基于HFSSKu波段微帶發(fā)夾線濾波器設計

1、本科畢業(yè)論文( 2016 屆 ) 題 目： 基于HFSS的KU波段微帶發(fā)夾線濾波器的設計 學 院： 信息工程學院 專 業(yè)： 電子信息工程專業(yè) 學生姓名： 年東亞 學號： 21206022033 指導教師： 何寧業(yè) 職稱（學位）： 助教 合作導師： 孫劍 職稱（學位）： 講師 完成時間： 2016年 5月 15日 成 績： 黃山學院教務處制學位論文原創(chuàng)性聲明茲呈交的學位論文，是本人在指導老師指導下獨立完成的研究成果。本人在論文寫作中參考的其他個人或集體的研究成果，均在文中以明確方式標明。本人依法享有和承擔由此論文而產生的權利和責任。聲明人（簽名）：年 月 日目 錄摘要1英文摘要21 引言31.1

2、 研究背景和意義31.2 國內外研究現(xiàn)狀31.3 本文內容和結構安排42 微帶發(fā)夾線濾波器設計及原理42.1 微帶濾波器簡介42.2 重要參數(shù)42.2.1 耦合系數(shù)矩陣（內部耦合）42.2.2 外部品質因數(shù)（外部耦合）52.2.3 S參數(shù)62.3 微帶發(fā)夾線濾波器設計方案62.3.1 設計目標62.3.2 設計原理63 軟件仿真83.1 設計步驟83.2 結果及分析84 總結與展望104.1 總結104.2 展望10參考文獻10致謝11基于HFSS的Ku波段微帶發(fā)夾線濾波器的設計信息工程學院 電子信息工程 年東亞（21206022033）指導教師：何寧業(yè)（助教） 合作導師：孫劍（講師） 摘要：

3、隨著通信技術發(fā)展的日益成熟，濾波器在通信技術中成為了不可缺少的器件，特別是微帶濾波器在各電路網(wǎng)絡中得到了廣泛地應用。本設計以各諧振器間的耦合關系為基礎，通過HFSS軟件仿真實現(xiàn)一款Ku波段微帶發(fā)夾線濾波器。 關鍵詞：耦合；Ku波段；發(fā)夾線The Design of Ku Band Microstrip Hairpin Line Filter Base on The HFSS Nian Dong-ya Director:He Ning-ye Co-Advisor:Sun Jian（School of Information Engineering，Huangshan University，Hua

4、ngshan，China，245041） Abstract：With the development of communication technology matures, filter has become an indispensable device in communication technology, especially the microstrip filter has been widely used in the circuit network. This design is based on the coupling relationship between the r

5、esonator and by HFSS software simulation to achieve a Ku band microstrip hairpin filter.Key Words：The Coupling Coefficient；Ku Band；Hairpin Line1 引言1.1 研究背景和意義隨著時代的前進和科技的進步，大千世界萬物都在時時刻刻的變化著進步著，時代的前進和科技的進步都與通信息息相關。早在遠古時期通信主要是依靠簡單的語言、肢體動作和符號等方式來進行信息之間的交流。19世紀，電報、電話的發(fā)明讓人與人之間通信距離拉近。到了20世紀，計算機的問世，將人們帶入了互聯(lián)

6、網(wǎng)時代1，從此科技成為了全球發(fā)展的核心力量。任何技術的發(fā)展都需要及時的信息交流和反饋，所以通信技術在科技發(fā)展領域中占了不可忽視的地位。微波通信技術由于其高效率、遠距離傳輸、頻帶寬、信息傳輸量大等優(yōu)點2，在通信領域得到了大力的推崇，得到了空前的發(fā)展，并逐漸成通信領域的核心，同時對社會發(fā)展產生了深刻的影響。微帶濾波器作為微波通信中不可缺少的核心器件，也得到了快速地發(fā)展，并受到全社會的青睞，應用范圍十分廣泛，例如航天科技、衛(wèi)星通信、移動通信、互聯(lián)網(wǎng)通信等各個領域。 1.2 國內外研究現(xiàn)狀19世紀初，濾波器這一名詞開始出現(xiàn)在了通信領域中。由國外學者W. P. Mason3發(fā)表的文章中進行微帶濾波器研究

7、。無源濾波器20世紀起從問世到發(fā)展成熟，60年代隨著計算機產業(yè)的快速發(fā)展，G. L. Matthaei4在其專著中對微波濾波器的經典設計方法作出了較全面、系統(tǒng)的介紹，濾波器的發(fā)展被提到了一個新臺階，到70年代后期，擁有單片集成技術的濾波器已被研制出來并得到應用。80年代，開始了對各類新型濾波器的研究，學者們努力開發(fā)出高性能新型濾波器，并使其得到廣泛的應用5。從90年代至今，根據(jù)各類產品而開發(fā)研制的不同類型的濾波器不斷的出現(xiàn)在各個領域，直至今日對濾波器的研究一直在不斷的進行中。 在50年代后期，濾波器的成熟技術在我國也得到了廣泛的應用。話路濾波器和報路濾波器6是當時最主要使用的濾波器。我國對濾波

8、器的研究、生產和自身的應用等方面經過了半個多世紀的發(fā)展逐漸的跟上了國際發(fā)展的步伐，近年來我國在對于濾波器的微帶領域的相關研究也取得了不錯的進展，現(xiàn)有濾波器的種類和所覆蓋的頻率已基本上滿足現(xiàn)有各種電信設備，微波技術研究所的高峻和唐晉生7兩位專家以微波段濾波器為主要研究對象，重點的介紹了微帶濾波器的物理性能及未來應用前景。這也就意味著作為微波通信的核心，微帶濾波器需要加快其發(fā)展速度以更好地適應社會需求8。經過了快一個世紀的極速發(fā)展，國內外對濾波器的研究達到了一個鼎盛的狀態(tài)，在大多數(shù)微波電路中，最常見的就是微帶濾波器了，微帶濾波器因為其具有易于加工、體積小及成本低等特點，并且在與有源電路元件集成是契

9、合程度非常高，此外由于微帶濾波器自身的屬性9，現(xiàn)各國科學家通過改變不同的襯底材料從而實現(xiàn)微帶濾波器可以在很大的頻率范圍內（從幾百MHz到幾十GHz）得到不同的應用，其中最為特殊的就是發(fā)夾型濾波器10。本文所研究的微帶發(fā)夾線濾波器是通過改良半波長耦合微帶線濾波器得到的一種高性能濾波器，具有結構緊湊、易于集成、較強的電性能等特點11。正因它有這些特點，才使得其在高密度高精度小尺寸的電路場合中得到了較為廣泛的應用。1.3 本文內容和結構安排本文主要是通過HFSS軟件仿真設計了一款Ku波段微帶發(fā)夾線濾波器，其通帶諧振頻率在15.816.2GHz之間，并且保持帶外抑制，通過仿真得到微帶線耦合矩陣及其他濾

10、波器的基本參數(shù)12。第一章引言主要敘述了微帶發(fā)夾線濾波器在通信領域中的研究背景及其意義，并且主要重點敘述了國內外濾波器的發(fā)展現(xiàn)狀。第二章原理主要是介紹微帶濾波器。簡介微帶發(fā)夾線濾波器設計要求及原理，并且對微帶濾波器的幾個重要參數(shù)進行重點說明解釋。在解釋過程中引用了部分理論公式和原理曲線圖加以說明。第三章仿真通過HFSS的仿真來得到設計目標Ku波段微帶發(fā)夾線濾波器，分析濾波器中各參數(shù)的相互影響，并對仿真結果進行分析和解釋說明。第四章總結與展望總結本課題從始到終所有的工作，對未來濾波器的研究方向的展望2 微帶發(fā)夾線濾波器設計及原理2.1 微帶濾波器簡介微帶濾波器的主要作用是在信息傳輸過程中來抑制不

11、需要的信號，把它截止在濾波器外使其不能通過濾波器，使得需要傳輸?shù)男盘柾ㄟ^并完成信息傳輸和交流13。濾波器性能在微波電路中對電路性能指標影響很大，因此設計出一個具有高性能的微帶濾波器，對設計微波電路系統(tǒng)來說具有重要的意義。微帶濾波器的性能與其自身參數(shù)的配置有著密切的關系。例如品質因數(shù)Q、絕對衰減、帶寬、中心頻率、相移、反射損耗等14。其中品質因數(shù)Q及帶寬和中心頻率是控制著濾波器性能的主要參數(shù)。一般來說研究一個微帶濾波器的性能參數(shù)，必須要把其品質因數(shù)和耦合系數(shù)分析研究透徹，因為外部耦合與內部耦合共同決定了濾波器的組成結構及其性能。2.2 重要參數(shù)2.2.1 耦合系數(shù)矩陣（內部耦合）根據(jù)耦合諧振電路

12、理論設計的濾波器在諧振器的選擇上具有相當高的靈活性。只要知道了濾波器的耦合系數(shù)矩陣（內部耦合）和外部品質因數(shù)（外部耦合）就可以設計出所需要的濾波器，并且能在構成這樣的濾波器的形式上形成多樣性，而且能使設計出的濾波器的性能上保持一致。所以從耦合系數(shù)這個重要的參數(shù)出發(fā)研究和設計濾波器是最有效最快捷的辦法。對于發(fā)夾線濾波器的設計來說也是這樣，微帶發(fā)夾線濾波器的阻抗矩陣主要由耦合系數(shù)、外部品質因數(shù)及頻率變換式p三個部分成，即阻抗矩陣可分解為： 其中U為單位矩陣：q也是矩陣；m為濾波器的耦合系數(shù)矩陣。在同步調諧的濾波器中，耦合系數(shù)表示為： 其中,i=1,1,代表的是諧振器間有耦合時的諧振頻率。各個諧振器

13、單元的相對位置不同，得到的諧振單元之間的耦合系數(shù)則不同。2.2.2 外部品質因數(shù)（外部耦合）影響諧振單元位置的因數(shù)主要是兩終端的外部品質因數(shù)值（、）和諧振器之間的耦合系數(shù)，外部品質因數(shù)和耦合系數(shù)的關系可表示為： 其中、分別表示濾波器外部品質因數(shù)，F(xiàn)BW表示濾波器的相對帶寬，n表示濾波器的階數(shù)，表示低通原型的元件值，i表示正整數(shù)，且。在預想的條件下若諧振器的損耗很小，則反射系數(shù)S(1,1)的幅度近似為1，但是反射系列的曲線相位會隨著頻率的變化而改變，圖2-1示出了S(1,1)的相位隨頻率變化的曲線。 外部品質因素的表達式為： 通過以上理論可以看出，在進行濾波器設計的時候只確定好耦合系數(shù)矩陣和外部

14、品質因數(shù)，才能通過調整輸入和輸出的饋線位置來得到設計要求所需要的外部品質因數(shù)值。通過調整諧振器單元相對位置，控制各個單元之間的耦合系數(shù)，來得到需要的耦合量的大小-45 -90 -135-180圖 2-1 相位變化曲線2.2.3 S參數(shù)微波網(wǎng)絡是以低頻網(wǎng)絡為基礎發(fā)展而來的，在進行電路分析中，低頻電路的分析比較特殊，一般對于一個網(wǎng)絡存在Y參數(shù)、Z參數(shù)和S參數(shù)時，三個參數(shù)都可以用來測量和分析，其中Y稱為導納參數(shù)，Z稱為阻抗參數(shù)，S稱為散射參數(shù)15。 S參數(shù)是微波傳輸中的一個重要參數(shù)，在微波電路中以入射波和反射波的關系為基礎建立的一個網(wǎng)絡參數(shù)。S參數(shù)廣泛的應用于微波電路的分析

15、，以一個器件端口的反射信號以及從此端口傳向另一端口的入射信號來描述和分析電路網(wǎng)絡。在微波網(wǎng)絡中用不同的S符號來表示不同的S參數(shù)16。例如S21為正向傳輸系數(shù)，也稱為增益系數(shù)。S12為反向傳輸系數(shù)，也稱為隔離系數(shù)。S11為輸入反射系數(shù)，也稱為輸入回波損耗。S22為輸出反射系數(shù)，也稱為輸出回波損耗。在本文研究的微帶發(fā)夾線濾波器的設計中用到的就是S11和S21兩種網(wǎng)絡參數(shù)。2.3 微帶發(fā)夾線濾波器設計方案2.3.1 設計目標使用HFSS仿真軟件設計實現(xiàn)通帶諧振中心頻率在16GHz的微帶發(fā)夾線型濾波器，使其外部品質因數(shù)：Q=38.9、通帶頻率在15.8GHz至16.2GHz之間、輸入和輸出阻抗為50歐

16、姆、帶外抑制15.4GHz時衰減大于40dB、16.6GHz時衰減大于40dB。然后采用Rogers 5880材料為介質基片進行仿真，并分析結果中濾波器的各項性能指數(shù)。2.3.2 設計原理本設計的濾波器是由發(fā)夾型諧振器并排排列耦合而成，是半波長耦合微帶濾波器的一種變形結構，是將半波長諧振耦合器折成U字型構成的。因此本設計原理是通過把切比雪夫濾波器經過改良得到工作中心頻率在16GHz的微帶發(fā)夾線濾波器。通過改變其耦合系數(shù)M及外部品質因數(shù)Q的值來實現(xiàn)設計目標所需要的發(fā)夾線濾波器的各個參數(shù)值。利用HFSS仿真軟件進行發(fā)夾線型濾波器的3D模型的建立及仿真，并且通過分析仿真結果進行濾波器的優(yōu)化改進。Ro

17、gers RT/duroid 5880(tm)是本設計介質基片采用的材料，通過2-1介質基片參數(shù)表格得到介質基片的介電常數(shù)=2.2。通過濾波器參數(shù)計算公式（2-6）（2-8）可以計算出當發(fā)夾線型濾波器的中心頻率為16GHz時，其結構中發(fā)夾諧振器的臂長L的值大約為3.27mm。通過表2-2的發(fā)夾線濾波器的耦合矩陣參數(shù)和公式（2-9）（2-10）計算出當濾波器的外部品質因數(shù)Q為38.9時抽頭微帶線到發(fā)夾諧振器中間位置的距離大約為0.605mm。表 2-1 介質基片參數(shù)介質基片Rogers RT/duroid 5880(tm)參數(shù)銅厚介質厚度銅電導率介質介電常數(shù)介質損耗角正切0.017mm0.254

18、mm5.8Xe7siemes/m2.20.0009 表 2-2 耦合矩陣參數(shù)S1S2S3S4S5SLS0S00.02530.02160.01590.02160.02530L0.02530.02160.01590.02160.025300 （2-6） （2-7） （2-8） （2-9） （2-10）根據(jù)上面設計所計算出的參數(shù)作為濾波器的原始參數(shù)，初步確定發(fā)夾線濾波器結構的具體尺寸，利用HFSS仿真軟件建立濾波器結構模型，進行模擬、調諧、優(yōu)化等過程，并把得到的結果進行分析。由于微帶發(fā)夾線濾波器被較多的應用在微波低頻率時段，然而進入Ku波段以后，實際的濾波器參數(shù)值與相關理論公式計算所得出的理論值已經

19、存在了一定的誤差，在仿真結果中最主要的體現(xiàn)就是出現(xiàn)一定的頻率偏移和駐波特性變差，因此在大多數(shù)的微波電路設計中，都會進行優(yōu)化設計。一般利用優(yōu)化算法中的隨機算法和梯度算法進行優(yōu)化，經優(yōu)化得出理想的仿真結果。3 軟件仿真3.1 設計步驟（1） 打開HFSS軟件，新建一個工程并重命名，創(chuàng)建一個HFSS Design，保存在指定路徑；（2） 設置求解類型，在HFSS的中Solution Type選擇所需要的求解類型，系統(tǒng)默認的一般為Driven Modal；（3） 創(chuàng)建微帶濾波器結構模型（3D Model）；包括介質基片及空氣盒子并分別設置他們的幾何參數(shù)和材料屬性；（4） 創(chuàng)建諧振器電路；需要添加定義變

20、量、創(chuàng)建諧振器的微帶饋線和創(chuàng)建諧振器微帶線電路，然后分別設置三部分的幾何參數(shù)及材料屬性；（5） 設置端口激勵；創(chuàng)建Rectangle模型并通過“Wave Port：Modes”進行激勵端口的設置；（6） 求解設置；運用HFSS軟件中的Project Manager窗口中的Analysis功能模塊進行求解設置；在Solution Ferquecy窗口中的頻率應為16GHz，同時也是濾波器的中心頻率；（7） 掃頻設置；在求解過后的Analysis節(jié)點的Setup1進行掃頻設置；設置掃頻范圍為1319GHz，掃頻點為501個點；（8） 檢查工程；運用Validate功能，檢查工程設計有無問題、利用A

21、nalysis運行仿真計算；（9） 濾波器設計的數(shù)據(jù)處理與分析，并且對未達到的設計要求進行優(yōu)化及分析；3.2 結果及分析運用HFSS仿真軟件制作出一個通帶頻率范圍在15.816.2GHz的發(fā)夾線濾波器，其整體電路模型如3-1圖所示由下圖3-1可知，發(fā)夾線濾波器的整體結構直觀的表現(xiàn)就為發(fā)夾式相互耦合。發(fā)夾線濾波器模型由5個諧振器、2個抽頭、1個介質基片及2個邊界組成；抽頭的位置和各個諧振器間的間距分別決定了濾波器的外部品質因數(shù)和內部耦合系數(shù)。圖 3-1 微帶發(fā)夾線濾波器模型圖3-2是根據(jù)上文設計方案中所得設計的初始值，通過仿真軟件建模、運算、分析后得到仿真的結果，由圖3-2可以得出，3dB帶寬頻

22、率約為490MHz，濾波器的中心頻率大約為16.8GHz偏移高頻段，通帶內的插入損耗約為3.7dB，帶內反射均小于13.6dB；雖然實現(xiàn)了發(fā)夾線濾波器，但是未能完全達到設計目標要求，需要對濾波器電路進行設計優(yōu)化。圖 3-2 發(fā)夾線濾波器仿真掃描結果濾波器的中心頻率往高頻偏移，需要將諧振器的長度L略微的變長；3dB帶寬略寬，需要增大諧振器的間距，同時兼顧帶內反射的要求。對更改優(yōu)化后的設計重新仿真得到圖3-3的結果。根據(jù)下圖3-3得出，當把dB(S(2,1)的優(yōu)化目標設置為頻率范圍在15.816.2GHz內小于等于-20，權重為1，dB(S(2,1)的優(yōu)化目標設置為頻率范圍在1315.4GHz和1

23、6.4819GHz內小于等于-40權重均為1。從圖形中得出濾波器通帶頻率約為15.800GHz到16.400GHz。濾波器的中心頻率大約16.0GHz左右，而且通過圖可以得出帶外頻率為15.4GHz時約為-26dB左右，帶外頻率為16.6GHz時約為-15dB左右。因此由圖3-3中各濾波器參數(shù)可以看出濾波器達到設計要求，實現(xiàn)了設計目標。圖 3-3 發(fā)夾線濾波器優(yōu)化仿真掃描結果從第一次仿真到最后的優(yōu)化達到設計要求的濾波器可以得到，優(yōu)化后電路各參數(shù)通常不是整數(shù)。當輸入/輸出抽頭為50歐姆線，長度的微小變化對濾波器的頻率特性不產生影響。4 總結與展望 4.1 總結本文是基于HFSS軟件仿真實現(xiàn)Ku波

24、段微帶發(fā)夾線濾波器。經過本次畢業(yè)設計的研究，了解了微帶發(fā)夾線濾波器作為微波電路中重要器件，研究它所具有的重要意義。微帶發(fā)夾線濾波器是通過傳統(tǒng)的切比雪夫濾波器經改良而成，其中濾波器的耦合系數(shù)和外部品質因數(shù)決定了其性能參數(shù)。以設計要求的目標參數(shù)為基礎，經過濾波器的相關理論公式計算出發(fā)夾線濾波器的各參數(shù)初始值。利用HFSS仿真軟件進行建模研究，經過分析仿真結果與理想目標的差距進行優(yōu)化從而最后達到理想目標。4.2 展望本文設計的Ku波段微帶發(fā)夾線濾波器的主要通帶頻率在15.816.4GHz，還可以在原先的基礎上進一步擴展通帶頻率，使得在保持中心頻率不變的條件下，達到擴展通帶頻率的效果。在如今大數(shù)據(jù)的時

25、代下，大部分信息傳輸?shù)倪^程中，通常一個微波電路的信息波段范圍很大，因此當發(fā)夾線濾波器的通帶頻率范圍擴大后，可以有效的提高濾波器的工作能力，使得濾波器具有更高的應用價值。在國內外微波電路的設計中，除了HFSS仿真軟件還可以利用CAD軟件進行濾波器電路的設計及優(yōu)化。使得簡化了設計難度，更好的實現(xiàn)設計目標。參考文獻1 王悠. “信息大數(shù)據(jù)”概念新論J.新聞傳播.2014, 35 (4):21-34. 2 白杉.微波通信的回顧與展望J.電力系統(tǒng)通信. 2002,56(2):25-46. 3 J.G.Bednorz,K.A. Mller. Possible highTc super conductivity the Balacuo systemJ.1986,21(5):1-6.4 D.W. Face,R.J. Small,M.S. Warrington,F.M. Pellicone,P.J. Martin. Large area YBa2 Cu3 O7 and Tl2 Ba2 CaCu2O8 thin films for microwave and electronic applicationsJ.2001,167(8):1488-14