基于hfss的ku波段微带发夹线滤波器的设计.doc

本科毕业论文( 2016 届 ) 题 目： 基于HFSS的KU波段微带发夹线滤波器的设计 学 院： 信息工程学院 专 业： 电子信息工程专业 学生姓名： 年东亚 学号： 21206022033 指导教师： 何宁业 职称（学位）： 助教 合作导师： 孙剑 职称（学位）： 讲师 完成时间： 2016年 5月 15日 成 绩： 黄山学院教务处制学位论文原创性声明兹呈交的学位论文，是本人在指导老师指导下独立完成的研究成果。本人在论文写作中参考的其他个人或集体的研究成果，均在文中以明确方式标明。本人依法享有和承担由此论文而产生的权利和责任。声明人（签名）：年 月 日目 录摘要1英文摘要21 引言31.1 研究背景和意义31.2 国内外研究现状31.3 本文内容和结构安排42 微带发夹线滤波器设计及原理42.1 微带滤波器简介42.2 重要参数42.2.1 耦合系数矩阵（内部耦合）42.2.2 外部品质因数（外部耦合）52.2.3 S参数62.3 微带发夹线滤波器设计方案62.3.1 设计目标62.3.2 设计原理63 软件仿真83.1 设计步骤83.2 结果及分析84 总结与展望104.1 总结104.2 展望10参考文献10致谢11基于HFSS的Ku波段微带发夹线滤波器的设计信息工程学院 电子信息工程 年东亚（21206022033）指导教师：何宁业（助教） 合作导师：孙剑（讲师） 摘要：随着通信技术发展的日益成熟，滤波器在通信技术中成为了不可缺少的器件，特别是微带滤波器在各电路网络中得到了广泛地应用。本设计以各谐振器间的耦合关系为基础，通过HFSS软件仿真实现一款Ku波段微带发夹线滤波器。 关键词：耦合；Ku波段；发夹线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，Huangshan，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 resonator 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 研究背景和意义随着时代的前进和科技的进步，大千世界万物都在时时刻刻的变化着进步着，时代的前进和科技的进步都与通信息息相关。早在远古时期通信主要是依靠简单的语言、肢体动作和符号等方式来进行信息之间的交流。19世纪，电报、电话的发明让人与人之间通信距离拉近。到了20世纪，计算机的问世，将人们带入了互联网时代1，从此科技成为了全球发展的核心力量。任何技术的发展都需要及时的信息交流和反馈，所以通信技术在科技发展领域中占了不可忽视的地位。微波通信技术由于其高效率、远距离传输、频带宽、信息传输量大等优点2，在通信领域得到了大力的推崇，得到了空前的发展，并逐渐成通信领域的核心，同时对社会发展产生了深刻的影响。微带滤波器作为微波通信中不可缺少的核心器件，也得到了快速地发展，并受到全社会的青睐，应用范围十分广泛，例如航天科技、卫星通信、移动通信、互联网通信等各个领域。 1.2 国内外研究现状19世纪初，滤波器这一名词开始出现在了通信领域中。由国外学者W. P. Mason3发表的文章中进行微带滤波器研究。无源滤波器20世纪起从问世到发展成熟，60年代随着计算机产业的快速发展，G. L. Matthaei4在其专著中对微波滤波器的经典设计方法作出了较全面、系统的介绍，滤波器的发展被提到了一个新台阶，到70年代后期，拥有单片集成技术的滤波器已被研制出来并得到应用。80年代，开始了对各类新型滤波器的研究，学者们努力开发出高性能新型滤波器，并使其得到广泛的应用5。从90年代至今，根据各类产品而开发研制的不同类型的滤波器不断的出现在各个领域，直至今日对滤波器的研究一直在不断的进行中。 在50年代后期，滤波器的成熟技术在我国也得到了广泛的应用。话路滤波器和报路滤波器6是当时最主要使用的滤波器。我国对滤波器的研究、生产和自身的应用等方面经过了半个多世纪的发展逐渐的跟上了国际发展的步伐，近年来我国在对于滤波器的微带领域的相关研究也取得了不错的进展，现有滤波器的种类和所覆盖的频率已基本上满足现有各种电信设备，微波技术研究所的高峻和唐晋生7两位专家以微波段滤波器为主要研究对象，重点的介绍了微带滤波器的物理性能及未来应用前景。这也就意味着作为微波通信的核心，微带滤波器需要加快其发展速度以更好地适应社会需求8。经过了快一个世纪的极速发展，国内外对滤波器的研究达到了一个鼎盛的状态，在大多数微波电路中，最常见的就是微带滤波器了，微带滤波器因为其具有易于加工、体积小及成本低等特点，并且在与有源电路元件集成是契合程度非常高，此外由于微带滤波器自身的属性9，现各国科学家通过改变不同的衬底材料从而实现微带滤波器可以在很大的频率范围内（从几百MHz到几十GHz）得到不同的应用，其中最为特殊的就是发夹型滤波器10。本文所研究的微带发夹线滤波器是通过改良半波长耦合微带线滤波器得到的一种高性能滤波器，具有结构紧凑、易于集成、较强的电性能等特点11。正因它有这些特点，才使得其在高密度高精度小尺寸的电路场合中得到了较为广泛的应用。1.3 本文内容和结构安排本文主要是通过HFSS软件仿真设计了一款Ku波段微带发夹线滤波器，其通带谐振频率在15.816.2GHz之间，并且保持带外抑制，通过仿真得到微带线耦合矩阵及其他滤波器的基本参数12。第一章引言主要叙述了微带发夹线滤波器在通信领域中的研究背景及其意义，并且主要重点叙述了国内外滤波器的发展现状。第二章原理主要是介绍微带滤波器。简介微带发夹线滤波器设计要求及原理，并且对微带滤波器的几个重要参数进行重点说明解释。在解释过程中引用了部分理论公式和原理曲线图加以说明。第三章仿真通过HFSS的仿真来得到设计目标Ku波段微带发夹线滤波器，分析滤波器中各参数的相互影响，并对仿真结果进行分析和解释说明。第四章总结与展望总结本课题从始到终所有的工作，对未来滤波器的研究方向的展望2 微带发夹线滤波器设计及原理2.1 微带滤波器简介微带滤波器的主要作用是在信息传输过程中来抑制不需要的信号，把它截止在滤波器外使其不能通过滤波器，使得需要传输的信号通过并完成信息传输和交流13。滤波器性能在微波电路中对电路性能指标影响很大，因此设计出一个具有高性能的微带滤波器，对设计微波电路系统来说具有重要的意义。微带滤波器的性能与其自身参数的配置有着密切的关系。例如品质因数Q、绝对衰减、带宽、中心频率、相移、反射损耗等14。其中品质因数Q及带宽和中心频率是控制着滤波器性能的主要参数。一般来说研究一个微带滤波器的性能参数，必须要把其品质因数和耦合系数分析研究透彻，因为外部耦合与内部耦合共同决定了滤波器的组成结构及其性能。2.2 重要参数2.2.1 耦合系数矩阵（内部耦合）根据耦合谐振电路理论设计的滤波器在谐振器的选择上具有相当高的灵活性。只要知道了滤波器的耦合系数矩阵（内部耦合）和外部品质因数（外部耦合）就可以设计出所需要的滤波器，并且能在构成这样的滤波器的形式上形成多样性，而且能使设计出的滤波器的性能上保持一致。所以从耦合系数这个重要的参数出发研究和设计滤波器是最有效最快捷的办法。对于发夹线滤波器的设计来说也是这样，微带发夹线滤波器的阻抗矩阵主要由耦合系数、外部品质因数及频率变换式p三个部分成，即阻抗矩阵可分解为： 其中U为单位矩阵：q也是矩阵；m为滤波器的耦合系数矩阵。在同步调谐的滤波器中，耦合系数表示为： 其中,i=1,1,代表的是谐振器间有耦合时的谐振频率。各个谐振器单元的相对位置不同，得到的谐振单元之间的耦合系数则不同。2.2.2 外部品质因数（外部耦合）影响谐振单元位置的因数主要是两终端的外部品质因数值（、）和谐振器之间的耦合系数，外部品质因数和耦合系数的关系可表示为： 其中、分别表示滤波器外部品质因数，FBW表示滤波器的相对带宽，n表示滤波器的阶数，表示低通原型的元件值，i表示正整数，且。在预想的条件下若谐振器的损耗很小，则反射系数S(1,1)的幅度近似为1，但是反射系列的曲线相位会随着频率的变化而改变，图2-1示出了S(1,1)的相位随频率变化的曲线。 外部品质因素的表达式为： 通过以上理论可以看出，在进行滤波器设计的时候只确定好耦合系数矩阵和外部品质因数，才能通过调整输入和输出的馈线位置来得到设计要求所需要的外部品质因数值。通过调整谐振器单元相对位置，控制各个单元之间的耦合系数，来得到需要的耦合量的大小。18013590450 -45 -90 -135-180图 2-1 相位变化曲线2.2.3 S参数微波网络是以低频网络为基础发展而来的，在进行电路分析中，低频电路的分析比较特殊，一般对于一个网络存在Y参数、Z参数和S参数时，三个参数都可以用来测量和分析，其中Y称为导纳参数，Z称为阻抗参数，S称为散射参数15。 S参数是微波传输中的一个重要参数，在微波电路中以入射波和反射波的关系为基础建立的一个网络参数。S参数广泛的应用于微波电路的分析，以一个器件端口的反射信号以及从此端口传向另一端口的入射信号来描述和分析电路网络。在微波网络中用不同的S符号来表示不同的S参数16。例如S21为正向传输系数，也称为增益系数。S12为反向传输系数，也称为隔离系数。S11为输入反射系数，也称为输入回波损耗。S22为输出反射系数，也称为输出回波损耗。在本文研究的微带发夹线滤波器的设计中用到的就是S11和S21两种网络参数。2.3 微带发夹线滤波器设计方案2.3.1 设计目标使用HFSS仿真软件设计实现通带谐振中心频率在16GHz的微带发夹线型滤波器，使其外部品质因数：Q=38.9、通带频率在15.8GHz至16.2GHz之间、输入和输出阻抗为50欧姆、带外抑制15.4GHz时衰减大于40dB、16.6GHz时衰减大于40dB。然后采用Rogers 5880材料为介质基片进行仿真，并分析结果中滤波器的各项性能指数。2.3.2 设计原理本设计的滤波器是由发夹型谐振器并排排列耦合而成，是半波长耦合微带滤波器的一种变形结构，是将半波长谐振耦合器折成U字型构成的。因此本设计原理是通过把切比雪夫滤波器经过改良得到工作中心频率在16GHz的微带发夹线滤波器。通过改变其耦合系数M及外部品质因数Q的值来实现设计目标所需要的发夹线滤波器的各个参数值。利用HFSS仿真软件进行发夹线型滤波器的3D模型的建立及仿真，并且通过分析仿真结果进行滤波器的优化改进。Rogers RT/duroid 5880(tm)是本设计介质基片采用的材料，通过2-1介质基片参数表格得到介质基片的介电常数=2.2。通过滤波器参数计算公式（2-6）（2-8）可以计算出当发夹线型滤波器的中心频率为16GHz时，其结构中发夹谐振器的臂长L的值大约为3.27mm。通过表2-2的发夹线滤波器的耦合矩阵参数和公式（2-9）（2-10）计算出当滤波器的外部品质因数Q为38.9时抽头微带线到发夹谐振器中间位置的距离大约为0.605mm。表 2-1 介质基片参数介质基片Rogers RT/duroid 5880(tm)参数铜厚介质厚度铜电导率介质介电常数介质损耗角正切0.017mm0.254mm5.8Xe7siemes/m2.20.0009 表 2-2 耦合矩阵参数S1S2S3S4S5SLS0S00.02530.02160.01590.02160.02530L0.02530.02160.01590.02160.025300 （2-6） （2-7） （2-8） （2-9） （2-10）根据上面设计所计算出的参数作为滤波器的原始参数，初步确定发夹线滤波器结构的具体尺寸，利用HFSS仿真软件建立滤波器结构模型，进行模拟、调谐、优化等过程，并把得到的结果进行分析。由于微带发夹线滤波器被较多的应用在微波低频率时段，然而进入Ku波段以后，实际的滤波器参数值与相关理论公式计算所得出的理论值已经存在了一定的误差，在仿真结果中最主要的体现就是出现一定的频率偏移和驻波特性变差，因此在大多数的微波电路设计中，都会进行优化设计。一般利用优化算法中的随机算法和梯度算法进行优化，经优化得出理想的仿真结果。3 软件仿真3.1 设计步骤（1） 打开HFSS软件，新建一个工程并重命名，创建一个HFSS Design，保存在指定路径；（2） 设置求解类型，在HFSS的中Solution Type选择所需要的求解类型，系统默认的一般为Driven Modal；（3） 创建微带滤波器结构模型（3D Model）；包括介质基片及空气盒子并分别设置他们的几何参数和材料属性；（4） 创建谐振器电路；需要添加定义变量、创建谐振器的微带馈线和创建谐振器微带线电路，然后分别设置三部分的几何参数及材料属性；（5） 设置端口激励；创建Rectangle模型并通过“Wave Port：Modes”进行激励端口的设置；（6） 求解设置；运用HFSS软件中的Project Manager窗口中的Analysis功能模块进行求解设置；在Solution Ferquecy窗口中的频率应为16GHz，同时也是滤波器的中心频率；（7） 扫频设置；在求解过后的Analysis节点的Setup1进行扫频设置；设置扫频范围为1319GHz，扫频点为501个点；（8） 检查工程；运用Validate功能，检查工程设计有无问题、利用Analysis运行仿真计算；（9） 滤波器设计的数据处理与分析，并且对未达到的设计要求进行优化及分析；3.2 结果及分析运用HFSS仿真软件制作出一个通带频率范围在15.816.2GHz的发夹线滤波器，其整体电路模型如3-1图所示由下图3-1可知，发夹线滤波器的整体结构直观的表现就为发夹式相互耦合。发夹线滤波器模型由5个谐振器、2个抽头、1个介质基片及2个边界组成；抽头的位置和各个谐振器间的间距分别决定了滤波器的外部品质因数和内部耦合系数。图 3-1 微带发夹线滤波器模型图3-2是根据上文设计方案中所得设计的初始值，通过仿真软件建模、运算、分析后得到仿真的结果，由图3-2可以得出，3dB带宽频率约为490MHz，滤波器的中心频率大约为16.8GHz偏移高频段，通带内的插入损耗约为3.7dB，带内反射均小于13.6dB；虽然实现了发夹线滤波器，但是未能完全达到设计目标要求，需要对滤波器电路进行设计优化。图 3-2 发夹线滤波器仿真扫描结果滤波器的中心频率往高频偏移，需要将谐振器的长度L略微的变长；3dB带宽略宽，需要增大谐振器的间距，同时兼顾带内反射的要求。对更改优化后的设计重新仿真得到图3-3的结果。根据下图3-3得出，当把dB(S(2,1)的优化目标设置为频率范围在15.816.2GHz内小于等于-20，权重为1，dB(S(2,1)的优化目标设置为频率范围在1315.4GHz和16.4819GHz内小于等于-40权重均为1。从图形中得出滤波器通带频率约为15.800GHz到16.400GHz。滤波器的中心频率大约16.0GHz左右，而且通过图可以得出带外频率为15.4GHz时约为-26dB左右，带外频率为16.6GHz时约为-15dB左右。因此由图3-3中各滤波器参数可以看出滤波器达到设计要求，实现了设计目标。图 3-3 发夹线滤波器优化仿真扫描结果从第一次仿真到最后的优化达到设计要求的滤波器可以得到，优化后电路各参数通常不是整数。当输入/输出抽头为50欧姆线，长度的微小变化对滤波器的频率特性不产生影响。4 总结与展望 4.1 总结本文是基于HFSS软件仿真实现Ku波段微带发夹线滤波器。经过本次毕业设计的研究，了解了微带发夹线滤波器作为微波电路中重要器件，研究它所具有的重要意义。微带发夹线滤波器是通过传统的切比雪夫滤波器经改良而成，其中滤波器的耦合系数和外部品质因数决定了其性能参数。以设计要求的目标参数为基础，经过滤波器的相关理论公式计算出发夹线滤波器的各参数初始值。利用HFSS仿真软件进行建模研究，经过分析仿真结果与理想目标的差距进行优化从而最后达到理想目标。4.2 展望本文设计的Ku波段微带发夹线滤波器的主要通带频率在15.816.4GHz，还可以在原先的基础上进一步扩展通带频率，使得在保持中心频率不变的条件下，达到扩展通带频率的效果。在如今大数据的时代下，大部分信息传输的过程中，通常一个微波电路的信息波段范围很大，因此当发夹线滤波器的通带频率范围扩大后，可以有效的提高滤波器的工作能力，使得滤波器具有更高的应用价值。在国内外微波电路的设计中，除了HFSS仿真软件还可以利用CAD软件进行滤波器电路的设计及优化。使得简化了设计难度，更好的实现设计目标。参考文献1 王悠. “信息大数据”概念新论J.新闻传播.2014, 35 (4):21-34. 2 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Large area YBa2 Cu3 O7 and Tl2 Ba2 CaCu2O8 thin films for microwave and electronic applicationsJ.2001,167(8):1488-1494.5 位朝垒.新型微波滤波器关键技术研究D.电子科技大学.2013.6 苟永明.滤波器的发展及应用J.世界电子元器件.1998,123(12):123-156.7 高峻.唐俊生.微波滤波器的回顾与展望M电子元器件应用.2005:12-13.8 杨爱琴.李晓萍.滤波器的发展与展望J.电子科技.1995,15(3):104-115.9 李兵.微波通信技术的发展与展望J.电力系统通信.2011,35(7):153-164 .10 甘本祓.吴万春. 现代微波滤波器的结构与设计M.科学出版社.1973:164-178.11 苟永明.滤波器的特点及应用J.现代通信.1998,23(4:)12-43.12 徐兴福.HFSS射频仿真设计实例大全M.电子工业出版社.2015:147-184.13 胡铭.陈衍.有源滤波技术及其应用J.电力系统自动化.2000,45(2):123-145.14 孙尧,李汉挺,张西中.基于FPGA的混合有源滤波器和并联有源滤波器的性能分析 J.中国教育技术装备.2014,145(5):22-34.15 陈琦.微波滤波器综合技术 D.西安电子科技大学.2007:124-156.16 李笑飞.微波滤波器的设计与仿真 D.大连理工大学.2013.17 李嗣范.微波元件原理与设计M.人民邮电出版社.1982. 致谢整个设计的过程让自己感受颇多，首先感谢学校给予我优质的教育，感谢老师给予我细心的指导，感谢同学给予我真挚的帮助。正是因为你们的关心和帮助，才让我能顺利的完成本次毕业设计。在设计过程中让我不仅在专业知识上得到了提高，还让我在动手能力方面得到了锻炼。在此，我要对曾经帮助过我的每位老师和同学们说一声谢谢。感谢每一个帮助过我的人,如果没有你们的支持和鼓励，我也不可能顺利完成此项设计。此外，还要感谢我的指导老师何宁业老师。不仅在论文上给了我许多帮助，在学习之外也给了许多教导，在制作讨论过程中对论文提出的指导建议使我受益匪浅，不但让我拓展了许多专业知识,还让我学会了坚持不放弃。目 录第一章 总 论1第一节 项目名称及承办单位1第二节 研究工作的依据与范围2第三节 简要研究结论3第四节 主要经济技术指标5第二章 项目提出的背景及必要性7第一节 项目提出的背景7第二节 项目建设的必要性13第三章 市场预测与需求分析19第一节 车用生物燃气市场发展分析19第二节 有机肥市场分析23第四章 建设规模与产品方案29第一节 建设规模29第二节 产品方案29第五章 厂址选择与建设条件31第一节 厂址方案31第二节 建设条件32第六章 工艺技术方案40第一节 项目组成40第二节 生产技术方案40第三节 生产设备53第七章 原辅材料供应56第一节 原辅材料供应56第二节 公用设施58第八章 工程建设方案59第一节 总图运输59第二节 建筑结构工程62第三节 公用工程70第九章 环境保护、劳动安全卫生75第一节 环境保护75第二节 劳动安全卫生77第十章 节能与消防84第一节 节 能84第二节 消 防89第十一章 企业组织与劳动定员92第一节 企业组织92第二节 劳动定员92第三节 人员培训93第十二章 项目实施进度计划94第十三章 建设项目招标方案95第十四章 投资估算与资金筹措97第一节 投资估算97第二节 资金筹措98第十五章 财 务 评 价100第十六章 社会影响分析105第一节 社会效益分析105第二节 社会风险分析10612