型開(kāi)槽三角形貼片雙模微帶帶通濾波器的研究

1、學(xué)號(hào)：200910321057上海海事大學(xué)本科生畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）T型開(kāi)槽三角形貼片雙模微帶帶通濾波器的研究 學(xué)院：信息工程學(xué)院 專業(yè)：電子信息工程 班級(jí)：092 姓名：姜文俊 指導(dǎo)教師：張友俊 完成日期：2013年5月24日摘 要 隨著電子通信系統(tǒng)在各領(lǐng)域應(yīng)用的飛速發(fā)展，由于微波濾波器設(shè)計(jì)時(shí)具有獨(dú)特的優(yōu)點(diǎn)，模微帶濾波器越來(lái)越得到重視。對(duì)于早期提出的三角形諧振器，它們存在體積大，不利于濾波器的小型化，貼片之間靠縫隙耦合，導(dǎo)致插入損耗比較大，濾波器的頻率響應(yīng)一般只有一個(gè)衰減極點(diǎn)。本文不使用傳統(tǒng)的縫隙耦合，而采用直接抽頭饋線作為輸入輸出，減小插入損耗；不使用多級(jí)片破壞對(duì)稱性等激起雙模，而采用開(kāi)T型槽

2、激起雙模。這樣的三角形貼片濾波器有兩個(gè)衰減極點(diǎn)在通帶兩側(cè)，阻帶的抑制能力得到加強(qiáng),有利于小型化且性能更優(yōu)。關(guān)鍵字：微帶帶通濾波器， 雙模， T型開(kāi)槽， 三角形貼片AbstractWith the rapid development of the electronic communication system in variety of the fields，the dual-mode microstrip filters have been put more emphasis on because of the unique advantages when being designed.For

3、 the triangular resonator raised in the early time，It have relatively large insertion loss because of the patches are coupling by the gap and have only one transmission zeros.In this paper，ee use a pair of parallel inset feed lines without using the coupling gap so that problem is no longer exists a

4、nd the insertion loss is decreases.We use the triangular patch with a T-slot in it instead of using multiple patches to simulate the degenerate mode.In this way,there are two attenuation poles on both sides of the passband to improve the stopband rejection and ensure the filter miniaturization and t

5、he better performance.Key words:microstrip bandpass filter， dual-mode， T-shaped slot， triangular patch目 錄摘 要11. 引 言31.1 國(guó)內(nèi)外研究現(xiàn)狀31.2 研究目標(biāo)和內(nèi)容32.濾波器設(shè)計(jì)原理42.1 濾波器的發(fā)展?fàn)顩r42.2 濾波器結(jié)構(gòu)及原理分析62.2.1 T型槽開(kāi)槽62.2.2 直接采用抽頭作為輸入輸出（一對(duì)平行插入微帶線饋線）112.3 濾波器的常用參數(shù)122.4 三角形貼片形狀的分析（等邊/等腰三角形）133.HFSS軟件功能介紹143.1 HFSS軟件功能概述143.2 HFS

6、S軟件的計(jì)算原理153.3 HFSS中的邊界條件163.4HFSS中的激勵(lì)設(shè)置163.5HFSS廣泛的應(yīng)用領(lǐng)域164.濾波器性能分析184.1 濾波器的性能介紹184.2 各變量對(duì)濾波器性能分析185. 總結(jié)與展望23參考文獻(xiàn)241. 引 言伴隨著雙模微帶濾波器在電子通信系統(tǒng)中的廣泛應(yīng)用，以及無(wú)線通信（移動(dòng)通信和衛(wèi)星通信）、雷達(dá)、遙感技術(shù)的快速發(fā)展，加快推動(dòng)了微帶濾波器的發(fā)展。微帶濾波器具有尺寸體積小、質(zhì)量輕、成本低、輻射小、功率較高以及較易加工制作的優(yōu)點(diǎn)。所以，貼片微帶濾波器越來(lái)越得到關(guān)注和研究，并且不同類型的貼片微帶濾波器廣泛被應(yīng)用于各種微波集成電路。微帶濾波器的設(shè)計(jì)十分簡(jiǎn)單方便，都得益于

7、其固有特性。微帶濾波器可以設(shè)計(jì)成單模和雙模兩種不同的諧振器，并且雙模的諧振器可以等效成為雙調(diào)諧的諧振電路，從而，簡(jiǎn)并?？梢允沟脼V波器的固有階數(shù)減少一半，即濾波器貼片的數(shù)量減少一半。這樣的話，濾波器尺寸體積會(huì)縮小，使得結(jié)構(gòu)更為緊湊。雙模濾波器結(jié)構(gòu)形式如方形貼片、圓形貼片、折線環(huán)等已經(jīng)較為成熟和廣泛應(yīng)用于設(shè)計(jì)工作當(dāng)中去了，本文所進(jìn)行研究的三角形貼片雙模濾波器則是一種較為新型的濾波器，越來(lái)越受到關(guān)注和研究。傳統(tǒng)的三角形貼片濾波器常常采用不對(duì)稱饋線、開(kāi)槽等微擾或者多貼片濾波器都對(duì)濾波器的性能和小型化產(chǎn)生了障礙。除此之外，濾波器的頻率響應(yīng)往往只有一個(gè)衰減極點(diǎn)，而性能較好較為理想的帶通濾波器最好有在通帶兩

8、側(cè)都存在衰減極點(diǎn)。1.1 國(guó)內(nèi)外研究現(xiàn)狀1,2分析了三角形諧振器，并用來(lái)制成了微帶環(huán)流器，并給出了帶阻和帶通濾波器的原型。但真正用來(lái)設(shè)計(jì)濾波器的是高溫超導(dǎo)濾波器，高溫超導(dǎo)濾波器雖然Q值很高，但是它的推廣和普及有兩個(gè)主要障礙：一是高溫超導(dǎo)電路對(duì)制冷的要求仍是一個(gè)有待解決的問(wèn)題，需要發(fā)展具有高效率、高可靠、長(zhǎng)壽命、小體積而又價(jià)格低廉的制冷裝置；二是目前高溫超導(dǎo)薄膜的價(jià)格昂貴，從而阻礙了其推廣應(yīng)用。J.S.Hong 和 M.Lancaster避開(kāi)了用高溫超導(dǎo)的方法設(shè)計(jì)制作濾波器，他們采用微帶貼片的方法設(shè)計(jì)了兩種類型的濾波器。利用了三角形貼片諧振器中的兩個(gè)簡(jiǎn)并模，模一和模二設(shè)計(jì)了兩種濾波器。目前國(guó)內(nèi)研

9、究機(jī)構(gòu)有：南京郵電學(xué)院無(wú)線通信與電磁兼容實(shí)驗(yàn)室、電子科技大學(xué)電子工程學(xué)院、浙江正原電氣股份有限公司、西安空間無(wú)線電技術(shù)研究所、華東工學(xué)院405教研室等。1.2 研究目標(biāo)和內(nèi)容本文采取在等腰三角形貼片上開(kāi)挖出一個(gè)T型槽，采用抽頭直接輸入輸出，并不存在縫隙耦合的插入損耗；并對(duì)濾波器進(jìn)行了分析和優(yōu)化，這樣使得濾波器在通帶兩側(cè)都存在了衰減極點(diǎn)，提高了濾波器的性能和小型化。2.濾波器設(shè)計(jì)原理2.1 濾波器的發(fā)展?fàn)顩r在微波技術(shù)突飛猛進(jìn)的發(fā)展過(guò)程中，微波濾波器是一個(gè)極其活躍的分支，以致要想全面而詳盡的討論其進(jìn)展，需要相當(dāng)?shù)钠?，這里只對(duì)近年來(lái)的主要進(jìn)展和發(fā)展趨勢(shì)做一簡(jiǎn)單的概括。1. 從個(gè)別應(yīng)用到一般應(yīng)用如果

10、考慮到一個(gè)微波空腔諧振器就是一個(gè)微波濾波器的基本單位的話，可以說(shuō)它也是微波技術(shù)中研究最早的基本課題之一。但事實(shí)上或者是由于初期微波設(shè)備所承擔(dān)的任務(wù)還較低級(jí)，或者是由于微波濾波器的分析、設(shè)計(jì)和制造均很繁瑣，因此，當(dāng)初人們寧可直接應(yīng)用單腔諧振器，而較少的把它們組合成具有更為優(yōu)良性能的微波濾波器。但是隨著微波理論和技術(shù)的發(fā)展，微波波段中電子設(shè)備的增多、頻譜的擁擠，加之電子對(duì)抗技術(shù)的普遍應(yīng)用，促使微波濾波器在應(yīng)用的廣度和深度上都進(jìn)展極大。2設(shè)計(jì)方法從繁到簡(jiǎn)、從粗糙到精確由于條件限制的原因，過(guò)去人們用場(chǎng)與波的方法對(duì)一些簡(jiǎn)單的微波濾波器結(jié)構(gòu)進(jìn)行分析和設(shè)計(jì)，已感相當(dāng)困難，而現(xiàn)在卻可以成套的應(yīng)用現(xiàn)代網(wǎng)絡(luò)綜合理

11、論成果，順利的進(jìn)行各種微波濾波器的綜合了，并有電子計(jì)算機(jī)所解出的大量的曲線和數(shù)據(jù)可用，簡(jiǎn)化了人工計(jì)算，提高了設(shè)計(jì)精度。3. 形式多樣化、標(biāo)準(zhǔn)化和元件化隨著廣泛的應(yīng)用和制造工藝的不斷進(jìn)展，微波濾波器已經(jīng)從少數(shù)的幾種產(chǎn)品發(fā)展到數(shù)以千計(jì)的類型。常用的一些濾波器結(jié)構(gòu)已標(biāo)準(zhǔn)化和元件化。4. 采用各種新材料、新工藝各種微波材料的不斷進(jìn)步及其在微波濾波器中的應(yīng)用，對(duì)濾波器性能的提高起到了不可忽視的作用。例如鐵電體、陶瓷材料、超導(dǎo)體、微波鐵氧體、等離子體以及新工藝低溫共燒陶瓷。5. 與其他無(wú)源或有源微波器件結(jié)合日益緊密現(xiàn)在，微波濾波器已成為主要的微波無(wú)源器件之一，它不僅能夠?qū)崿F(xiàn)本身的功能，還能起到其他微波器件

12、的功能，也可以說(shuō)可以把其他微波器件以微波濾波器的結(jié)構(gòu)來(lái)分析設(shè)計(jì)。另外，由于半導(dǎo)體器件工藝向更高頻率的飛速發(fā)展，各種半導(dǎo)體器件中微波濾波器也被廣泛的應(yīng)用，如開(kāi)關(guān)、調(diào)制器、放大器、倍頻器、變頻器等。在微波集成電路中，它們可以結(jié)合成一個(gè)整體。6. 體積越來(lái)越小、集成度越來(lái)越高 隨著無(wú)線通信技術(shù)的不斷發(fā)展，對(duì)適合無(wú)線移動(dòng)通信中器件的要求也越來(lái)越高，這就使得濾波器在保證其優(yōu)越的性能之外，還需重量輕、體積小、易于裝配。7.向高波段進(jìn)軍 近幾年人們對(duì)毫米波以及亞毫米波的興趣日益加深，對(duì)于分析和制造這一波段的微波濾波器，要在原有厘米波研究技術(shù)的基礎(chǔ)上，引用光學(xué)上的成果?？梢灶A(yù)料，隨著新型功率源和傳輸線的研究不

13、斷進(jìn)步，這些新波段微波濾波器的研究工作將更加活躍。到目前為止，關(guān)于微波濾波器的研究熱點(diǎn)主要有以下幾個(gè)方面：1，在衛(wèi)星通信行業(yè)中，對(duì)質(zhì)量小，窄頻帶，低損耗以及具有嚴(yán)格的選頻特性及相位線性度的濾波器等的各種需求，這些需求導(dǎo)致了介質(zhì)腔體濾波器、多模波導(dǎo)以及多路復(fù)用器的發(fā)展。2，蜂窩移動(dòng)通信基站中，對(duì)大量功率容量高、損耗低、尺寸小并易于加工的濾波器的各種需求，這些需求推動(dòng)了同軸腔體、介質(zhì)腔體、超導(dǎo)濾波器以及包括計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)在內(nèi)的降低開(kāi)發(fā)成本方法的發(fā)展。3，在軍事領(lǐng)域中，各種電子探測(cè)設(shè)備需要寬帶可調(diào)的濾波單元，這推動(dòng)了對(duì)高選擇性寬帶波導(dǎo)濾波器、懸浮底多路復(fù)用器和同軸諧振腔濾波器，以及電控調(diào)諧濾波器的發(fā)

14、展。4，在蜂窩移動(dòng)通信系統(tǒng)中，手持終端需要數(shù)以億計(jì)性能良好的超小型濾波器，大量的需求導(dǎo)致了微波集成電路中陶瓷、表面聲波和有源濾波器的快速發(fā)展8-11。微波平面濾波器，尤其是微帶濾波器，由于其尺寸小，易加工，便于集成等優(yōu)點(diǎn)在無(wú)線通信系統(tǒng)中有著較為廣泛的應(yīng)用。但由于微帶線結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，可設(shè)計(jì)參數(shù)有限，故對(duì)于要求較精確的濾波器的設(shè)計(jì)難度較大，而且多級(jí)濾波器的尺寸仍比較大。然而在微帶濾波器的接地板上開(kāi)槽，可在尺寸基本不變的情況下增加濾波器的階數(shù)，從而改善濾波器的性能。這種結(jié)構(gòu)易于加工，而且不需要增加面積，因此，這種結(jié)構(gòu)與現(xiàn)有的微帶濾波器理論相結(jié)合會(huì)有廣泛的發(fā)展前景。2.2 濾波器結(jié)構(gòu)及原理分析2.2.1

15、T型槽開(kāi)槽微波諧振器一般是由任意形狀的電壁或磁壁所限定的體積，其內(nèi)產(chǎn)生微波電磁振蕩，是一種具有儲(chǔ)能和選頻特性的微波諧振元件。微波諧振器在微波電路和系統(tǒng)中有非常廣泛的應(yīng)用，可以用作微波濾波器、振蕩器17、天線和調(diào)諧放大器等。根據(jù)其結(jié)構(gòu)，微波諧振器可以分為兩類，一類是傳輸線性，如波導(dǎo)腔諧振器、微帶諧振器和介質(zhì)諧振器等；另一類是非傳輸線型，如環(huán)形諧振器和混合同軸線型諧振器等。 如同圖3.1所示為本文所設(shè)計(jì)的三角形貼片濾波器，在等腰三角形貼片諧振器上挖出一個(gè)T型槽。T型槽的由來(lái)，是由于一個(gè)三角形貼片諧振器在它的基波諧振頻率上存在一對(duì)簡(jiǎn)并模模式1和模式2。具有相同諧振頻率，不同電磁場(chǎng)分布的模式被稱為簡(jiǎn)并

16、模。它會(huì)使得原來(lái)正交的電場(chǎng)分布發(fā)生改變，從而讓一對(duì)正交簡(jiǎn)并模發(fā)生耦合作用。這樣的話，兩個(gè)發(fā)生了耦合的簡(jiǎn)并模就可以相當(dāng)于兩個(gè)耦合諧振器，可以節(jié)省一半數(shù)目的諧振器在保持諧振回路不變的情況下。更為重要的是，交叉耦合過(guò)的一對(duì)簡(jiǎn)并?？梢援a(chǎn)生衰減極點(diǎn)，提高了濾波器的性能，降低了濾波器的中心頻率，使高次諧波頻率發(fā)生偏移。并且，在三角形貼片諧振器上的一點(diǎn)任意幾何形狀的小改變都可以改變影響這一對(duì)簡(jiǎn)并模，對(duì)諧振頻率的擾動(dòng)十分大。如圖2.1和圖2.2所示，由于在諧振器上簡(jiǎn)并模模式1的電流分布是橫向流動(dòng)，會(huì)改變豎直方向上的電流分布，從而會(huì)降低模式2的諧振頻率。所以，水平的開(kāi)槽可以單獨(dú)地影響并激勵(lì)模式1。同樣的，由于簡(jiǎn)

17、并模模式2的電流分布是縱向流動(dòng)的，會(huì)改變水平方向上的電流分布，從而會(huì)降低模式1的諧振頻率。所以，豎直的開(kāi)槽可以影響激勵(lì)模式2。將水平槽和豎直槽結(jié)合在一起就形成了T型槽，可以將雙模工作模式完成，同時(shí)激起模式1和2，將濾波器的性能大大的提高了。圖2.2豎直開(kāi)槽三角形貼片模式1（a）和模式2（b）的電流分布圖圖2.1水平開(kāi)槽三角形貼片模式1（a）和模式2（b）的電流分布圖為了學(xué)習(xí)和研究這種模式在帶有水平開(kāi)槽和豎直開(kāi)槽的等邊三角形貼片中的分裂特征，作者使用了一個(gè)單模的諧振器，耦合了輸入輸出的微帶線來(lái)分別進(jìn)行分析。如圖2.3所示，通過(guò)改變水平開(kāi)槽的尺寸，即水平槽到三角形底邊的距離a、槽的橫向長(zhǎng)度L、槽的

18、豎直長(zhǎng)度w來(lái)分析模式的諧振頻率變化。通過(guò)分析發(fā)現(xiàn)，L、w、a對(duì)模式1的諧振頻率毫無(wú)影響，而l、w對(duì)模式2的諧振頻率存在強(qiáng)烈影響，但a只有微微的影響存在。所以，水平槽可以單獨(dú)地激勵(lì)起簡(jiǎn)并模式1。類比地控制變量法研究豎直槽，我們通過(guò)改變豎直開(kāi)槽的尺寸，即豎直槽到等邊三角形底邊的長(zhǎng)度a、豎直槽的豎直高度L、豎直槽的橫向高度w。a、L、w的影響恰恰與水平開(kāi)槽的影響完全相反，即對(duì)模式1的諧振頻率存在影響，對(duì)模式2毫無(wú)影響，所以，豎直槽可以單獨(dú)地激勵(lì)起簡(jiǎn)并模式2。由此，我們發(fā)現(xiàn)豎直開(kāi)槽的長(zhǎng)度和寬度是模式分裂的最重要的參數(shù)，可以影響并降低模式1的諧振頻率。圖2.3（a）帶有水平槽的三角形貼片在a=1.5mm

19、、w=0.5mm時(shí)，模式1和2隨長(zhǎng)度L變化而變化的頻率圖(c)當(dāng)L=6mm、a=2mm時(shí)，簡(jiǎn)并模式1和2的頻率隨三角形貼片的水平開(kāi)槽寬度w變化而變化的頻率響應(yīng)圖(b)帶有6mm x 0.5mm的水平槽的三角形貼片對(duì)于隨著水平槽離底邊的長(zhǎng)度a變化而變化的簡(jiǎn)并模式1和2的頻率響應(yīng)。圖2.4（a）帶有水平開(kāi)槽的三角形貼片（b）水平槽頻率響應(yīng)圖m1=8.30GHz m2=9.32GHz（b）無(wú)槽頻率響應(yīng)圖 m1=m2=9.40GHz圖2.5（a） 不帶開(kāi)槽的三角形貼片（b）豎直槽頻率響應(yīng)圖 m1=8.70GHz m2=9.33GHz圖2.6(a)帶豎直槽的三角形貼片 從圖2.4至圖2.6可以分析看出，

20、當(dāng)三角形貼片結(jié)構(gòu)不被破壞時(shí)，簡(jiǎn)并模式1和2都穩(wěn)定在9.40GHz上下，圖2.4（b）中反映出，水平槽影響到了模式2的諧振頻率，模式1任然穩(wěn)定在9.32GHZ，這驗(yàn)證了水平槽可激勵(lì)起簡(jiǎn)并模模式1。同理從圖2.6（b）也可看出豎直槽激勵(lì)了簡(jiǎn)并模式2。 諧振器中對(duì)于不同的場(chǎng)分布有無(wú)窮多個(gè)諧振模式和諧振頻率，其中具有相同諧振頻率的模式稱為簡(jiǎn)并模。若在單個(gè)諧振器中通過(guò)加入一些微擾（比如開(kāi)槽、切角或加入小的貼片、內(nèi)切角等），會(huì)改變?cè)缓?jiǎn)并模的電場(chǎng)分布，使得一對(duì)正交簡(jiǎn)并模之間發(fā)生耦合，兩個(gè)耦合簡(jiǎn)并模的作用相當(dāng)于兩個(gè)耦合諧振器，從而在保持諧振回路不變的情況下，使諧振器的個(gè)數(shù)減少一半。 我們通過(guò)觀察圖2.1和

21、2.2模式1和模式2的兩個(gè)模式的電流分布，發(fā)現(xiàn)模式1的電流主要沿垂直方向流動(dòng)，分布在貼片的頂部，而模式2的電流主要沿水平方向流動(dòng)，分布在貼片的底部。因?yàn)殡娏鞯牧鹘?jīng)長(zhǎng)度和諧振器的諧振頻率直接相關(guān)，假如在同一個(gè)諧振器里，電流流經(jīng)長(zhǎng)度越長(zhǎng)，表示工作波長(zhǎng)越長(zhǎng)，也就是說(shuō)明諧振器的諧振頻率越低，即如果諧振器諧振頻率相同，諧振器的尺寸就可以越小。因此，我們想到在貼片上垂直于模式電流的流動(dòng)方向上設(shè)計(jì)細(xì)槽，如圖2.7（a）所示，如果一個(gè)垂直方向的細(xì)槽加載貼片中心，因?yàn)椴酆芗?xì)，對(duì)電流的垂直流動(dòng)即模式1幾乎沒(méi)什么影響，但是阻礙了電流的水平流動(dòng)方向即模式2，使模式2的電流流經(jīng)長(zhǎng)度變長(zhǎng)，即模式2的諧振頻率就降低了。同樣

22、的道理，我們?cè)谫N片上垂直于水平方向的電流設(shè)計(jì)細(xì)槽，同樣對(duì)模式2幾乎沒(méi)什么影響，但是阻礙了電流的垂直流動(dòng)即模式1，使模式1的電流流經(jīng)長(zhǎng)度變長(zhǎng)，即模式1的諧振頻率就降低了。因此，我們?cè)O(shè)想在貼片上水平和垂直的方向上同時(shí)設(shè)計(jì)細(xì)槽，如圖2.7（b）所示，垂直槽和水平槽分別控制模式2和模式1的電流分布，使兩個(gè)模式的電流流經(jīng)長(zhǎng)度都變長(zhǎng)了，也就能將總的貼片濾波器的諧振頻率有效的降下來(lái)了。 圖2.7（a）帶有一個(gè)垂直槽的等腰三角形貼片諧振器（b）新型的T形槽雙模三角形諧振器除此之外，電流的流經(jīng)長(zhǎng)度和濾波器的諧振頻率直接密切相關(guān)，在濾波器當(dāng)中，電流的流經(jīng)長(zhǎng)度與工作波長(zhǎng)成正比，電流流經(jīng)長(zhǎng)度越長(zhǎng)的話，工作波長(zhǎng)也就越長(zhǎng)

23、，這就是說(shuō)濾波器的諧振頻率就會(huì)越低。如果使用相同諧振頻率來(lái)設(shè)計(jì)濾波器的時(shí)候，帶T型槽作為微擾源的濾波器的尺寸可以更小，也利于濾波器的小型化。在三角形貼片上通過(guò)結(jié)合水平開(kāi)槽和豎直開(kāi)槽來(lái)形成一個(gè)倒置的“T”型開(kāi)槽，非常有可能可以自由地控制模式1和2的頻率下降。這樣的話，制作一個(gè)小型化的微帶帶通濾波器的頻率就會(huì)比單模三角形貼片諧振器小很多，可以更加小型化。2.2.2 直接采用抽頭作為輸入輸出（一對(duì)平行插入微帶線饋線）比較傳統(tǒng)的三角形貼片微帶帶通濾波器往往為了達(dá)到擁有兩個(gè)衰減極點(diǎn)的目的，常常會(huì)使用多個(gè)三角形貼片濾波器相互縫隙耦合，抑或使用微帶線縫隙耦合來(lái)達(dá)到良好的性能（在通帶兩側(cè)都獲得衰減極點(diǎn)）。但是

24、的話，這樣為了衰減極點(diǎn)而使用的方法會(huì)使得插入損耗提高，影響了濾波器的性能。本文中使用的直接插入50微帶線不僅可以在通帶兩側(cè)擁有衰減極點(diǎn)，也可以降低插入損耗，優(yōu)化濾波器。除此之外，使用縫隙耦合的方式作為輸入輸出在制造和生產(chǎn)上面具有很大的不確定性，會(huì)影響到濾波器的諧振頻率，從而影響濾波器的性能。而使用微帶線饋線插入的濾波器結(jié)構(gòu)顯得更為緊湊，也更加容易制作且穩(wěn)定性高。插入饋線的深度影響濾波器的輸入阻抗，饋線兩邊的槽可以近似認(rèn)為是小的電容，從而可以降低濾波器的中心頻率。2.3 濾波器的常用參數(shù)本節(jié)將對(duì)濾波器的常用參數(shù)作一下簡(jiǎn)要的介紹：（1）插入損耗：在理想條件下，插入到電路中的理想濾波器，不應(yīng)該在其通

25、帶內(nèi)引入任何功率損耗。然而，實(shí)際上我們不能完全消除濾波器固有的、某種程度的功率損耗。有了插入損耗的概念，我們可以定量地描述功率響應(yīng)幅度與0dB基準(zhǔn)的插值，其數(shù)學(xué)表達(dá)式為：（2-28）其中，是從信號(hào)源向?yàn)V波器看去的反射系數(shù)，是濾波器從信號(hào)源得到的功率，是濾波器向負(fù)載輸出的功率。（2）帶寬B。上下兩截止頻率之間的頻率范圍稱為濾波器帶寬，或-3dB帶寬，單位為Hz。帶寬決定著濾波器分離信號(hào)中相鄰頻率成分的能力頻率分辨力。（3）中心頻率（Fo): 通常定義為帶通濾波器（或帶阻濾波器）的兩個(gè)3 dB點(diǎn)之間的中點(diǎn)，一般用兩個(gè)3 dB點(diǎn)的算術(shù)平均來(lái)表示 。聲音高低主要與頻率有關(guān)，由于可聽(tīng)聲的聲頻太寬(從20

26、Hz到20000Hz)，為便于進(jìn)行頻率分析，將其分為若干段，稱為頻程。每頻程的上限與下限頻率的幾何平均值稱為該頻程的中心頻率。 （4）阻帶抑制：理想情況下，我們都希望在阻帶頻帶內(nèi)濾波器具有無(wú)窮大衰減。但事實(shí)上我們只能根據(jù)濾波器元件數(shù)目來(lái)得到與之相關(guān)的有限衰減。實(shí)際應(yīng)用中，通常把阻帶抑制的設(shè)計(jì)值定義為60dB。（5） 截止頻率fc：幅頻特性值等于0.707A0所對(duì)應(yīng)的頻率稱為濾波器的截止頻率。以A0為參考值，0.707A0對(duì)應(yīng)于-3dB點(diǎn)，即相對(duì)于A0衰減3dB。若以信號(hào)的幅值平方表示信號(hào)功率，則所對(duì)應(yīng)的點(diǎn)正好是半功率點(diǎn)。（6） 回波損耗，又稱為反射損耗。是電纜鏈路由于阻抗不匹配所產(chǎn)生的反射，是

27、一對(duì)線自身的反射。不匹配主要發(fā)生在連接器的地方，但也可能發(fā)生于電纜中特性阻抗發(fā)生變化的地方，所以施工的質(zhì)量是提高回波損耗的關(guān)鍵?；夭〒p耗將引入信號(hào)的波動(dòng)，返回的信號(hào)將被雙工的千兆網(wǎng)誤認(rèn)為是收到的信號(hào)而產(chǎn)生混亂。2.4 三角形貼片形狀的分析（等邊/等腰三角形）為了適應(yīng)濾波器小型化的要求，J.S.Hong等提出了兩種單個(gè)三角形貼片雙模濾波器如圖3-12所示?？紤]到等邊三角形中,為了分裂等邊三角形的兩重簡(jiǎn)并模，可以通過(guò)切去小頂角（3-12（a）使得，從而引入微擾造成簡(jiǎn)并模式發(fā)生分裂。也可以將等邊三角形略微變形成等腰三角形（3-12（b）使得，從而引起簡(jiǎn)并模式的分裂。由于這兩類濾波器是通過(guò)平行微帶線耦

28、合饋電的，制作過(guò)程中的不確定性對(duì)濾波器的性能指標(biāo)影響較大，兩類濾波器的S參數(shù)（尤其是通帶內(nèi)回波損耗S11）不夠理想。（a） (b)圖2.8兩種單個(gè)貼片三角形雙模濾波器(a)結(jié)構(gòu)1和(b)結(jié)構(gòu)23.HFSS軟件功能介紹3.1 HFSS軟件功能概述作為電磁仿真領(lǐng)域的領(lǐng)軍產(chǎn)品，HFSS正式發(fā)布于1989年，至今已具有二十年的成功商用史，在全球擁有最大的用戶群，其對(duì)微波設(shè)計(jì)領(lǐng)域的貢獻(xiàn)超越了以往任何計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)（CAD）和電子自動(dòng)化軟件。HFSS針對(duì)任意三維結(jié)構(gòu)能夠快速、精確、可靠地計(jì)算高頻/高速部件的電氣性能，包括磁場(chǎng)分布、S參數(shù)、輻射特性、功率容量、SAR、TDR/TDT等。在二十多年的商用過(guò)程中

29、，HFSS的有限元法（FEM）全波電磁場(chǎng)求解器不斷的成熟和升級(jí)，在精度、容量和速度方面均遙遙領(lǐng)先于業(yè)界。上世紀(jì)90年代后期，計(jì)算電磁學(xué)領(lǐng)域的區(qū)域分解算法的出現(xiàn)為超大規(guī)模問(wèn)題的求解拓寬了道路。經(jīng)過(guò)十年的技術(shù)衍進(jìn)，HFSS于2009年推出的12.0版本中加入了這一革命性的成果。區(qū)域分解算法配合現(xiàn)代計(jì)算機(jī)強(qiáng)大的并行求解能力，可以有效地攻克大型天線陣、電大尺寸目標(biāo)RCS、復(fù)雜結(jié)構(gòu)等電磁場(chǎng)求解的大規(guī)模計(jì)算問(wèn)題。HFSS支持0階、1階、2階、混合階基函數(shù)插值的有限元法求解，適合于求解從電小尺寸到電大尺寸和EMI/EMC等多尺度問(wèn)題的求解。HFSS采用四面體網(wǎng)絡(luò)剖分和先進(jìn)的共形網(wǎng)絡(luò)技術(shù)，對(duì)結(jié)構(gòu)有廣泛的適應(yīng)性

30、，容錯(cuò)的網(wǎng)絡(luò)劃分算法能夠處理從三維機(jī)械CAD軟件中讀入的復(fù)雜結(jié)構(gòu)，獨(dú)有的自適應(yīng)網(wǎng)絡(luò)剖分技術(shù)不僅大大降低了軟件的使用難度，使HFSS成為工程化的仿真工具，并且確保了求解的可靠性，能夠在求解速度和精度之間獲得最佳均衡。HFSS能夠與Ansoft Designer/Nexxim進(jìn)行動(dòng)態(tài)鏈接和協(xié)同設(shè)計(jì)，建立了基于電磁場(chǎng)的高頻/高速系統(tǒng)設(shè)計(jì)流程，將復(fù)雜的系統(tǒng)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)、強(qiáng)非線性的晶體管級(jí)電路和細(xì)節(jié)的電磁場(chǎng)寄生效應(yīng)結(jié)合在一起，實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)和電路的精確設(shè)計(jì)與仿真，為一次設(shè)計(jì)成功提供了有力的保障。HFSS是基于有限元法的，有限元法的原理如下：建立待求微波工程問(wèn)題的支配方程。對(duì)于待求解的物理問(wèn)題包含本構(gòu)參數(shù)的幾何模型

31、和求解區(qū)域。對(duì)于幾何模型和求解區(qū)域進(jìn)行離散化剖分。利用加權(quán)殘數(shù)法建立誤差泛函。利用對(duì)應(yīng)離散化剖分單元的分域基函數(shù)離散化誤差泛函，建立對(duì)應(yīng)矩陣方程。求解矩陣方程，獲得待求函數(shù)的離散化近似解。矩量法主要利用惠更斯（Huygens）等效原理，建立理想金屬微波結(jié)構(gòu)表面、介質(zhì)微波結(jié)構(gòu)表面或整體的電磁場(chǎng)積分方程。比如，描述理想導(dǎo)電體散射問(wèn)題的電場(chǎng)積分方程（Electric Field Integral Equation，簡(jiǎn)稱EFIE）為： （5-1）式中，是待求的表面電流，是已知的入射場(chǎng)，是格林函數(shù)，這里需要指出兩點(diǎn)：格林函數(shù)目前僅僅在自由空間、分層介質(zhì)和部分規(guī)則腔體等特殊情況下有解，而且其推導(dǎo)和計(jì)算均有

32、一定難度。問(wèn)題的待求區(qū)域僅在理想導(dǎo)體散射體表面。但是，因?yàn)榉e分算子的域也是在理想導(dǎo)電體的圖3.1 HFSS的基本求解流程表面，所以在應(yīng)用加權(quán)參數(shù)法離散化后形成的矩陣方程中的系數(shù)矩陣是滿陣。HFSS現(xiàn)已廣泛應(yīng)有于航空、航天、船舶、電子、半導(dǎo)體、計(jì)算機(jī)、通信、醫(yī)療儀器等多個(gè)領(lǐng)域，幫助工程師們高校地完成高頻/高速等電磁場(chǎng)相關(guān)的設(shè)計(jì)。3.2 HFSS軟件的計(jì)算原理 HFSS采用四面體網(wǎng)絡(luò)，并采用棱邊元作為矢量基函數(shù)，從而有效的避免了偽模式問(wèn)題，也是這一核心技術(shù)使得有限元法首次應(yīng)用于商用電磁場(chǎng)仿真軟件。HFSS的基本求解流程如圖5-1所示。算法的核心主要體現(xiàn)在三維模型離散化（即網(wǎng)格剖分）及自適應(yīng)求解。3

33、.3 HFSS中的邊界條件邊界條件定義了微波問(wèn)題的求解區(qū)域和微波問(wèn)題模型表面上場(chǎng)的特性，HFSS軟件中包括以下邊界類型：理想導(dǎo)體邊界：在HFSS中，可以通過(guò)設(shè)置理想導(dǎo)體邊界來(lái)描述微波問(wèn)題中的理想導(dǎo)體表面。HFSS模型所有暴露在背景中的邊界都被默認(rèn)設(shè)置成理想導(dǎo)體邊界，在這種情況下，HFSS假定整個(gè)結(jié)構(gòu)是由理想導(dǎo)體壁包圍的。電場(chǎng)假設(shè)為垂直于這些表面，最終的場(chǎng)解必須滿足在理想導(dǎo)體邊界電場(chǎng)的切向分量為零。阻抗邊界：在HFSS中使用阻抗邊界條件來(lái)描述一些元器件，如一個(gè)電阻器包含由薄膜電阻器分離的兩個(gè)介質(zhì)體，該電阻器能夠由兩部分之間表面上的阻抗邊界來(lái)描述。 （5-3）其中，n是表面法向單位矢，是電場(chǎng)的表面

34、切向分量，是磁場(chǎng)的表面切向分量。是邊界的表面阻抗。3.4HFSS中的激勵(lì)設(shè)置在HFSS軟件中，激勵(lì)設(shè)置就是在物體或者其表面上定義電磁場(chǎng)、電荷、電流或者電壓，軟件中提供以下激勵(lì)設(shè)置幫助：波端口激勵(lì)：在默認(rèn)的情況下，所有的三維物體和背景之間的接觸面都是理想導(dǎo)體邊界，沒(méi)有能量可以進(jìn)出。波端口往往設(shè)置在這樣的面上，從而提供了一個(gè)連接模型和外界的窗口。HFSS假定定義的每個(gè)波端口是連接有與端口相同橫截面和材料特性的半無(wú)限長(zhǎng)的波導(dǎo)。當(dāng)求解S參數(shù)時(shí)，HFSS假定結(jié)構(gòu)由這些橫截面的簡(jiǎn)正場(chǎng)模式所激勵(lì)。每個(gè)波端口所產(chǎn)生的二維場(chǎng)解為3D問(wèn)題提供在這些端口上的邊界條件。最終的場(chǎng)解必須與每個(gè)端口的二位場(chǎng)模式相匹配。HF

35、SS在每個(gè)端口分別激勵(lì)產(chǎn)生一個(gè)解。入射到端口上的每個(gè)模式含有1W的平均功率，端口1被1W的信號(hào)激勵(lì)，其他端口設(shè)置為0W。在該解產(chǎn)生后，端口2被1W的信號(hào)激勵(lì)，其他端口設(shè)置為0W，循環(huán)往復(fù)。在某些情況下，例如端口為正方形或者圓形時(shí)，不管是在這個(gè)問(wèn)題的正方向還是負(fù)方向上，電場(chǎng)線的排列都是任意的。然而，如果選擇了極化場(chǎng)選項(xiàng)，HFSS就會(huì)按照定義的積分線排列電場(chǎng)。3.5HFSS廣泛的應(yīng)用領(lǐng)域² 天線、天線陣及饋電結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)² 賦形雙反射面天線模型的多物理場(chǎng)仿真² 應(yīng)用于電磁散射和頻率選擇性表面設(shè)計(jì)上的應(yīng)用² 在高頻/高速器件領(lǐng)域的應(yīng)用² 在IC封裝領(lǐng)域的

36、應(yīng)用² 在PCB領(lǐng)域的應(yīng)用² 在系統(tǒng)EMI/EMC設(shè)計(jì)方面的應(yīng)用² 在醫(yī)療一起領(lǐng)域的應(yīng)用² 在RFID（射頻識(shí)別）設(shè)計(jì)方面的應(yīng)用² 在防雷和電磁脈沖方面的應(yīng)用² 在射頻連接器設(shè)計(jì)方面的應(yīng)用² 在特殊器件設(shè)計(jì)方面的應(yīng)用4.濾波器性能分析4.1 濾波器的性能介紹微帶濾波器由于其易于加工，易于設(shè)計(jì)，造價(jià)低?？梢源笈可a(chǎn)等優(yōu)點(diǎn)得到了廣泛應(yīng)用，在這一章里我們從五個(gè)方面來(lái)對(duì)微帶濾波器的性能設(shè)計(jì)做簡(jiǎn)單的介紹。1低損耗設(shè)計(jì)。要使得微帶濾波器的輻射損耗盡量降低，因此盡量不要采用耦合饋電的方式，輸入輸出采用直接連接到諧振器或者內(nèi)嵌到諧振器內(nèi)部

37、，可以大大降低通帶插損。對(duì)于多級(jí)諧振器的濾波器，能量在諧振器與諧振器之間，諧振器與輸入輸出端來(lái)回傳輸，損失較大，因此本章采用單個(gè)貼片的諧振器以減少這種能量損失。2. 小型化設(shè)計(jì)。小型化設(shè)計(jì)主要有三種方式,一種是環(huán)形諧振器上并聯(lián)電容性阻抗，集總或是分布電容。并聯(lián)型的阻抗通常加載環(huán)形內(nèi)角側(cè)，使環(huán)形諧振器的基模頻率降低，從而實(shí)現(xiàn)小型化。第二種是通過(guò)在貼片內(nèi)部加槽，使諧振回路的電感增加，從而使諧振器的頻率降低。第三種是加缺陷地，其實(shí)質(zhì)也是增大了諧振器上并聯(lián)的電容性阻抗，使原來(lái)的諧振器的基模頻率降低。本文采用的是在貼片內(nèi)部加槽的方法來(lái)使濾波器尺寸減小。3. 高選擇性設(shè)計(jì)。通過(guò)分析雙模諧振器的等效電路模型

38、，計(jì)算傳輸零點(diǎn)產(chǎn)生的條件，使濾波器在通帶附近產(chǎn)生零點(diǎn)，提高雙模濾波器的通帶選擇性。4. 寬阻帶設(shè)計(jì)。微帶諧振器是周期性結(jié)構(gòu)，寄生通帶的問(wèn)題限制了微帶濾波器的進(jìn)一步應(yīng)用，我們通過(guò)加槽可以降低諧振器的基模頻率，而二次通帶頻率不變，這樣能相對(duì)的讓寄生通帶遠(yuǎn)離工作頻帶。5. 寬帶化設(shè)計(jì)。寬帶濾波器的研究是現(xiàn)在寬帶通信系統(tǒng)的重要課題之一，在微帶雙模濾波器里實(shí)現(xiàn)寬帶化主要有兩種方法。（1）多環(huán)，在一個(gè)圓環(huán)諧振器里引入半圓環(huán)結(jié)構(gòu)，使原來(lái)的圓環(huán)能分成多個(gè)圓環(huán)諧振器，使通帶變寬；（2）采用調(diào)諧臂，開(kāi)路阻抗線或者階梯阻抗線，調(diào)諧臂相當(dāng)于串聯(lián)諧振器，改變了諧振器的諧振頻率，并且在一些諧振器點(diǎn)上，能量不能傳到輸出端形

39、成阻帶，而其它的諧振頻率上，能量從輸入端傳到輸出端不受影響。4.2 各變量對(duì)濾波器性能分析采用ANSOFT公司的高頻電磁仿真軟件HFSS10.0進(jìn)行仿真研究，所設(shè)計(jì)的濾波器中心頻率在5GHZ，襯底的介電系數(shù)為2.65，襯底厚度為1.0mm，50饋線寬為2.8mm。圖4.1為濾波器的設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)圖，圖上標(biāo)明了各個(gè)參數(shù)變量以及各個(gè)在三角形貼片上的開(kāi)口、兩條50的饋線，并且，依據(jù)這些變量來(lái)分析性能最好最適合的濾波器尺寸參數(shù)。圖4.2為當(dāng)s=1.6 mm，h =1.2 mm，l=10.8mm，m=1.8mm,b=0.7mm,=2.0mm,d=8.4mm（不作說(shuō)明時(shí)只改變個(gè)參數(shù)的數(shù)值，圖4.1微帶三角形貼片

40、的濾波器參數(shù)圖4.2 饋線兩邊有槽和無(wú)槽時(shí)的濾波器頻率響應(yīng)圖圖3.2 三角形貼片底邊有槽和無(wú)槽時(shí)濾波器的頻率響應(yīng)圖其它參數(shù)保持不變）的情況下，三角形底邊有槽和無(wú)槽時(shí)的頻率響應(yīng)。從圖中可以看出，無(wú)論是有槽還是無(wú)槽的狀態(tài)下，濾波器都在通帶兩側(cè)存在兩個(gè)衰減極點(diǎn)，但是，有槽狀態(tài)下的右側(cè)衰減極點(diǎn)較為明顯和低，使得阻帶的抑制能力得到了提升。同時(shí)，從圖上看出，回波損耗S21在有槽時(shí)有明顯降低，提升了濾波器性能，且中心頻率和插入損耗并沒(méi)有很大的變化。從此可以得出，饋線兩邊的開(kāi)槽對(duì)濾波器的性能有很大的影響與提升。圖4.4 兩根饋線之間dL變化的頻率響應(yīng)圖圖4.3表示的是濾波器頻率響應(yīng)隨50饋線插入深度變化時(shí)的頻

41、率響應(yīng)，從圖中，在頻率5GHz附近，中心頻率隨著深度減小略有降低，帶寬略有增大。同時(shí)，可以發(fā)現(xiàn)插入饋線的深度對(duì)通帶右側(cè)的衰減極點(diǎn)和回波損耗有很大的影響。但是，插入饋線的深度并不是與右側(cè)衰減極點(diǎn)和回波損耗成線性比例，故在實(shí)際設(shè)計(jì)濾波器參數(shù)時(shí)，饋線的插入深度應(yīng)當(dāng)適當(dāng)。圖4.4反映的是2個(gè)饋線之間的距離dL變化時(shí)濾波器的頻率響應(yīng)圖，從圖中可以看出，當(dāng)dL發(fā)生變化時(shí)，濾波器的中心頻率幾乎沒(méi)有發(fā)生變化，通帶帶寬也近乎不變，插入損耗也趨于原始狀態(tài)。但是，dL對(duì)于右側(cè)衰減極點(diǎn)有一定程度的影響，所以，在實(shí)際設(shè)計(jì)濾波器時(shí)，調(diào)節(jié)dl至一個(gè)適當(dāng)?shù)闹担梢杂行Э刂朴覀?cè)衰減極點(diǎn)的狀態(tài)。圖4.5 饋線和三角形底邊開(kāi)槽寬度

42、b變化時(shí)的頻率響圖4.5表示了饋線和三角形底邊開(kāi)槽寬度b變化時(shí)的頻率響應(yīng),從圖上可以看出，中心頻率和通帶并無(wú)明顯變化，右側(cè)通帶的極點(diǎn)隨著b的升高而降低，而回波損耗隨著b的升高而減小。所以，b的取值的合適對(duì)濾波器的性能起到了很重要的作用。圖4.6 長(zhǎng)方形槽長(zhǎng)度l變化時(shí)的頻率響應(yīng)圖圖4.6表現(xiàn)的是長(zhǎng)方形槽的長(zhǎng)度l變化時(shí)對(duì)濾波器的影響，使得通帶中心頻率降低，帶寬減小，而由圖4.7可以看出，寬度的變化又影響了通帶右側(cè)的衰減極點(diǎn)。由此可以看出，在實(shí)際設(shè)計(jì)濾波器的時(shí)候，槽的長(zhǎng)度和寬度取值應(yīng)當(dāng)適宜。圖4.7圖4.8 三角形貼片底邊A長(zhǎng)度變化時(shí)的頻率響應(yīng)圖 由圖4.8可以看出，中心頻率與帶寬基本沒(méi)有變化，但回

43、波損耗和右側(cè)衰減極點(diǎn)隨著底邊長(zhǎng)A的增大而降低。因此，底邊長(zhǎng)度A的取值也顯得尤為重要。綜上所述，所得最優(yōu)參數(shù)如下表4.9所示。 s /mm h/mm l/mm m/mm g/mm e/mm d/mm w/mm A /mm B/mm 1.6 1.2 10.8 1.8 0.7 2 8.4 3.4 21 18.5表4.9 最優(yōu)濾波器參數(shù)5. 總結(jié)與展望 本文主要介紹了T型開(kāi)槽三角形貼片雙模微帶帶通濾波器的設(shè)計(jì)思想和原理，以及一些性能分析和分析工具HFSS的介紹。本文所設(shè)計(jì)的新型三角形貼片濾波器，體積小，十分容易制作生產(chǎn)，并且，經(jīng)過(guò)優(yōu)化后的濾波器在通帶兩側(cè)都擁有衰減極點(diǎn)，回波損耗比較低，中心頻率也有所下

44、降，阻帶的抑制能力也得到了提高。除此之外，饋電方式并沒(méi)有采取傳統(tǒng)的縫隙耦合，而是兩個(gè)輸入輸出都采用了50微帶線饋電，能夠有效的避免生產(chǎn)過(guò)程中的不確定性因素，方便濾波器的設(shè)計(jì)與制作，優(yōu)化了濾波器的性能。對(duì)于濾波器的參數(shù)與濾波器的性能之間的關(guān)系還只能依靠從實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)直觀的分析與總結(jié)，并不能依靠理論公式與原理分析，與實(shí)踐結(jié)合。雙模濾波器的等效電路模型需要更進(jìn)一步研究，雖然我們?cè)谠O(shè)計(jì)過(guò)程中對(duì)濾波器的等效電路圖做了分析，但是嚴(yán)格的理論公式還沒(méi)有得到，現(xiàn)在的文獻(xiàn)也沒(méi)有關(guān)于雙模濾波器的理論計(jì)算方法，以后的工作可以針對(duì)這方面來(lái)展開(kāi)深入的研究。為了滿足雙模濾波器的高性能設(shè)計(jì)和應(yīng)用場(chǎng)合，一些新穎的雙模濾波器往往被設(shè)

45、計(jì)出來(lái)，并且通過(guò)不斷地改進(jìn)，濾波器就能得到更進(jìn)一步的發(fā)展?？偠灾瑸V波器越來(lái)越被研究與重視，越來(lái)越向小型化，性能優(yōu)，輻射小等特點(diǎn)優(yōu)化，未來(lái)必將得到越來(lái)越廣泛的應(yīng)用。參考文獻(xiàn)1Hong J S，Lancaster M. Microstrip triangular patch resonator filters C / IEEE MTT-S Int Microwave Symposium Digest. Boston： Microwave Symposium Digest，2000:331334.2Hong JS, Li Shuzhou. Dual-mode microstrip triangu

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