矩形杆交指型带通滤波器

关键词HFSS软件 ；带通滤波器 ；交指型带通滤波器
Abstract
This paper gives the particular description of a theoretical analysis and practical design for rectangular-rod inter-digitalband-pass filter. First,the self-capacitance and mutual capacitance of the inter-digital band-pass filter is obtained in accordingwith the design theory of the inter-digital band-pass filter.Based on computer aided design,the parameters of filter are given.Using HFSS software design of the filter model, implement a l-band changing the filter design. And set the filter center frequency is 1.5GHZ, relative bandwidth W = 0.70, LAr = 0.10 dB. Set the scanning frequency of 0.6 GHz to 2.4 GHz. Of the set of parameters for each window as well as a detailed description. Through the pay type refers to the band-pass filter simulation analysis of 3 d models get convergence data and S parameters of the model, the model has reached the convergence criteria,Thesimulation result shows good agreement with theoretical result, which proves themethod is valid.
题目类型
1.毕业设计（ √）2.论文（）
题目来源
科研课题（）生产实际（）自选题目（ √）
主
要
内
容
HFSS（High Frequency Structure Simulator）是由美国Ansoft公司开发的三维电磁场仿真系统。采用切向分量的有限元方法，自适应网格剖分，可以求解任意三维射频、微波器件电磁场分布，计算辐射材料损耗。可直接得到微波传输系统特征阻抗、传播系数和S参数等，也可直接得到天线辐射方向图和特定吸收率等结果。广泛地应用于电磁场分析和微波、天线系统设计，是一种在电磁工程设计中常用的软件。本设计的主要内容是藉助于HFSS，设计、分析矩形杆宽带交指型带通滤波器，主要分析带宽和结构之间的关系。
1.
HFSS（High Frequency Structure Simulator）是由美国Ansoft公司开发的三维电磁场仿真系统。采用切向分量的有限元方法，自适应网格剖分，可以求解任意三维射频、微波器件电磁场分布，计算辐射材料损耗。可直接得到微波传输系统特征阻抗、传播系数和S参数等，也可直接得到天线辐射方向图和特定吸收率等结果。广泛地应用于电磁场分析和微波、天线系统设计，是一种在电磁工程设计中常用的软件。本设计的主要内容是藉助于HFSS，设计、分析矩形杆宽带交指型带通滤
由于输人信号 时，传递函数的虚部为零． 的模最大即输出信号的幅值最大。故当输人信号的频率与 相同时，通过滤波器输出信号的相位不变即输人／输出信号之间的相移为零或为反相。这是带通滤波器最重要的特征。
2.3交指型带通滤波器设计原理及方案
所谓“交指型”是指由两组平行耦合线谐振器阵相互交叉组成的结构。有3 种结构形式,即终端短路式、终端开路式和电容加载式。其中,终端开路式交指型滤波器的结构如图2所示。
（1）结构紧凑、可靠性高；
（2）由于每个谐振器间的间隔较大，故公差要求较低，容易制造；
（3）由于谐振杆长近似等于1/4λ,所以第二通带中心在3ω以上，其间不会有寄生响应；
（4）既可以作成印刷电路形式，又可以作成腔体结构，用较粗的杆作成自行支撑，而不用介质。
因此，交指型滤波器在电子系统，尤其是在通信技术及近代航空航天领域中被广泛使用。同时近年来随着计算机技术突飞猛进的发展，出现了一些实用的三维高频电磁场仿真软件，如美国Ansoft的HFSS。这些实用的仿真软件对于设计出的参数可以进行进一步的仿真、优化，以达到在实际加工中的准确性和一致性。
这种现象在通带边缘尤其明显，这种效应称为吉布斯效应。
BPF的频率响应特性示意图如图1所示。根据特性，可定性给出一个二阶带通滤波器的传递函数．如下：
上式中 均与R、C相关联
图2-1 幅频特性
当输人信号在 时 的模最大， 称为特征频率，并将 时的 值即 称为通带电压放大倍数；带通滤波电路输出电压与输入电压之比的模随频率变化下降到通带电压放大倍数的7O％时所对应的频率用 表示，称为通带截止频率；通带宽度是两个通带截止频率之差；Q值是特征频率与通带宽度之比。从图中可看出以下几点：在通带内幅频特性基本是水平的．通带外的电压放大倍数为零或近似为零：通带与阻带之间的频段称为过渡带，过渡带越窄说明滤波电路的选择性越好。
第2章先总体介绍了带通滤波器的分类和带通滤波器的工作原理，然后介绍交指型带通滤波器的设计原理及方案。
第3章为设计交指型带通滤波器的过程，利用HFSS软件设计矩形杆交指型带通滤波器的3D模型，然后设置模型参数，完成模型的设计。
第4章主要介绍了仿真的结果及其分析，对模型进行仿真分析，解析数据，建立仿真报告，创建电磁场覆盖图。
本科毕业设计（论文）
矩形杆宽带交指型带通滤波器设计与仿真分析
罗立
燕 山 大 学
里 仁 学 院
2016年6月
本科毕业设计（论文）
矩形杆宽带交指型带通滤波器设计与仿真分析
学院：里仁学院
专业：通信工程
学生姓名：罗立
学号：121308061274
指导教师：邢光龙
答辩日期：2016.6.19
燕山大学毕业设计(论文)任务书
波器，主要分析带宽和结构之间的关系。
1.
凡是有能力进行信号处理的装置都可以称为滤波器。在近代电信设备和各类控制系统中，滤波器应用极为广泛；在所有的电子部件中，使用最多，技术最为复杂的要算滤波器了。滤波器的优劣直接决定产品的优劣，所以，对滤波器的研究和生产历来为各国所重视。
1917年美国和德国科学家分别发明了LC滤波器，次年导致了美国第一个多路复用系统的出现。20世纪50年代无源滤波器日趋成熟。自60年代起由于计算机技术、集成工艺和材料工业的发展，滤波器发展上了一个新台阶，并且朝着低功耗、高精度、小体积、多功能、稳定可靠和廉价方向努力，其中小体积、多功能、高精度、稳定可靠成为70年代以后的主攻方向。导致RC有源滤波器、数字滤波器、开关电容滤波器和电荷转移器等各种滤波器的飞速发展，到70年代后期，上述几种滤波器的单片集成已被研制出来并得到应用。80年代，致力于各类新型滤波器的研究，努力提高性能并逐渐扩大应用范围。90年代至现在主要致力于把各类滤波器应用于各类产品的开发和研制。当然，对于滤波器本身的研究仍不断进行。
图2-2交指型滤波器示意图
其结构是在两个平行接地板间放入两个交叉的矩形杆平行耦合线阵,每个矩形杆一端短路,一端开路,长约λ0/4,载TEM模。杆1 到杆n(包括两终端杆在内)都是用作谐振器,因此对于n个电抗元件低通原型,只要n 个杆就能实现。对于这种结构,采用近似设计方法对于宽带滤波器最为实用, 若用来设计窄带滤波器,则会发现,两终端杆将有极高的阻抗值,因而难以实现。在交指型滤波器中,由于杆端分布电容的影响,谐振器实际长度比λ0/4 略短。在这种形式滤波器中,谐振器之间的耦合是用谐振线之间的边缘场来得到的。谐振器之间的耦合主要是磁耦合效应。
里仁学院：专业(方向)：电子工程系
学
号
121308061274
学生
姓名
罗立
专 业
班 级
通信四班
题
目
题目名称
矩形杆宽带交指型带通滤波器设计与仿真分析
题目性质
1.理工类：工程设计（√）；工程技术实验研究型（）；
理论研究型（）；计算机软件型（）；综合型（）。
2.文管类（）；3.外语类（）；4.艺术类（）。
KeywordsHFSS-software ; band-pass filter ; Cross-finger-type band-pass filter
第1章 绪论
1.1 课题背景
微波滤波器是雷达系统，通信系统，测量系统必不可少的组成部分，同时也是最为重要，技术含量较高的微波无源器件，一般被用来分开或整合不同频段的信号。电磁波谱是有限的，且需按应用加以分配。微波滤波器具有选频功能，可以分隔频率，即通过所需的频率信号，而抑制不需要的频率信号。
2.2 带通滤波器工作原理
一个理想的滤波器应该有一个完全平坦的通带，例如在通带内没有增益或者衰减，并且在通带之外所有频率都完全衰减掉，另外，通带外的转换在极小的频率范围内完成。实际上，并不存在理想的带通滤波器。滤波器并不能够将期望频率范围外的所有频率完全衰减掉，尤其是在所要的通带外还有一个被衰减但是没有被隔离的范围，这通常称为滤波器的滚降现象，并且使用每十倍频的衰减幅度dB来表示，通常，滤波器的设计尽量保证滚降范围越窄越好，这样滤波器的性能就与设计更加接近，然而，随着滚降范围越来越小，通带就变得不再平坦一开始出现“波纹”。
基
本
要
求
1.学会使用HFSS软件。
2.掌握微波段带通滤波器的设计基本原理和分析方法。
3.应用HFSS分析微波段带通滤波器的特性。
参
考
资
料
天线（antennas:for all applications third edition）,john D.karus Ronald J Marchefka著，章文勋 译，电子工业出版社，2004
我国广泛使用滤波器是50年代后期的事2，当时主要用于话路滤波和报路滤波。经过半个世纪的发展，我国滤波器在研制、生产和应用等方面已纳入国际发展步伐，但由于缺少专门验资机构，集成工艺和材料工业跟不上来，使得我国许多性型滤波器的研制应用与国际发展有一定距离。
1.4
第1章为绪论部分，主要介绍课题具体背景及课题意义，HFSSБайду номын сангаас件简介和国内外滤波器的发展状况。
软件调试，结果分析。
编制设计文件，使用说明
完成论文
指导教师：邢光龙
职称：教授 2016年 3 月5 日
注：周次完成内容请指导老师根据课题内容自主合理安排。
摘要
本文介绍了矩形杆交指型带通滤波器的原理和设计方法，根据交指型滤波器的设计原理获得矩形杆的自电容和互电容，利用计算机辅助设计工具结合图表得到滤波器的初始尺寸。利用HFSS软件设计滤波器的模型，实现一个 L 波段的八级滤波器的设计。并设定该滤波器的中心频率是为1.5GHZ, 相对带宽 W=0.70,LAr= 0.10 dB。设置扫描频率为0.6 GHz-2.4 GHz。对于各个窗口以及参数的设定进行了详细的描述。通过对交指型带通滤波器3D模型的仿真分析，得到模型的收敛数据和S参数，模型达到了收敛标准，仿真所得结果与理论结果相符，仿真结果和理论结果吻合良好，证明了设计方法的可行性。
微波滤波器有许多种类，其中交指型带通滤波器是微波滤波器中一种比较常用的结构形。交指型带通滤波器的适用范围非常广泛，其相对带宽可以从窄带的1%一直变化到带宽的7%以上甚至更宽，其频带的变化范围可以从UHF到C波段。
交指型滤波器是指由平行耦合线谐振器阵交叉组成的结构，结构多用做慢波系统，但近来研究表明，它具有优良的带通特性，具有如下优点：
第
2.1
带通滤波器分为窄带和宽带两种类型，如果上截止频率与下截止频率的比超过一个倍频程，这个滤波器就认为是宽带型的。这时滤波器的设计指标可以被分为独立的低通和高通指标，并简单地看作低通滤波器和高通滤波器的级联。
窄带滤波器的设计更困难些，必须恰当的选择电路结构，而且要运用合适的变换，以避免元件不符合实际。此外，当滤波器的窄带变窄时，元件的Q值要求增大，对元件的误差和稳定的要求也随之增加。
微波技术与天线—电磁波导行与辐射工程，殷际杰，电子工业出版社，2004
Ansoft HFSS基础及应用，谢拥军等编著，西安：西安电子科技大学出版社 2007；HFSS用户手册和参考书
周次
1—4周
5—8周
9—12
13—16周
17—18
应
完
成
的
内
容
查阅文献资料、了解和掌握课题研究背景和方法
建立分析方法、确定软件实现方案、编制源程序