HFSS13微带滤波器教程要点
微带低通滤波器的设计1
微带低通滤波器的设计一、题目低通滤波器的设计技术参数：f < 900MHz；通带插入损耗；带外100MHz损耗；特性阻抗Z0=50 Ohm。
仿真软件：HFSS二、设计过程1、参数确定：设计一个微带低通滤波器，其技术参数为f < 900MHz；通带插入损耗；带外100MHz损耗；特性阻抗Z0=50 Ohm 。
2、设计方法：用高、底阻抗线实现滤波器的设计，高阻抗线可以等效为串联电感，低阻抗线可以等效为并联电容，计算各阻抗线的宽度及长度，确保各段长度均小于λ/8（λ为带内波长）。
3、设计过程：（1）确定原型滤波器：选择切比雪夫滤波器，Ώs = fs/fc = 1.82，Ώs -1 = 0.82及Lr = 0.2dB，Ls >= 30，查表得N=5，原型滤波器的归一化元件参数值如下：g1 = g5 = 1.3394，g2 = g4 = 1.3370，g3 = 2.1660，gL= 1.0000。
该滤波器的电路图如图1所示：图1（2）计算各元件的真实值：终端特性阻抗为Z0=50Ώ，则有C1 = C5 =g1/(2*pi*f0*Z0) = 1.3394/(2*3.1416*9*10^8*50) = 4.7372 pF，C3 = g3/(2*pi*f0*Z0) = 2.1660/(2*3.1416*9*10^8*50) = 7.6606 pF，L2 = L4 = Z0*g2/(2*pi*f0) = 50*1.3370/(2*3.1416*9*10^8) = 11.8277 nH。
（3）计算微带低通滤波器的实际尺寸：设低阻抗（电容）为Z0l = 15Ώ。
经过计算可得W/d = 12.3656，ε e = 2.4437，则微带宽度 W1 = W3 = W5 = W = 1.000*12.3656 = 12.3656mm，各段长度 l1 = l5 = Z0l*Vpl*C1 =15*3*10^11/sqrt(2.4437)*4.7372*10^-12 = 13.6370mm，l3 = Z0l*Vpl*C3 =15*3*10^11/sqrt(2.4437)*7.6606*10^-12= 22.0526mm，带内波长λ = Vpl/f =3*10^11/(sqrt(2.4437)9*10^8) = 213.23780mm，λ/8 = 26.654725mm，可知各段均小于λ/8，符合要求。
微带滤波器的设计复习过程
微带滤波器的设计复习过程微带滤波器的设计解析微带滤波器的设计微波滤波器是用来分离不同频率微波信号的一种器件。
它的主要作用是抑制不需要的信号，使其不能通过滤波器，只让需要的信号通过。
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，因此如何设计出一个具有高性能的滤波器，对设计微波电路系统具有很重要的意义。
微带电路具有体积小，重量轻、频带宽等诸多优点，近年来在微波电路系统应用广泛，其中用微带做滤波器是其主要应用之一，因此本节将重点研究如何设计并优化微带滤波器。
滤波器（filter），是一种用来消除干扰杂讯的器件，将输入或输出经过过滤而得到纯净的直流电。
对特定频率的频点或该频点以外的频率进行有效滤除的电路，就是滤波器，其功能就是得到一个特定频率或消除一个特定频率。
1 微带滤波器的原理微带滤波器当中最基本的滤波器是微带低通滤波器，而其它类型的滤波器可以通过低通滤波器的原型转化过来。
最大平坦滤波器和切比雪夫滤波器是两种常用的低通滤波器的原型。
微带滤波器中最简单的滤波器就是用开路并联短截线或是短路串联短截线来代替集总元器件的电容或是电感来实现滤波的功能。
这类滤波器的带宽较窄，虽然不能满足所有的应用场合，但是由于它设计简单，因此在某些地方还是值得应用的。
微带滤波器是在印刷电路板上，根据电路的要求以及频率的分布参数印刷在电路板上的各种不同的线条形成的LC分布参数的滤波器。
2 滤波器的分类最普通的滤波器的分类方法通常可分为低通、高通、带通及带阻四种类型。
图12.1给出了这四种滤波器的特性曲线。
低通滤波器：它允许信号中的低频或直流分量通过，抑制高频分量或干扰和噪声。
高通滤波器：它允许信号中的高频分量通过，抑制低频或直流分量。
带通滤波器：它允许一定频段的信号通过，抑制低于或高于该频段的信号、干扰和噪声。
带阻滤波器：它抑制一定频段内的信号，允许该频段以外的信号通过。
按滤波器的频率响应来划分，常见的有巴特沃斯型、切比雪夫Ⅰ型、切比雪夫Ⅱ型及等；按滤波器的构成元件来划分，则可分为有源型及无源型两类；按滤波器的制作方法和材料可分为波导滤波器、同轴线滤波器、带状线滤波器、微带滤波器。
微带低通滤波器的设计与仿真
微带低通滤波器的设计与仿真分类：电路设计嘿嘿，学完微波技术与天线，老师要求我们设计一个微带元器件，可以代替实验室里的元器件，小弟不才，只设计了一个低通滤波器。
现把它放到网上，以供大家参考。
带低通滤波器的设计一、题目第三题：低通滤波器的设计技术参数：f < 800MHz；通带插入损耗；带外100MHz损耗；特性阻抗Z0=50 Ohm。
仿真软件：HFSS、ADS或IE3D介质材料：介电常数εr = 2.65，板厚1mm二、设计过程1、参数确定：设计一个微带低通滤波器，其技术参数为f < 800MHz；通带插入损耗；带外100MHz损耗；特性阻抗Z0=50 Ohm 。
介质材料：介电常数εr = 2.65，板厚1mm。
2、设计方法：用高、底阻抗线实现滤波器的设计，高阻抗线可以等效为串联电感，低阻抗线可以等效为并联电容，计算各阻抗线的宽度及长度，确保各段长度均小于λ/8（λ为带内波长）。
3、设计过程：（1）确定原型滤波器：选择切比雪夫滤波器，Ώs = fs/fc = 1.82，Ώs -1 = 0.82及Lr = 0.2dB，Ls >= 30，查表得N=5，原型滤波器的归一化元件参数值如下：g1 = g5 = 1.3394，g2 = g4 = 1.3370，g3 = 2.1660，gL= 1.0000。
该滤波器的电路图如图1所示：图1（2）计算各元件的真实值：终端特性阻抗为Z0=50Ώ，则有C1 = C5 =g1/(2*pi*f0*Z0) = 1.3394/(2*3.1416*8*10^8*50) = 5.3293pF， C3 = g3/(2*pi*f0*Z0) = 2.1660/(2*3.1416*8*10^8*50) = 8.6182pF，L2 = L4 = Z0*g2/(2*pi*f0) = 50*1.3370/(2*3.1416*8*10^8) = 13.2994nH。
（3）计算微带低通滤波器的实际尺寸：设低阻抗（电容）为Z0l = 15Ώ。
(完整)微带耦合带通滤波器的设计方法和实例
微带耦合带通滤波器的设计方法和实例一、 滤波器的分类滤波器按照函数类型可以分为，巴特沃斯滤波器、切比雪夫滤波器、贝塞尔滤波器、椭圆型滤波器等.巴特沃斯滤波器的通带非常平坦，无限远处的衰减接近无穷大，又称为最大平滑滤波器，其缺点是衰减曲线不够陡峭；切比雪夫滤波器用通带的波动换取更好的衰减特性，其通带存在等幅度纹波,无限远处的衰减接近无穷大；贝塞尔滤波器又称为线性相移滤波器,但是衰减特性较差;椭圆型滤波器的衰减曲线最陡峭，但通带和阻带存在等幅度纹波.二、 低通滤波器原型一般用通带截止频率c ω和阻带截止频率s ω,及相对应的衰减p l 和s l 来描述低通滤波器的性能,p l 越小、s l 越大、c ω与s ω越接近，性能就越好。
L 、C 串、并联而成的梯形电路能够实现低通特性。
要进行综合设计，就需要求出工作衰减L 与电路各元件值的关系。
n 个L 、C 元件构成的低通网络，如图1，R0和Rn+1分别代表电源内阻和负载电阻。
图1 低通滤波器原型电路工作衰减L 为:()221221d c b a S L +++== （1。
1）a ~ d 是低通网络a 矩阵的四个参数，给定n 的L 、C 低通网络的a 矩阵等于相应n 个L 、C 的a 矩阵相乘。
单独的串联L 、并联C 的a 矩阵分别为：10/1z l j ω 和 1010cz j ω （1.2）计算表明，工作衰减L （dB ）可以表达为1加上ω的2n 次的一个偶次多项式：()ωn P L 21+= （1.3）例如2=n 时22102220212422124421ωω⎪⎭⎫ ⎝⎛-++⎪⎭⎫ ⎝⎛+=c l Z c Z l c l L （1。
4) 0=ω时，衰减为零，ω增加时，L 增大，因而有低通特性.如果选取适当的函数()ωn P 做为滤波器的指标，则通过公式1。
3可以求出各元件的值。
例如2=n 时设()22ωωa p =,则421ωa L +=，并假定c ωω=时，工作衰减dB L p 3=，可求得21c a ω=，即c L 241ω+=，与公式1。
HFSS仿真工程实例 (微波器件)
LR 10 lg 1 S21 j dB
2
（5-1-3）
滤波器的相位响应为
21 ArgS21 j
（5-1-4）
由此可得该网络的群延时响应为
d 21 d d
（5-1-5）
第5章工程实例 1.Butterworth响应 1930年，Butterworth提出了一类响应函数：
（5-1-11）
其中，ε =10LAr/10-1表示带内波纹系数。该响应在复平面上 的复极点为 2i 1 1 pi j cossinh j （5-1-12） 2n
1 1 1 sinh sinh n
（5-1-13）
第5章工程实例
来给出的高），由带外衰减给出模式k1的值：
L As
其中，LAs是阻带的衰减要求。
2 2 （5-1-19） 10 lg 1 10 lg 1 k2 1
第5章工程实例 (4)计算滤波器的节数n：
KK1 ' n K1 K '
（5-1-20）
其中，K是以k为模数的第一类完全椭圆积分 ;K′是以k的余 模数 k ' 1 k 2 为模数的第一类完全椭圆积分 ;K1 是以 k1 为 模 数 的 第 一 类 完 全 椭 圆 积 分 ;K1′ 是 以 k1 的 k1余 ' 模 1 数 k12 为模数的第一类完全椭圆积分。滤波器的节数选用大于n的 整数，为n+1。
（5-1-34）
在上面所述的准椭圆函数的构造方法中，必须对等波
纹系数进行适当的修正，以得到修正后的等波纹系数 ε 1。
修正波纹系数的方法有下面两种。 (1)取ω Fn导数为零的点，得到(-1,1)内各点的最大值α ， 则
用Ansoft HFSS分析小型化、高带外抑制的
用Ansoft HFSS 分析小型化、高带外抑制的微带滤波器赵 平上海航天局八0四研究所电子三室 200082摘要：本文用Ansoft HFSS 分析小型、高带外抑制的PBG 结构的微带滤波器的结构形式和特有的频率响应特性。
关键词： PBG 光子带隙结构 Ansoft HFSS 微带 带通滤波器1. 引言随着“无线时代”的到来，微波工程师关注于电磁波频谱合理、高效、安全的使用、EMI / EMC 问题的解决，小型化、高带外抑制、低成本、宽带滤波器的研究、应用有着重要的意义。
微波滤波器已成为无源微波元件的主角之一，它不仅能完成本身的任务，而且能代替其他一些微波元件的功能，或者可把另外一些微波元件看成微波滤波器结构来进行设计，随着新材料、新技术的引入、应用，滤波器的概念“广义化”。
2. 滤波器设计2.1 滤波器响应函数类型选择 图2 1994年 Alumina 构建的光子晶格滤波器特性可用其频率响应来描述，按其特性的不同可分为低通滤波器、高通滤波器、带通滤波器、带阻滤波器。
图1中是以带通滤波器为例的滤波器响应，图中横坐标是归一化频率f，纵坐标是工作衰减（简称“衰减”）或插入衰LA 。
图 1 中所示三种函数滤波器的传输特性，观察可知不同点在于传输零点的位置： Chebyshev 函数滤波器传输零点在无限远处，Elliptic 函数滤波器传输零点在有限特定频率且阻带呈现等波纹特性，Quasi-Elliptic 函数滤波器将 hebyshev 函数滤波器和 Elliptic函数滤波器的特性“融合”在一起：即保留了无限远处的零点，又有一对传输零点在特定频率。
由此分析，可得出关于滤波器类型选择的依据：为了满足通带的插入损耗带外隔离，应选级数较少的滤波器，相应的级数较少的滤波器的Q 值也低；通带边沿的插入损耗期望等同于通带中心频率的插入损耗，在 Elliptic 函数滤波器、Quasi-Elliptic 函数滤波器中通带边沿的插入损耗受截至频率附近的传输零点影响较大；Chebyshev 函数滤波器和 Elliptic 函数滤波器、Quasi-Elliptic 函数滤波器相比 ，虽然带外隔离较好，但在靠近通带边沿处比选择性差；虽然可以通过增加级数提高选择性，但同时带内插入损耗也增加；Elliptic 函数滤波器在靠近通带边沿有较高的选择性，但是相对于 Quasi-Elliptic 函数滤波器，它的带外隔离较差；Elliptic 函数滤波器应用分布元件较难实现，而 Quasi-Elliptic 函数滤波器却较之容易满足设计要求。
微带线和带状线滤波器
-Ax dB fc fx
fc fo fUx fHp
Rp dB 0dB -3dB
0dB -3dB
-Ax dB fLx fLp fo fHp fUx
Rp dB
一、滤波器的相关概念
3，滤波器的技术参数
插入损耗：插入到电路中的滤波器，必然会 有某种程度的功率损耗（单位：dB） 纹波 ：在通带内，幅度特性的最大值与最小值之 差 带宽 ：对于带通滤波器，通带内一般对应于3dB衰 减量的上边频 和下边频的率差 阻带抑制：阻带频段内，对信号的衰减 品质因数Q：在谐振频率下，平均储能与一周期内 平均耗能之比
二、微带线滤波器
微带线和带状线滤波器
• 姓名：操瑞鑫 • 课程：微波与毫米波新技术 • 专业：电磁场与微波技术
学习目标
1，了解滤波器的概念及其相关参数 2，认识微带线滤波器和带状线滤波器
一、滤波器的相关概念
（1）滤波器的定义
滤波器（filter）是一种选频装置，可 以使信号中特定的频率成分通过，而极大 地衰减其他频率成分。在一定的频域内， 对某些特定的频率点或频带进行加重或衰 减处理，使得信道的幅频特性符合特定的 要求
一、滤波器的相关概念
2、滤波器的分类
（1） 按所处理的信号分为模拟滤波器和数 字滤波器两种。 （2 ）按所通过信号的频段分为低通、高通、 带通和带阻滤波器四种。 （3 ）按所采用的元器件分为无源和有源滤 波器两种。
0dB -3dB
Rp dB
0dB -3dB -Ax dB fx fLp fLx
Rp dB
HFSS_V13天线仿真基本操作指南
HFSS 高频仿真软件操作指南目录第一章创建工程Project一、前期准备第二章创建模型3DModeler一、绘制常见规则形状二、常用操作三、几种常见天线第三章参数及条件设置(材料参数、边界条件和激励源等) Setting一、设置材料参数二、设置辐射边界条件三、设置端口激励源四、特定边界设置第四章设置求解项并分析Analyze一、设置分析Add Solution Setup二、确认设置并分析Validation Check Analyze All第五章查看结果Results一、3D极化图（3D Polar Plot）二、3D直角图（3D Rectangular Plot）三、辐射方向图（Radiation Pattern）四、驻波比(VSWR)五、矩阵数据(Matrix Date)一、前期准备1、运行HFSS后，左侧工程管理栏会自动创建一个新工程：Project n 。
由主菜单选File > Save as,保存到一个方便安全的文件夹，并命名。
(命名可包括下划线、字母和数字，也可以在Validation Check之前、设置分析和辐射场之后保存并命名)2、插入HFSS设计由主菜单选Project > Insert HFSS Design 或点击图标，(大口径的由主菜单选Project > Insert HFSS-IE Design)则一个新的项目自动加入到工程列表中，同时会出现3D画图窗口，上侧出现很多画图快捷图标。
3、选择求解类型由主菜单选HFSS > Solution Type（求解类型），选择Driven Model或Driven Terminal （常用）。
注：若模型中有类似于耦合传输线求耦合问题的模型一定要用Driven Terminal，Driven Model适于其他模型，不过一般TEM模式（同轴、微带）传输的单终端模型一般用Driven Terminal分析。
基于HFSS设计同轴腔滤波器
第30卷 第2期2007年4月电子器件Chinese J ournal Of Elect ron DevicesVol.30 No.2Ap r.2007Design of Coaxial Filters B ased On HFSSL I U Pen g 2y u1,2,Z H A N G Yu 2hu 2,S H EN H ai 2gen11.School of Elect ronic I nf ormation and Elect ric Engineering ,S hanghai J iao Tong Universit y ,S hanghai 200240,China;2.S hanghai S pacef li ght I nstit ute of T T &C and Telecommuniation ,S hanghai 200086,Chi naAbstract :Coaxial filters is widly used in microwave circuit s.we research how to analysis and design coaxial filters used by a 3D f ull 2wave field solver ,HFSS.The 3D f ull -wave field analysis includes t he effect s of t uning screw ,interstage coupling apert ure and inp ut/outp ut coaxial excitation.Base on t hess analysises ,we work out a S -band coaxial filter aided by simulating and optimizing in HFSS.The result of t he experi 2mentation matched well wit h t he result of simulation ,and f ulfiled technic target s.The coaxial filter has been used in a spaceflight project successf ully.The way of combining t he t raditional t heory wit h t he ad 2vanced comp uter technology has great practical value ,it can save much time and co st .K ey w ords :microwave filters ;coaxial resonator ;coupling apert ure ;HFSS EEACC :1320基于HFSS 设计同轴腔滤波器刘鹏宇1,2,张玉虎2,沈海根1(1.上海交通大学电子信息与电气工程学院,上海200240;2.上海航天测控通信研究所,上海200086)收稿日期:2006204217作者简介:刘鹏宇(19782),男,工作于上海航天测控通信研究所,工程师,主要研究方向为射频与微波电路设计,pengyu_liu @ ;摘 要:同轴腔滤波器在微波电路中有着广泛的应用,在此研究如何利用3D 全波场分析软件HFSS 分析设计同轴腔滤波器.该分析包括谐振腔调谐螺钉、腔间耦合孔及输入输出激励的影响效应.基于上述分析,借助HFSS 仿真优化得到一S 波段滤波器.其实测结果与仿真相符,满足指标要求,并已成功应用于某航天工程中.这种结合传统理论和先进计算机技术的方法可以大大节省研制周期和生产成本,具有非常大的实用价值.关键词:微波滤波器;同轴谐振腔;耦合孔;HFSS 中图分类号:TN 713 文献标识码:A 文章编号:100529490(2007)022******* 传统的微波滤波器设计方法已经非常成熟,但其中一些参数需要反复试验来获得.这势必要增加产品的设计周期,对于当前研制周期紧、产品数量大的要求是一个制约.利用仿真工具进行辅助设计成为目前一种非常有效的解决途径.本文即介绍如何借助H FSS 设计同轴腔滤波器.1 HFSS 简介HFSS 是ANSO F T 公司开发的一个基于物理原型的EDA 设计软件.使用H FSS 建立结构模型进行3D 全波场分析,可以计算.①基本电磁场数值解和开边界问题,近远场辐射问题;②端口特征阻抗和传输常数;③S 参数和相应端口阻抗的归一化S 参数;④结构的本征模或谐振解.依靠其对电磁场精确分析的性能,使用户能够方便快速地建立产品虚拟样机,以便在物理样机制造之前,准确有效地把握产品特性,被广泛应用于射频和微波器件、天线和馈源、高速IC 芯片等产品设计中.H FSS 有本征模解(Eigenmode Solution )和激励解(Driven Solution )两种求解方式.选择Eigen 2mode Solution 用于计算某一结构的谐振频率以及谐振频率点的场值和腔的空载Q0值.选择Driven Solution用于计算无源高频结构的S参数和特性端口阻抗、传播常数等.本课题的研究中,将用到本征模解求解单同轴腔特性和腔间耦合系数;激励解求解有载品质因数Q L值和滤波器响应特性.2 同轴腔滤波器工作原理及设计2.1 工作原理同轴腔滤波器主要用于米波、分米波段.传输TEM模,无色散、场结构简单稳定、空载品质因数高[1].其基本结构由谐振腔、腔间耦合、输入输出激励组成,如图1所示即为一个三腔同轴滤波器.输入信号通过闭合圆环耦合到谐振腔中产生谐振,能量在谐振腔之间由耦合孔进行逐级耦合,再经图1 三腔同轴滤波器结构模型(a=3.25mm,b=9mm,l=29mm,l1=l2=14mm)过输出端的闭合圆环耦合输出.各腔均工作在同一谐振频率附近,只有该谐振频率附近的电磁波有效传输,形成一带通滤波器.2.2 集总参数网络设计下面以S波段滤波器设计为例,主要技术指标见表1.表1 滤波器技术指标技术参数工作频率f0插入损耗L A带宽(4f3dB)通带波动L Ar阻带抑制L As(f0±15M Hz)输入输出阻抗Z o指标要求2.0～2.15GHz≤2dB≥8M Hz≤±0.3dB≥25dB50Ω 利用网络综合法[2],选取切比雪夫函数作为逼近函数,查表或计算[3]确定滤波器阶数n=3,对应的低通原型参数:g0=g4=1,g1=g3=1.0316,g2=1.1474,由此得到腔间耦合系数K ij和外部品质因数Q L.K ij=bwg i・g j=0.0036(i=1,j=2;i=2,j=3)(1)Q L=g1bw=266.3(2)2.3 微波结构设计2.3.1 同轴腔为减小体积和便于安装,本滤波器采用内圆外方的1/4λ缩短电容同轴腔结构.依据谐振腔结构尺寸参数选取三个原则[1]:①避免高次模,(a+b)≤λmin/π;②满足功率容量,b/a=1.65时功率容量最大;③损耗要小,b/a=3.6时Q0值最高,损耗最小.b/a一般选择在2.0～3.6之间.在此选取内导体半径a=3.25mm,外导体内半径b=9mm.内导体长度l、调谐螺钉最大调谐距离t的设计既要考虑能够满足所需的调谐范围,同时还要考虑到内导体缩短会降低Q0值[4]的因素,一般选择内导体长度为1/4λ的65%以上,在此选取l=29mm,t=3mm.谐振腔的调谐范围将通过HFSS进行仿真验算.2.3.2 耦合考虑到本滤波器属于窄带滤波器,腔间耦合[5]采用圆孔实现,输入输出耦合采用闭合半圆环实现.耦合圆孔、半圆环需要确定的参数是中心位置和半径大小.滤波器带宽基本上由级间耦合决定.设计一个在某个频率范围内可调谐的滤波器时,若要保持固定的带宽,则必须控制带宽对频率的敏感性,即要保持d(Δf)/d f=0.Cohn[6]研究得出,当耦合孔中心离腔短路端距离l1在中心频率电长度36°附近时,耦合带宽最大且随频率变化缓慢.则取l1=14mm.半圆环的几何位置通常与耦合孔保持一致,所以也取l2=14mm.关于耦合孔径的大小,下面通过HFSS仿真腔间耦合系数K ij和外部品质因数Q L获取.3 HFSS仿真分析3.1 单谐振腔仿真根据选定的结构尺寸(a=3.25mm,b=9mm, l=29mm),在H FSS中对单谐振腔建模(图2),不需要加载激励,进行Eigenmode分析,获取在不同间距t的加载电容下对应的谐振频率.仿真结果(图3)得出,当t在0.25～3mm之间调整,对应谐振频率范围在1619～2171M Hz之间变化,可以满足要求.图2 单谐振腔模型 图3 谐振频率与加载电容关系3.2 腔间耦合系数K ij仿真腔间耦合的电性能用耦合系数K ij表示.当两134第2期刘鹏宇,张玉虎等:基于H FSS设计同轴腔滤波器个相邻的谐振腔耦合在一起、并且对源和负载具有非常小的耦合时,K ij 与相邻腔谐振频率f 1、f 2存在如下关系[7]:K 12=2(f 2-f 1)/(f 2+f 1)(3)因此,对两个相邻谐振腔在不接源和负载(图4)情况下进行Eigenmode 分析(modes =2),得到在不同圆孔半径下对应的谐振频率f 1、f 2,从而绘制出对应的腔间耦合系数曲线(图5).结果表明耦合孔越大,耦合越强.图4 腔间耦合系数仿真模型图5 耦合圆孔与耦合系数关系3.3 有载品质因数Q L 仿真当单个谐振腔耦合源和负载时,有载品质因数Q L 与谐振频率f o 及3dB 带宽Δf 3dB 存在如下关系[7]:Q L =f o /Δf 3dB(4)建立模型对单谐振腔加载源和负载(图6),进图6 有载品质因数 图7 耦合圆环与有载品质仿真模型因数关系行Driven Terminal 分析,得到在不同耦合圆环半径下对应的有载品质因数Q L 曲线(图7).耦合环越大,耦合越强,Q L 值越低. 根据公式(1)、(2)中计算结果,对照以上仿真分析图表,即可选取适当的结构参数,在H FSS 中完成整个滤波器的建模(图1),经过进一步优化,获取理想的特性曲线,确定最终的结构尺寸:r _apert ure =3.18mm ,r _loop =2.6mm .4 实测结果与分析综合上述设计及优化结果,并考虑到为实物调试时留有一定的调整余量,耦合孔和耦合环半径均取的略小一些,确定最终的加工尺寸见表2.表2 同轴腔滤波器结构加工尺寸结构参数a bltl 1l 2r _loop r _aperture尺寸/mm 3.25929314142.53 按照表2结构尺寸机械加工,进行适当的谐振频率和耦合调整,获得了满意的特性曲线(图8),达到技术指标要求(表3).结果表明,插入损耗、带外抑制实测结果比与仿真结果要差一些.这是可以理解的,因为HFSS 仿真是在理想边界条件下进行的,而滤波器实物是由三个单谐振腔和输入输出端口组合在一起的,,还有腔体内部镀银表面不光滑,这些都会引入损耗[8],导致Q 0值降低,使得插损、带外抑制指标略有变差.图8 实测(粗线)与仿真(细线)滤波器响应表3 滤波器测试数据技术参数工作频率f 0插入损耗L A带宽(Δf 3dB )通带波动L Ar 阻带抑制L A s(f 0±15M Hz )驻波比指标要求2.065GHz 1.75dB8.5M Hz 0.15dB33.6dB1.345 结束语本文利用ANSO F T HFSS 仿真软件对同轴腔滤波器中的谐振腔、腔间耦合及输入输出激励进行了优化设计,确定了滤波器实际结构尺寸,测试结果与仿真一致.该方法可以有效并准确地替代传统试验方法,也可以应用在其它的微波滤波器设计中.参考文献:[1] 廖承恩,陈达章.微波技术基础[M].北京:国防工业出版社,1979.[2] 甘本,吴万春.现代微波滤波器的结构与设计[M].北京:科学技术出版社,1973.[3] Hong Jia 2Sheng.Microstrip Filters for RF/Microwave Applications ,ncaster C opyrightc 2001John W illy &S ons ,Inc.pp.29261.[4] K urzrok R.M.Design of C omb 2Line Band 2Pass Filters (C orrespon 2dence )[J ].T ransactions on Microwave Theory and T echniques ,Jul.1966,T 2MTT 214(7):3512353.[5] 姚毅,黄尚锐.调谐滤波器的腔间耦合结构研究[J ].微波学报,1994(1):16222.[6] K urzrok R M.Design of Interstate C oupling Apertures for Narrow 2Band T unable C oaxial F ilters[J ].(C orrespondence )IRE T rans.on M i 2crowave ’Theory and T echniques ,March ,1961,MTT 210:1432144.[7] Randall W.Rhea ,HF Filter Design and Computer Simulation[M ].Mc Graw 2Hill ,Inc.,1995.[8] 高葆新.波导带通滤波器的设计[J ].国外电子测量技术,2001(1):34237.234电 子 器 件第30卷。
HFSS培训教程终稿(2024)
将连续的定解区域用有限个离散点构 成的网格来代替，这些离散点称作网 格的节点；将连续定解区域上的连续 变量的函数用在网格上定义的离散变 量函数来近似；将原方程和定解条件 中的微商用差商来近似，积分用积分 和来近似，于是原微分方程和定解条 件就近似地代之以代数方程组。
矩量法
将连续方程离散化为代数方程组的一 种数值方法，首先将待求解的数学物 理方程写成带有微分或积分算符的算 子方程，再将待求函数表示为某一组 选用的基函数的线性组合并代入算子 方程，最后用一组选定的权函数对所 得的方程取矩量，就得到一个矩阵方 程或代数方程组。
12
HFSS软件建模方法
01
自顶向下建模
从整体到局部，先建 立总体结构，再逐步 细化各部分细节。来自02自底向上建模
从局部到整体，先建 立各个零部件，再组 合成完整模型。
03
参数化建模
利用参数化技术，通 过调整参数来改变模 型形状和尺寸，提高 建模效率。
04
脚本建模
使用脚本语言编写建 模程序，实现自动化 建模和批量处理。
分析高速电路中的信号传输和 电磁干扰问题，优化互连结构
设计。
2024/1/29
14
04
HFSS软件仿真技术
Chapter
2024/1/29
15
HFSS软件仿真流程
设置边界条件和激励
为模型设置合适的边界条件和 激励源，以便进行准确的仿真 分析。
求解设置
设置求解参数和求解器，以便 进行高效的仿真计算。
后处理界面
提供数据可视化工具，支持用户 对求解结果进行查看和分析。
8
HFSS软件基本操作
创建新项目
选择适当的工作目录和文件名，设置 求解类型和其他相关参数。
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HFSS13微带滤波器教程本例设计一个带通滤波器，通过微带线结构实现，工作频率覆盖5.4GHz-6.2GHz。
选用基板材料为Rogers 4350,其相对介电常数为 3.66，厚度为h=0.508mm，金属覆铜厚度h1=0.018mm，表1 模型初始尺寸Array设计步骤（以HFSS13.0为例）一开始（一）建立工程1.在HFSS窗口中，选择菜单File->New2.从Project菜单中，选择Insert HFSS Design（二）设计求解模式1.选择菜单HFSS->Solution Type2.在Solution Type窗口，选择Driven Modal,点击OK二建立3D模型（一）定义单位并输入参数表1.选择菜单Modeler->Units2.设置模型单位：mm，点击OK3.选择菜单栏HFSS->Design Properties再弹出的窗口中，点ADD添加参量，将上面模型的参数表中的变量全部添加进去，如下图：（二）创建金属板R11.在菜单栏中点击Draw->Box,创建Box12.双击模型窗口左侧的Box1，改名为R1，再点击Material后面按钮，选择Edit，选择Copper，点击确定。
3.双击左侧R1的子目录Createbox，修改金属板大小及厚度。
Position输入坐标（0mm,0mm,0mm），金属板长L1=7.2mm，宽W1=0.8mm，厚h1=0.018mm。
点击确定。
（三）创建金属板R1_11.在菜单栏中点击Draw->Box,创建Box22.双击模型窗口左侧的Box2，改名为R1_1，再点击Material 后面按钮，选择Edit，选择Copper，点击确定。
3.双击左侧R1_1的子目录Createbox，修改金属板大小及厚度。
Position输入坐标（W1+S1,0mm,0mm），S1=0.14mm，金属板长L1=7.2mm，宽W1=0.8mm，厚h1=0.018mm。
点击确定。
（四）创建金属板R21.在菜单栏中点击Draw->Box,创建Box32.双击模型窗口左侧的Box3，改名为R2，再点击Material 后面按钮，选择Edit，选择Copper，点击确定。
3.双击左侧R2的子目录Createbox，修改金属板大小及厚度。
Position输入坐标（W1+S1,L1,0mm），金属板长L2=7.1mm，宽W2=1.1mm，厚h1=0.018mm。
点击确定。
（五）创建金属板R31.在菜单栏中点击Draw->Box,创建Box42.双击模型窗口左侧的Box4，改名为R3，再点击Material 后面按钮，选择Edit，选择Copper，点击确定。
3.双击左侧R3的子目录Createbox，修改金属板大小及厚度。
Position输入坐标（W1+W2+S1+S2 ,L1 ,0mm），S2=0.6mm，金属板长2*L2=14.2mm，宽W2=1.1mm，厚h1=0.018mm。
点击确定。
（六）创建金属板R41.在菜单栏中点击Draw->Box,创建Box52.双击模型窗口左侧的Box5，改名为R4，再点击Material 后面按钮，选择Edit，选择Copper，点击确定。
3.双击左侧R4的子目录Createbox，修改金属板大小及厚度。
Position输入坐标（W1+2*W2+S1+2*S2,L1+L2,0mm），金属板长L2=7.1mm，宽W2=1.1mm，厚h1=0.018mm。
点击确定。
（七）创建金属板R51.在菜单栏中点击Draw->Box,创建Box62.双击模型窗口左侧的Box6，改名为R5，再点击Material 后面按钮，选择Edit，选择Copper，点击确定。
3.双击左侧R5的子目录Createbox，修改金属板大小及厚度。
Position输入坐标（W1+3*W2+S1+2*S2,L1+2*L2,0mm），金属板长L1=7.2mm，宽W1=0.8mm，厚h1=0.018mm。
点击确定。
（八）创建金属板R5_21.在菜单栏中点击Draw->Box,创建Box72.双击模型窗口左侧的Box7，改名为R5_2，再点击Material 后面按钮，选择Edit，选择Copper，点击确定。
3.双击左侧R5_2的子目录Createbox，修改金属板大小及厚度。
Position输入坐标（W1+3*W2+2*S1+2*S2, L1+2*L2, 0mm），金属板长L1=7.2mm，宽W1=0.8mm，厚h1=0.018mm。
点击确定。
（九）创建微带馈线Feed11.在菜单栏中点击Draw->Box,创建Box82.双击模型窗口左侧的Box8，改名为Feed1，再点击Material 后面按钮，选择Edit，选择Copper，点击确定。
3.双击左侧Feed1的子目录Createbox，修改微带馈线大小及厚度。
Position输入坐标（W1,0mm,0mm），微带馈线长L0=5.0mm，宽W0=1.1mm，厚h1=0.018mm。
点击确定。
（十）创建微带馈线Feed21.在菜单栏中点击Draw->Box,创建Box92.双击模型窗口左侧的Box9，改名为Feed2，再点击Material 后面按钮，选择Edit，选择Copper，点击确定。
3.双击左侧Feed2的子目录Createbox，修改微带馈线大小。
Position输入坐标（W1+3*W2+2*S1+2*S2,2*L1+2*L2,0mm），微带馈线长L0=5.0mm，宽W0=1.1mm，厚h1=0.018mm。
点击确定。
（十一）创建介质板Sub1.在菜单栏中点击Draw->Box,创建Box102.双击模型窗口左侧的Box10，改名为Sub，再点击Material 后面按钮，选择Edit，选择Rogers 4350，点击确定。
3.双击左侧Sub的子目录Createbox，修改基板大小。
Position 输入坐标（-a ,-L0 ,-h），a=6mm，基板厚度h=0.508mm,基板长为2*L1+2*L2+2*L0，宽为b=17mm。
点击确定。
（十二）设置金属地面1.选中介质板Sub，在菜单栏中点击Edit->Select->Faces，然后点击选中介质板的下底面。
2.在菜单栏中点击HFSS->Boundaries->Assign->Perfect E,点击OK。
（十三）创建空气盒Air1.在菜单栏中点击Draw->Box，在模型窗口任意创建Box11。
2.双击模型窗口左侧的Box11,改名为Air,点击确定。
3.双击模型窗口左侧Air的子目录Createbox,修改空气盒大小。
空气盒边界距离滤波器应该有四分之一波长，在此我们以频率5GHz计算，5GHz空气中的波长为60mm，则空气盒边界距离滤波器距离为15mm，由于滤波器下面辐射较少，下面距离空气盒边界的距离可以小一些。
设置空气盒位置及大小参数，如下图所示：Position输入坐标（-a-10mm ,-L0-10mm ,-h-3mmm），空气盒长为2*L1+2*L2+2*L0+10mm*2，宽为b+10mm*2，高为h+3mm+15mm。
4.选中Air空气盒，设置为辐射边界条件。
（十四）设置激励端口Port11.在菜单栏中点击Modeler->Grid Plane->XZ，再点击菜单栏中Draw->Rectangle，在模型窗口任意创建Rectangle1。
2.双击模型窗口左侧的Rectangle1,改名为Port1，点击确定。
3.双击模型窗口左侧Port1的子目录Createrectangle，修改馈电口大小。
Position输入坐标（W1-W0 ,-L0 ,-h），馈电口高为h=0.508mm，宽为W0=1.1mm。
点击确定。
4. 选中Port1,在菜单栏点击HFSS->Excitation->Assign->Lumped Port，点击下一步，画积分线，积分线由地面金属层直线微带线中心，垂直于金属层，再点击下一步，选择Renormalize选项，完成。
（十五）设置激励端口Port21.在菜单栏中点击Moderler->Grid Plane->XZ，再点击菜单栏中Draw->Rectangle，在模型窗口任意创建Rectangle2。
2.双击模型窗口左侧的Rectangle2,改名为Port2，点击确定。
3.双击模型窗口左侧Port2的子目录Createrectangle，修改馈电口大小。
Position输入坐标（W1+3*W2+2*S1+2*S2 ,2*L1+2*L2+L0 ,-h），馈电口高为h，宽为W0。
点击确定。
4. 选中Port2,在菜单栏点击HFSS->Excitation->Assign->Lumped Port，和port1的设置相同，点击下一步，画积分线，再点击下一步，选择Renormalize 选项，完成（十七）保存最终的模型如下图：三求解，仿真（一）设置求解频率点击菜单中HFSS->Analysis setup->Add solution setup，求解频率设为5.5GHz，点击确定。
（二）设置扫频点击菜单HFSS->Analysis setup->Add frequency sweep，选择sweep type为fast，扫频从2GHz到10GHz，点击OK。
(三) 检验参数菜单HFSS->validation check(四) 求解1、HFSS->Analyze All2、观察仿真是否收敛：HFSS->Results->Solution Data，当曲线下降到水平暗红色线以下，表示结果已经收敛，仿真结果达到业界公认的一个精确度。
3、由于HFSS 对内存要求很高，对于内存小于8G 的电脑很容易出现以下问题。
此时可以（1）减小模型尺寸（比如空气盒的尺寸），以减小问题求解规模（2）减少HFSS网格划分迭代的次数。
双击点击setup1，将maximum number of 设置为10，或者更小值6，以牺牲精确度的方法来进行仿真，适用于前期对仿真结果精确度要求不高的情况下。
(五) 看结果1.选择HFSS->Results->Create Modal Solution->Rectangular plot。
2.选择Category目录下的S Parameter，按下Ctrl键同时选择Quantity目录下的S(1,1)和S(2,1)，再点击New Repot按钮。