HFSS高性能平行耦合微带带通滤波器设计与仿真攻略（附视频教程）

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作者优秀: 优秀教师/意见领袖/博士学历/特邀专家/独家讲师
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导读：实现射频带通滤波器有多种方法，如微带、腔体等。腔体滤波器具有Q值高、低插损和高选择性等特点，但存在成本较高、不易调试的缺点，并不太适合项目要求。而微带滤波器具有结构紧凑、易于实现、独特的选频特性等优点，因而在微波集成电路中获得广泛应用。常用的微带带通滤波器有平行耦合微带线滤波器、发夹型滤波器、1/4波长短路短截线滤波器、交指滤波器等形式以及微带线的EBG (电磁带隙 )、DGS(缺陷地结构 )等新结构形式。而平行耦合微带带通滤波器具有体积小、重量轻、易于实现等优点。

一、平行耦合带通滤波器的基本原理

平行耦合带通滤波器带通滤波器是一种分布参数滤波器滤波器，它是由微带线或耦合微带线组成，其具有重量轻、结构紧凑、价格低、可靠性高、性能稳定等优点，因此在微波集成电路集成电路的供应商中，它是一种被广为应用的带通滤波器。

滤波器的基础是谐振电路，它是一个二端口网络，对通带内的频率信号呈现匹配传输，对阻带频率信号失配而进行发射衰减，从而实现信号频谱过滤功能。微波带通滤波器在无线通信系统通信系统中起着至关重要的作用，尤其是在接收机前端。滤波器性能的优劣直接影响到整个接收机性能的好坏，它不仅起到频带和信道选择的作用，而且还能滤除谐波，抑制杂散。

二、平行耦合带通滤波器结构与模型的创建

1、平行耦合带通滤波器原理

平行耦合单元由两根相互平行且有一定间距的微带线组成，其结构图包括介质层、接地层和微带线如图 3.3 所示。图中每根微带线的宽度和厚度分别为为 W 和t；两根微带线的间距为 S；介质层厚度和介电常数分别为 h 和 Er。两根微带线通过接底层产生了耦合效应，随之产生了奇模和偶模特征阻抗。平行耦合带通滤波器通过级联平行耦合线元件得到。

图2.1 平行耦合微带线结构图

平行耦合带通滤波器的相对带宽 BW 与中心频率、上边频和下边频有关，而奇模和偶模特征阻抗由低通滤波器参数 g、滤波器输入输出端口特征阻抗 Zo和耦合单元组成。可由以下公式得到：

式中

和

分别为奇模和偶模的特性阻抗，i,i 1表示耦合段单元。

2、平行耦合带通滤波器参数计算与设计

本节中所设计的平行耦合带通滤波器指标如下表所示：

根据表中滤波器指标，选择0.1dB纹波的切比雪夫滤波器来设计，阶数为5阶。对应低通滤波器原型参数可以通过查表获取：

那么依据公式可求得奇偶模特征阻抗，如表2.2所示。

同时可以使用ADS中的Linecalca工具可以通过奇偶模阻抗计算出耦合微带线的各节尺寸参数，每节耦合微带线尺寸如表2.3所示。

图2.2 耦合微带线计算工具

这里选用Rogers 5880T高频板材来对滤波器进行设计，介电常数损耗正切TanD=0.0009，导体层厚度T=0.035mm。原理图和S参数如图2.3和图2.4所示。

图2.3 ADS电路原理图

图2.4 ADS电路原理图仿真S参数曲线响应

由图 2.4 可知，该带通滤波器中心频率为2.55GHz，插入损耗 S21满足指标，但回波损耗S11在2.5GHz低于15dB及阻带衰减都没有满足要求，显然无法满足滤波器指标，因此我们需要对平行耦合带通滤波器进行优化设计。

3、平行耦合带通滤波器优化仿真设计

在平行耦合带通滤波器的仿真优化中，S参数是衡量滤波器性能好坏的的重要指标，S参数中包括S11和S21。S11为反射系数，也就是回波损耗，S21为传输系数，也就是插入损耗。本节中设定优化参数 S21大于-1.5dB，S11小于-15dB。接下来将在 ADS 仿真软件的原理图中对平行耦合带通滤波器进行优化。

本节设计的平行耦合带通滤波器有5对耦合节(6个阶梯)，主要的优化参数为微带线的长 L、宽W和间距S。经多次参数优化后，最终得到平行耦合微带带通滤波器的具体尺寸，如表 2.4 所示,优化后的原理图如图2.5所示。

图2.5 ADS优化后的电路图与尺寸

从表2.4中可以看出，优化后的每组微带线间距S与长度L与前面通过公式计算出的理论值不同，这是由于平行耦合微带线存在线间边缘效应，从而影响了各个参数的计算。经过ADS电路优化后的滤波器S参数如图2.6所示。

图2.6 ADS优化后的电路原理仿真特性

由图2.6可以看出，优化后的滤波器中心频率在2.55GHz，通带带宽约100MHz，S21在通带起伏不大，带内衰减大于-2.0dB，从S21可以看到阻带衰减都小于-40dB，满足设计要求。

三、HFSS中3D建模仿真

在第二部分内容中进行的原理图仿真，是在完全理想状态下进行的，而实际电路板的制作由于需要考虑一些干扰、耦合等因素的影响，往往和理论有很大的差距。因此需要在ADS完成原理图仿真后，对其进行版图的三维电磁场仿真。本论文对版图的仿真在HFSS工作环境中进行。采用FEM有限元法对电磁场进行计算，其结果比原理图中仿真更加准确。

由平行耦合微带带通滤波器的电路图创建的HFSS电路版图如图3.1所示。

图3.1 HFSS创建的平行耦合带通滤波器版图

对微带带通滤波器电路版图进行仿真，得到的S参数随频率的变化曲线如图3.2所示。

图3.2 HFSS平行耦合微带带通滤波器S参数仿真结果

对比图2.6 和图3.2 平行耦合微带滤波器的原理图和电路版图的仿真结果可以看到,所设计的平行耦合微带带通滤波器在通带的纹波、阻带的衰减及反射系数等各设计指标都满足设计要求。

四、结束语

根据ADS和HFSS 软件仿真得到的平行耦合微带滤波器微带的线宽、线长及微带的间距结构参数,便可以加工实物。通过利用ADS 软件设计微带带通滤波器的过程可以看到,与传统理论设计方法相比,利用微波软件(例如ADS 软件)设计方法简化了设计过程,提高了设计的精度和效率,降低了成本,此方法对高性能滤波器设计具有重要实用价值。

为了帮助滤波器用户学习一类耦合带通滤波器综合方法，掌握仿真微带、腔体、矩形波导、介质腔体等微波结构综合而成的耦合带通滤波器的仿真建模技巧与全波调试优化方法。自2021年5月起，我在仿真秀官网和APP同步发布原创视频教程《HFSS耦合带通滤波器综合方法与仿真27讲》获得滤波器仿真建模技巧与全波调试优化方法。

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1、课程适应人群

理工科院校学生和教师
学习型电磁仿真工程师
射频研发工程师，具有一定的射频仿真经验
滤波器研发工程师

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本课程旨在学习一类耦合带通滤波器综合方法，掌握仿真微带、腔体、矩形波导、介质腔体等微波结构综合而成的耦合带通滤波器的仿真建模技巧与全波调试优化方法。学员还可以学习到以下的一些知识：

学习耦合带通滤波器综合方法、耦合系数计算；
学习在HFSS中进行3D模型的创建与仿真设置；
掌握HFSS导入模型修改及参数化方法；
在实践中掌握HFSS基本的材料属性、边界条件、端口、网格、求解器设置界面；
在实践中掌握HFSS中使用后处理模板进行仿真结果处理；
在实践中掌握基本滤波器理论知识，耦合矩阵、品质因数Q值、输入输出耦合结构、参数提取等；
学习并实践使用HFSS仿真微带、腔体、矩形波导和介质谐振腔滤波器的综合与仿真；
学习并实践使用Filter Designer 3D工具进行滤波器参数提取与滤波器优化；
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作者：Stone，仿真秀专栏作者，微波工程师主攻无源器件的设计与应用，擅长微带、腔体、波导、介质等类型滤波器，及功分器，耦合器，电桥等无源器件设计。

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首次发布时间：2021-06-07

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