基于HFSS软件的滤波器设计

滤波器概述

1.滤波器分类

微波滤波器有很多种类型，按照传输线模式来分，可以分为介质滤波器、同轴滤波器、共面波导滤波器、微带线滤波器等；按照传递函数可分为巴特沃兹、切比雪夫、贝塞尔、椭圆和高斯等；按照元件类型可分为无源、有源、集总参数、分布参数、晶体滤波器等。

除了上述几种分类方法之外，滤波器最常见的分类方法是按照频响分类，有低通、高通、带通和带阻四种基本的类型。如下图所示，每一种类型都可以由其对应的低通原型通过频率变换得到。

图1 按照频率响应分类的滤波器

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   滤波器仿真

   
   

１.设计指标与原理

本文设计了一款五阶发夹型微带带通滤波器，并对其参数进行优化。滤波器工作在X波段的中心频率为 10GHz；通带绝对带宽大于 1GHz；带内最大衰减0.5dB，起伏小于1dB，S11<-20dB，端口采用50欧姆匹配。

　　与其他微波滤波器形式相比，发夹滤波器更为常见，它是在半波长谐振器的基础上引申变形得到，其结构更加紧凑，小型化是其特点之一。变形的方法也比较简单，即将半波长谐振器的臂折叠，构成一个U字形，这样会出现两个臂，且臂与臂之间的间距与弯折程度有关，但是两臂之长加上间距的总长度依然约等于二分之一波长。这样弯折后，原本在一个方向上 的二分之一谐振器长度就可以缩短接近一半，所以滤波器的整体面积得到了减小。而且这种 结构不需要过孔接地，便于加工。

图２　平行耦合线

　　发夹型带通滤波器是在平行耦合滤波器的基础上弯折得到，因此平行耦合带通滤波器的研究方法对普通发夹滤波器同样适用。发夹型滤波器的馈电方式主要有两种：(1)平行耦合馈电方式；(2)抽头式馈电方式。平行耦合馈电方式使用较少，一般日常设计中使用抽头馈电，优点是抽头可以很好的控制尺寸，并且抽头馈电在实测时也优于平行耦合馈电。

　　微波滤波器的性能一般由以下参数确定：发夹谐振器的臂长L ，微带线宽度W及谐振器 中间的间距S和抽头离谐振器的距离t 。其中谐振器臂长为四分之一波导波长。波导波长由介质版的介电常数决定。

图３　抽头式馈电发夹谐振器单元及其等效网络原理图

图４　所设计的滤波器给构图

初始尺寸如下(单位mm)

表1 滤波器初始尺寸

２.建模优化

选择厚度为0.4mm，介电常数为3.55，损耗0.002的板材，在HFSS软件中建立如下：

图 ５ 滤波器在HFSS中的模型

图６ 优化前滤波器的S参数情况

　　上图给出了优化前的S参数，图中给出了S11,S21,S12,S22由于结构的对称性，可以看出S22与S11是重合的，同样Ｓ12与S21也是重合的，但是观察S11，在通带内希望95-10.5GHz的S11要小于-20dB，显然没有满足，下面将进行关键参数的扫描优化，确定优化方向，最终得到符合要求的性能指标。

图７不同T情况下的S11

图８　不同T下的S21

图９　不同S1情况下的S11

图１０　不同S1情况下的S21

图１１不同S2情况下的S11

图１２　不同S2情况下的S21

上面６图给出了变量参数T，S1和S2不同值情况下的S11和S21图，可以看出，抽头不同的位置T对反射系数影响较为剧烈，但是对传输情况就不太明显，同样耦合缝隙S1与S2对反射系数影响较为剧烈，但是对S21的影响就较为有限。经过过上面的扫描，可以发现多个参数都会影响滤波器的性能，下面就用HFSS的优化功能，设置目标函数，进行自动优化。

图13 优化目标设置

图14 优化过程收敛情况

图15 最终优化结果的S参数

上图给出了优化目标函数的设置，设置在9.5GHz到10.5GHz范围内S11小-25dB，经过漫长的运算，最终结果达到了在9.4GHz-10.42GHz范围内S11小于-20dB，S21大于-0.5dB，并且在频带内S21的波动小于1dB。

最终尺寸如下(单位mm)：

表２ 滤波器最终尺寸

三．总结

本次实验设计了工作在X波段的滤波器，实现了S11在9.4-10.42GHz范围内小于-20dB，绝对带宽大于1GHz，S21在通带内幅度平坦，幅度小于1dB，损耗小于0.5dB，带外抑制大于20dB，并且给出了设计理论以及优化过程。