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        基于HFSS的S波段微帶發(fā)夾型濾波器設(shè)計(jì)

        2019-03-18 10:31:10楊定坤王文彬廖志豪歐陽林
        山西電子技術(shù) 2019年1期
        關(guān)鍵詞:特性阻抗輸入輸出阻帶

        楊定坤,王文彬, 廖志豪,歐陽林

        (成都信息工程大學(xué)通信工程學(xué)院,四川 成都 610103)

        0 引言

        隨著信息時(shí)代的高速發(fā)展,濾波器過濾干擾、抑制雜散等作用在整個(gè)通信系統(tǒng)中也愈顯重要,微帶帶通濾波器因具有設(shè)計(jì)簡單,體積小,成本低,易集成等優(yōu)點(diǎn)而成為研究的熱點(diǎn),發(fā)夾型微帶濾波器相對(duì)于平行耦合微帶濾波器而言結(jié)構(gòu)更加緊湊,故而在實(shí)際的工程中應(yīng)用更廣,有著良好的應(yīng)用前景。

        HFSS(High Frequency Structure Simulator)是由Ansys公司研發(fā)的世界上第一個(gè)商業(yè)化的全波三維電磁場仿真軟件,在射頻、微波、天線、高速電路等領(lǐng)域得到了廣泛的應(yīng)用。

        1 發(fā)夾型濾波器的設(shè)計(jì)

        1.1 濾波器的階次

        現(xiàn)以契比雪夫低通濾波器為原型設(shè)計(jì)一個(gè)中心頻率為3.2 GHz,帶寬為300 MHz,帶內(nèi)衰減小于3 dB,帶外衰減在3.2 GHz處小于15 dB的微帶帶通濾波器,則通過以下公式計(jì)算出[1]:

        (1)

        (2)

        Ωs=MIN(Ωs1,Ωs2).

        (3)

        (4)

        式中,Ωs為歸一化截止頻率,fXU為上阻帶邊頻,fXL為下阻帶邊頻,LAr為通帶內(nèi)最大衰減,LAs為阻帶內(nèi)最小衰減。一般n值求出來為非整數(shù),工程應(yīng)用中應(yīng)當(dāng)對(duì)其取整再加1,故n=5。

        1.2 品質(zhì)因數(shù)與耦合系數(shù)

        由1.1中公式已求得n=5,若確定帶內(nèi)波紋為0.1 dB,則通過查契比雪夫低通元件值表可得出g0=g6=1,g1=g5=1.146 8,g2=g4=1.371 2,g3=1.975 0,則通過下列品質(zhì)因素公式與耦合系數(shù)公式[2]:

        (5)

        (6)

        經(jīng)耦合矩陣?yán)碚摽梢缘玫降慕Y(jié)果如下:

        q1=q5=3.823.

        (7)

        k1,2=k4,5=0.239.

        (8)

        k2,3=k3,4=0.182.

        (9)

        1.3 輸入輸出位置

        為了保證濾波器良好阻抗匹配和功率承載能力,微帶線的特性阻抗可選擇50 Ω,聯(lián)合(5)式再根據(jù)輸入輸出位置的計(jì)算公式可得出[3]:

        (10)

        其中,m為輸入輸出位置,單位為mm;Zr為特性阻抗,q為品質(zhì)因數(shù)。

        2 3D模型建立與仿真結(jié)果

        對(duì)于基板材料,選擇具有電絕緣性穩(wěn)定,平整性好,加工誤差小等特點(diǎn)的FR-4環(huán)氧玻璃布層壓板,其相對(duì)介電常數(shù)為4.6,板厚為0.8 mm,計(jì)算微帶線物理尺寸時(shí)可應(yīng)用LineCalc工具輔助求解,由(7)~(10)式的計(jì)算結(jié)果綜合考慮,可以得出最終確定的尺寸參數(shù)如表1(單位:mm)。

        表1 微帶線物理幾何參數(shù)

        在確定物理幾何尺寸后,在HFSS軟件中建立的模型如圖1所示。

        圖1 發(fā)夾型濾波器3D模型

        在建立了模型后,即可通過電磁仿真來查看插損與回?fù)p,理論計(jì)算值一般會(huì)與實(shí)際有所差距,這可以通過HFSS中的Optimetrics控件來進(jìn)行篩選參數(shù)

        組[4],優(yōu)化仿真結(jié)構(gòu),最終得到仿真結(jié)果如圖2所示。

        圖2 濾波器回波損耗S11

        3 結(jié)論

        從圖2中看出在3.180 0 GHz處,s11=-15.077 2 dB;在3.394 5 GHz處,s11=-15.002 1 dB,帶寬約為215 MHz,比預(yù)設(shè)的帶寬200 MHz效果好,故設(shè)計(jì)成功。

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