实验二 源-负载耦合的交叉耦合滤波器设计与仿真

1、实验二源-负载耦合的交叉耦合滤波器设计与仿真一、实验目的设计一个源-负载耦合的交叉耦合滤波器2查看并分析该源-负载耦合的交叉耦合滤波器的S参数二、实验设备装有HFSS13.0软件的笔记本电脑一台三、实验原理交叉耦合滤波器在非相邻谐振腔之间引入了交叉耦合，以得到有限频率传输零点，从而提高了滤波器的选择特性。一般来讲，一个N腔交叉耦合滤波器最多能实现N-2个传输零点。对于给定的一种含有N个谐振器的滤波器，如果在源与负载之间也引入耦合，则可实现N个传输零点。源-负载耦合的交叉耦合滤波器等效电路模型如图所示。在上图所示的等效电路模型中，M表示各个谐振腔之间的耦合系数，M、M分别ijSiiL表示源、负载

2、与第i个腔之间的耦合系数。M则表示源与负载之间的耦合系数。整个电路SL由N个谐振腔构成，各个谐振腔之间是电感耦合。对于窄带滤波器，做如下规一化：=1，Ao=10这里o为中心频率，A为相对带宽。0回路矩阵方程为：E=ZI=(sU。+jM+R)I其中，U是将(N+2)X(N+2)阶单位矩阵中第一个元素和最后一个元素令为0,其它元素都保持不变所得的矩阵。M是耦合矩阵，是一个(N+2)X(N+2)阶方阵，其中对角线上的元素代表每一个谐振腔的自耦合，它表示每一个谐振腔的谐振频率f与滤波器的中心频率if之间的偏差。(在同步调谐滤波器中，我们认为每个谐振腔的自耦合系数的值都取零)。o矩阵中非对角线上的元素表

3、示各个谐振腔之间的耦合系数。R矩阵是(N+2)X(N+2)阶方阵，除R(1,1)二R,R(N+2,N+2)二R?非零以外，其它元0kL素值都等于零。D(Z)由上可得到该滤波器网络的传输函数iRt(s)二亠2e12其中，D（cofZiN）表示Z矩阵的第一行；第N列元素的代数余子式；D电）表示Z矩阵的行列式。对上式做进一步分析，可以发现：其分子多项式与分母多项式是同阶多项式。因此，必须选择分子分母同阶的函数形式作为源负载耦合交叉耦合滤波器的逼近函数。一般情况下，我们可以通过将奇数阶椭圆函数的分子多项式舍去一个零点，或者直接选择偶数阶椭圆函数作为逼近函数。这里需要指出的是，两种逼近函数的构造方法，都

4、必须对波纹系数做一定的修正。将滤波器看作一个二端口网络，那么其导纳矩阵为Y=yii(s)y21(s)y12y22yd(s)y11n(s)y21n(s)y12ny22n(s)k=1这里假设源和负载阻抗相等并设为1Q,则当N为偶数时，y(s)=y(s)y(s)=n(s)m(s)2222n-d11y(s)=y(s)y(s)=lp(s)s1m(s)2121nd1当N为奇数时，yCs)=y(s)；yCs)=mCs)nCs)2222nd11(s)=y(s)y(s)=Ip(s)sn(s)21nd1y2111k21kr12kr22k其中，m(s)=Re(e10f)+jIm(e+f)s+Re(e+f)s2+01

5、122(s)=jIm(e+f)+Re(e+f)s+jIm(e+f)s2+22其中：ei、fi分别是F、E的复系数,i=0,1,2,N；F、E（s）分别是反射函数的分子、分母多项式。而对于一个含源-负载交叉耦合的滤波器，其第k个谐振腔单元电路（如图下图所示）的传输矩阵A（这里忽略了每一个谐振腔之间的耦合）为MkLMSksC+jBkkMMMSkkLSM第k个谐振腔与源、负载之间的耦合N腔源-负载耦合交叉耦合滤波器拓扑结构根据传输矩阵A与导纳矩阵Y之间的转换关系，求得对应的Y矩阵:yC)yllk(s)21kys丿IMM2kJ=SkkL-y(s丿(sC+jB)llkkkMSkMkLMJkLMSksC+

6、jBkkMlSkMMSkkLMMISkkLJM2kLMI1_M2MMISLSkSkkLJ0JsC+jBMMM2-1k二1kkSkkLkLyyk(ss)2ky12ky22k整个网络的短路导纳矩阵为各子网络的导纳矩阵之和yC)yC”yy1l(s)y12(s沪sl+艺2122k二1观察上式，得到MSL=KO,Ck=1,Bk=-入k,M2Lk=r22k,MSkMLk=r21k。这样，就可以确定出耦合矩阵,再根据实际结构耦合的可实现性，对耦合矩阵进行相似变换，从而确定可以实现的耦合矩阵。四、实验内容设计一个源负载耦合的交叉耦合滤波器,其指标要求如下:中心频率:3.3GHz相对带宽:0.02MHz带内回波

7、损耗:20dB阻带最小衰减:25dB此滤波器通过微带结构实现。选用介质板的材料为氧化铝陶瓷,其相对介电常数为r=9.8，厚度为h=0.5mm。该设计与仿真采用两腔谐振器，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1.建立新工程了方便建立模型，在ToolOptionsHFSSOptions中讲DuplicateBoundarieswithgeometry复选框选中。将求解类型设置为激励求解类型：在菜单栏中点击HFSSSolutionType。在弹出的SolutionType窗口中选择DrivenModal。点击OK按钮。设置模型单位在菜单栏中点击3DModelerUnits。在设置单

8、位窗口中选择：mm。建立滤波器模型(1)首先建立介质基片在菜单栏点击DrawBox，这样可以在3D窗口中创建长方体模型。输入长方体的起始坐标：X：-5.5,Y：-8,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：11,dY：16,dZ：-0.5；按回车键结束输入。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。点击Material对应的按钮，将材料设置为Al2_O3_ceramic。点击Color后面的Edit按钮，将颜色设计为绿色，点击OK结束。(2)建立Ring_1在菜单栏中

9、点击DrawRegularPolygon。在坐标输入栏中输入中心点的坐标：X：0,Y：0,Z:0按回车键。在坐标输入栏中输入半径向量：dX：3.8683,dY：0,dZ：0按回车键。在弹出的SegmentNumber窗口中将多边形数改为6.在特性(Property)窗口中选择Attribute标签，将该名字修改为Ring。在菜单栏中点击DrawRegularPolygon。在坐标输入栏中输入中心点的坐标：X：0,Y：0,Z:0按回车键。在坐标输入栏中输入半径向量：dX：2.1362,dY：0,dZ：0按回车键。在弹出的SegmentNumber窗口中将多边形数改为6.在特性(Property)

10、窗口中选择Attribute标签，将该名字修改为Inner。在菜单栏中点击EditSelectByName,在弹出的窗口中利用Ctrl键选择Ring_1和Inner。在菜单栏中点击3DModelerBooleanSubtract,在Subtract窗口中作如下设置：BlankParts:Ring_1ToolParts:InnerClonetoolobjectsbeforesubtract复选框不选，点击OK结束设置。移动Ring_1将Ring沿Y轴作微小的移动。在菜单栏中点击EditSelectByName，在弹出的窗口中选择Ring_1。在菜单栏中点击EditArrangeMove,在坐标输

11、入栏中输入移动的向量。X：0，Y：0，Z：0dX：0,dY：-3.8683mm*sin(pi/3)-0.14555mm,dZ：0,按回车键结束输入。建立矩形Cut_1，输入的坐标为：X：-0.346,Y：8,Z：0,按回车键结束。dX：0.692,dY：4,dZ：0,按回车键结束同时选中Ring_1和Cut_1,在菜单栏中点击3DModelerBooleanSubtract,在Subtract窗口中作如下设置：BlankParts:Ring_1ToolParts:Cut_1Clonetoolobjectsbeforesubtract复选框不选，点击OK结束设置。创建Ring_2菜单栏中点击Ed

12、itSelectByName,在弹出的窗口中选择Ring_1。在菜单栏中点击EditDuplicateMirror,输入向量。X：0,Y：0,Z：0；dX：0,dY：1,dZ：0,按回车键结束。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。创建Feedline_1在菜单栏中点击DrawLine。在坐标输入栏中输入坐标：X：1.5302,Y：-8.0,Z:0按回车键。X：1.5302,Y：-7.437,Z:0按回车键。X：2.778,Y：-7.437,Z:0按回车键。X：4.5556,Y：-3.4917,Z:0按回车键。X：2.5665,Y：-0.04639,Z:0按回车

13、键。X：1.9892,Y：-0.04639,Z:0按回车键。X：3.9783,Y：-3.4917,Z:0按回车键。X：1.9891,Y：-6.937,Z:0按回车键。X：0.5302,Y：-6.937,Z:0按回车键。X：0.5302,Y：-8.0,Z:0按回车键。X：1.5302,Y：-8.0,Z:0按回车键。在弹出的特性(Property)窗口中选择Attribute标签，将名字修改为Feedline。(6)创建Feedline_2在菜单栏中点击EditSelectByName,弹出的窗口中选择Feedline。在菜单栏中点击EditDuplicateMirror,输入向量，即X：0,Y：

14、0,Z：0；dX：0,dY：1,dZ：0按回车键结束输入。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。(7)组合Ring_1、Ring_2、Feedline_1和Feedline_2在菜单键栏中点击EditSelectByName,在弹出的窗口中利用Ctrl键选择Ring、Ring_2、Feedline_1和Feedline_2。在菜单栏中点击3DModelerBooleanUnit。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。创建端口(1)创建port_1在菜单栏中点击3DModelerGridPlaneXZ。在菜单栏中点击DrawR

15、ectangle，在坐标输入栏中输入如下坐标：X：0.5302,Y：-8，Z：0；dX：1，dY：0，dZ：-0.5按回车键结束输入。将其命名为port。在菜单栏中点击EditSelectByName。在弹出的窗口中选择port_1。在菜单栏点击HFSSExcitationsAssignLumpedPort,在LumpedPort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IntegrationLine中点击None，选择NewLine，在坐标栏中输入以下坐标：X：1.0302,Y：-8,Z：-0.5；dX：0,dY：0,dZ：0.5按回车键结束输入。点

16、击Next直至结束。(2)创建port_2在菜单栏中点击EditObjectsSelectByName,在弹出的窗口中选择Port_1。在菜单栏中点击EditDuplicateMirror输入即X:0,Y:0,Z:0;dX:0,dY:l,dZ:Q按回车键结束。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。创建Air在菜单栏中点击DrawBox或者在工具栏中点击按钮。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：-15,Y：-15,Z：-1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：30,dY：30,dZ：12按回车键结束输入。在特性(Prop

17、erty)窗口中选择Attribute标签，将该长方体的名字修改为Air。设置边界条件(1)设置理想金属边界条件。在菜单栏中点击EditSelectByName,在弹出的窗口中选择Trace。在菜单栏中点击HFSSBoundariesAssignPerfectE。在弹出的对话框中将其命名为Perf_Trace,点击OK按钮。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ByName,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(即8)。在菜单栏中点击HFSSBoundariesAssignPerfect

18、E,在弹出的对话窗中将其命名为Perf_Ground,点击OK按钮。(2)设置辐射边界条件在菜单栏中点击HFSSBoundariesObject，然后点击ByName，选择Air。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)设置求解频率在菜单栏中点击HFSSAnalysisSetupAddSolutionSetup。在求解设置窗口中作如下设置：SolutionFrequency：3.3GHz；MaximumNumbersofPasses：15；MaximumDeltaSperPass：0.02；点击OK按钮。(2)设置扫频在菜单栏中点击HFSSAnalysisSetupAddSweep。选择Setup1,点击OK。在扫频设置窗口中作如下设置:SweepType：Fast；FrequencySetupType:LinearCount；Start：2.6GHz；Stop：4.5GHz；Count:501。将SaveField复选框选中，点击OK按钮。保存工程在菜单栏中点击FileSaveAs,在弹出的窗口中将该工程的命名为shiyan2,并选择路径保存。10.优化处理点击HFSSAnalyzeAll(2)点击HFSSResultCreateModalSolutionDataReport(3