实验二 源-负载耦合的交叉耦合滤波器设计与仿真

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1、实验二源-负载耦合的交叉耦合滤波器设计与仿真一、实验目的1.设计一个源-负载耦合的交叉耦合滤波器2.查看并分析该源-负载耦合的交叉耦合滤波器的S参数二、实验设备装有HFSS13.0软件的笔记本电脑一台三、实验原理交叉耦合滤波器在非相邻谐振腔之间引入了交叉耦合，以得到有限频率传输零点，从而提高了滤波器的选择特性。一般来讲，一个N腔交叉耦合滤波器最多能实现N-2个传输零点。对于给定的一种含有N个谐振器的滤波器，如果在源与负载之间也引入耦合，则可实现N个传输零点。源-负载耦合的交叉耦合滤波器等效电路模型如图所示。在上图所示的等效电路模型中，表示各个谐振腔之间的耦合系数，、

2、分别表示源、负载与第i个腔之间的耦合系数。则表示源与负载之间的耦合系数。整个电路由N个谐振腔构成，各个谐振腔之间是电感耦合。对于窄带滤波器，做如下规一化：这里为中心频率，为相对带宽。回路矩阵方程为：其中，是将(N+2)×(N+2)阶单位矩阵中第一个元素和最后一个元素令为0，其它元素都保持不变所得的矩阵。是耦合矩阵，是一个(N+2)×(N+2)阶方阵，其中对角线上的元素代表每一个谐振腔的自耦合，它表示每一个谐振腔的谐振频率与滤波器的中心频率之间的偏差。（在同步调谐滤波器中，我们认为每个谐振腔的自耦合系数的值都取零）。矩阵中非对角线上的元素表示各个谐振腔之间的耦合系数。

3、矩阵是(N+2)×(N+2)阶方阵，除非零以外，其它元素值都等于零。由上可得到该滤波器网络的传输函数：其中，表示矩阵的第一行；第N列元素的代数余子式；表示矩阵的行列式。对上式做进一步分析，可以发现：其分子多项式与分母多项式是同阶多项式。因此，必须选择分子分母同阶的函数形式作为源．负载耦合交叉耦合滤波器的逼近函数。一般情况下，我们可以通过将奇数阶椭圆函数的分子多项式舍去一个零点，或者直接选择偶数阶椭圆函数作为逼近函数。这里需要指出的是，两种逼近函数的构造方法，都必须对波纹系数做一定的修正。将滤波器看作一个二端口网络，那么其导纳矩阵为这里假设源和负载阻抗相等并设为1Ω，

4、则当N为偶数时，当N为奇数时，其中，其中：ei、fi分别是F(s)、E(s)的复系数，i=0,1,2,…,N；F(s)、E(s)分别是反射函数的分子、分母多项式。而对于一个含源-负载交叉耦合的滤波器，其第k个谐振腔单元电路（如图下图所示）的传输矩阵A（这里忽略了每一个谐振腔之间的耦合）为第k个谐振腔与源、负载之间的耦合N腔源-负载耦合交叉耦合滤波器拓扑结构根据传输矩阵A与导纳矩阵Y之间的转换关系，求得对应的Y矩阵：整个网络的短路导纳矩阵为各子网络的导纳矩阵之和观察上式，得到MSL=K0，Ck=1，Bk=-λk，M2Lk=r22k，MSkMLk=r21k。这样，就可以

5、确定出耦合矩阵,再根据实际结构耦合的可实现性，对耦合矩阵进行相似变换，从而确定可以实现的耦合矩阵。四、实验内容设计一个源-负载耦合的交叉耦合滤波器，其指标要求如下：中心频率：3.3GHz相对带宽：0.02MHz带内回波损耗：20dB阻带最小衰减：25dB此滤波器通过微带结构实现。选用介质板的材料为氧化铝陶瓷，其相对介电常数为εr=9.8，厚度为h=0.5mm。该设计与仿真采用两腔谐振器，最终获得反射系数和参数系数曲线的仿真结果。五、实验步骤1.建立新工程了方便建立模型，在Tool>Options>HFSSOptions中讲DuplicateBoundarieswit

6、hgeometry复选框选中。2.将求解类型设置为激励求解类型：（1）在菜单栏中点击HFSS>SolutionType。（2）在弹出的SolutionType窗口中(a)选择DrivenModal。(b)点击OK按钮。3.设置模型单位（1）在菜单栏中点击3DModeler>Units。（2）在设置单位窗口中选择：mm。4.建立滤波器模型（1）首先建立介质基片(a)在菜单栏点击Draw>Box,这样可以在3D窗口中创建长方体模型。(b)输入长方体的起始坐标：X：-5.5，Y：-8，Z：0；按回车键结束输入。(c)输入长方体X，Y，Z三个方向的尺寸，即dX：11，dY：

7、16，dZ：-0.5；按回车键结束输入。(d)在特性（Property）窗口中选择Attribute标签，将该名字修改为Substrate，透明度（transparent）改为0.85。(e)点击Material对应的按钮，将材料设置为Al2_O3_ceramic。(f)点击Color后面的Edit按钮，将颜色设计为绿色，点击OK结束。（2）建立Ring_1(a)在菜单栏中点击Draw>RegularPolygon。(b)在坐标输入栏中输入中心点的坐标：X：0，Y：0，Z:0按回车键。(c)在坐标输入栏中输入半径向量：dX：3.8683，dY：0，dZ：0按回车