011As -1)(10011Ap -1)cosh-1Ωs=2186(1)n 取整数3将低通型滤波器通过频率变换和导纳变换,转换成为电容耦合型的带通型滤波器[2],如图1(a )所示。
(a ) 集中参数电路(b ) 谐振器电路图1 滤波器等效电路图根据微波传输理论,1/4波长同轴型谐振器可以等效为LC 并联谐振电路,图1(a )中的并联谐振电路可以由三个同轴谐振器来代替。
图1(b )中,耦合电容数值可以通过计算导纳变换器的导纳来确定。
介质滤波器的结构图如图2所示:在陶瓷体上形成三个通孔,相当于三个同轴谐振器,孔的内表面全部金属化,除了上表面和端口电极周围区域开路外,介质块全部镀银。
输入输出的耦合强弱可以通过调节输入输出电容的大小(即调节输入输出电极大小)来控制,而级间耦合强弱则可以通过调整小孔周围的镀银层面积来确定。
图2 滤波器结构图2.2结构参数设计图2所示的块状滤波器的结构尺寸,即长L 、宽W 和高H ,以及谐振孔的孔径a 的设计。
根据微波传输线的理论,谐振器长度L 与谐振频率f 0和介电常数εr 有如下关系[2]:L =C4f 0εr(2) 式中,f 0为谐振频率,εr 为介电常数,C 为光速。
由上面的式子可知在频率f 0一定的情况下,要想降低滤波器的尺寸,就必须高介电常数的电介质材料εr 。
本文选择由本实验室研制的介电常数为81的BaO -Si 2O 3-Nd 2O 3-TiO 2基微波陶瓷材料,其品质因数在1700～1800左右。
根据f 0=1800MHz ,εr =81,可以算出谐振器的长度L 近似为4.62mm 。
介质谐振器的插入损耗由下面的式子来计算:B 0=41343fBWQu ∑gi(4)式中:BW 是3dB 带宽(MHz );gi 是滤波器的低通原型参数;Q u 是单谐振器的品质因数。
1Q u =1Q 0+1Q c(5)式中:Q 0是微波陶瓷介质的品质因数;Q c 是谐振器表面金属膜的Q 值,其值可以通过下面的式子计算得到[2]。
Q c =δs ・1a +π2WIn2aWπ+1L(6)δs =2ωμσc(7)式中:δs为趋肤深度;ω0为角频率;σc为金属的电导率;μ0为谐振子表面金属膜的磁导率;a为谐振子内圆半径;W为正方形谐振子的边长;L为谐振子长度。
滤波器的插入损耗IL∞nB0n为滤波器的级数,B0为谐振器的插入损耗。
故要降低插入损耗IL,就需要降低B0,由(4)式,就要增大单谐振器的品质因数Q u。
由(5)式知,就要求介质材料和表面金属膜的Q值要大。
有介质填充的同轴线的特性阻抗可以表示为[2]:Z0=60εrInba(8) 式中,a为同轴谐振器内半径,b为方形谐振子边长的一半,εr为介电常数。
ba的选取应该兼顾到有最大功率容量的条件:ba=1.65和最小衰减的条件[2],ba=3.592同时考虑以上的条件,故选择ba=2～3。
同轴谐振器的截面如图3所示,选定a=0.25mm,ba=3,b=0.75mm。
而由图2,滤波器由三个谐振器并排而成,可以得到H=1.5mm,W=4.5mm,而谐振孔的半径为0.25mm。
图3 谐振器截面图至此,滤波器模型的尺寸已经设计出来,接下来使用高频结构仿真的软件HF2 SS来进行滤波器的仿真,看所设计是否达到要求。
3 高频结构仿真软件HFSS的仿真 HFSS设置微波元件的几何尺寸和材料性质方便,能够根据器件的实际应用环境作出合适的边界条件设置,同时,HFSS还能够方便的对所设计器件的参数图和场分布等进行分析。
根据前面设计的滤波器的尺寸在HFSS中建立滤波器的仿真模型,步骤如下:(1)在HFSS中使用3D Modeler创建该滤波器的几何模型,即画出设计的滤波器的尺寸模型。
(2)设置材料。
对画好的滤波器模型进行材料特性设置。
系统的材料库有很多通用的材料供选取,对材料库中没有的材料,用户可以按要求自己设置新材料,实验中我们设置了介电常数为81,无载品质因数为1700的材料。
(3)设置端口和边界。
设置完材料属性后,必须定义端口和边界条件,也就是确定输入结构的激励信号、模型不同表面上的电磁场特性以及特定表面的特性。
在定义一个对称面时,我们必须决定应该使用那一种对称面,perfect E还是perfect H。
通常按下面的原则决定该使用哪一种对称面:所谓的边界条件在电磁计算中实际上就是一个面上的微分方程,如果是电场垂直于对称面,金属表面一般都可以按照理想电壁来处理,设置per2 fect E对称面,这个微分方程就是切向电场为零,如果是电场平行于对称面或者法向电场为零,设置perfect H对称面,微分方程当然就是切向磁场为零,对于开孔端面也设置为perfect H对称面。
HFSS默认的边界背景是金属,对于没有明确设置port和boundary的面将被自动设置为perfect E边界。
(4)然后设置仿真范围,实验中设计的是中心频率为1800MHz滤波器,因此设定仿真频率范围1.5GHz～2.1GHz。
(5)仿真后的结果,要进行修正调整,直到满足设计所需要求。
修正时所依据的规律是,滤波器的长度L越小,则中心频率越高;谐振孔直径与边长的比值在2～3范围内,比值大则插入损耗低。
最终结果L=4.2mm,W= 4.5mm,H=1.5mm的滤波器。
仿真结果曲线如图4所示:图4 滤波器仿真结果图上图中各个参数指标为:中心频率在1790MHz处,带内波动为1.5dB,3dB带宽为45MHz,插入损耗为0.39dB,带外抑制为27.4dB。
4 器件制作根据以上的设计原理,拟用凝胶注模成型的方法来制作器件。
以分析纯Ba TiO3,Nd2O3,Sm2O3, TiO2为原料,按摩尔比1∶0.5∶0.5∶1进行配料,在模具中凝胶注模成型后,从模具中取出,烧结,经过打磨加工,然后镀上银电极。
实验中加工数个滤波器,经测试,得到一合适的滤波器,尺寸为:L=4.3 mm,W= 4.5mm,H=1.6mm,孔径0.26mm,相应的滤波器的性能指标测试的结果如下:中心频率在1780MHz处,带内波动为1.6dB,3dB带宽为40MHz,插入损耗为0.42dB,带外抑制为29.4dB,满足所要求的性能。
5 总结介质带通滤波器的设计与制作主要由以下的几个步骤来实现:(1)根据给定的滤波器的参数指标以及网络综合的理论[1],来设计滤波器的级数,以及电容耦合电路。
(2)将并联的LC回路视为介质谐振器块,根据中心频率来设计滤波器的长度L,同时选择ba,以此来确定谐振孔的孔径,滤波器的宽度W和高度H。