梳状滤波器的设计和优化

作者 Fabre Li 日期 2018-06-02
梳状滤波器的设计和优化

射频/微波电路导论大作业

作业内容

设计一个梳状滤波器,设计指标为 $f_0=2 GHz$ ,$FBW=10%$, 波纹为 $0.1dB$,介质参数为 $10.8/1.27$,用软件仿真。

作业要求

指标: $f_0=2 GHz$ ,$FBW=10%$, 波纹为 $0.1dB$ 。

微带线结构尺寸(后四条微带线间隔未知):

微带结构尺寸.jpg

仿真过程

建立模型

根据给出微带结构尺寸图建立模型,后四条间距分别为$0.18mm,0.2mm,0.2mm$,同时建立材质为 “air” 的空气层。

结构.png

使用 “Subtract” 设置接地孔,在设置的时候勾选下方 “Clone tool objects before operation”。

subtract.png

设置参数

由要求可知基板和微带的介质参数为 $10.8$ ,选择介电常数相近的材料为 “silicon”,选择 “Clone Material(s)”,将 “Relative Permittivity” 的值改为 $10.8$ 。

silicon1.png

分别将两块长方形设置为 “Wave Port 1” 和 “Wave Port 2”。

port.png

由于后四块微带的间隔未知,故在 “HFSS-Desig Properties” 里设置 D1、D2、D3,将后微带线 Y 轴初始位置变量分别设置为 “D1”、“D1+D2”、“D1+D2+D3”。

variables.png

在 “Analysis-Setup-Sweep” 里设置仿真范围为 $0 \sim 6 GHz$

sweep.png

设置 D1、D2、D3 参数的优化范围,分析得出结果,并找出接近目标的数据,不断缩小范围并增加精确值。

optimetrics.png

仿真结果

初步结果

结果.png

最终结果

多次优化细分范围增加精确度后得出 $D1=1.5 , D2=0.4 , D3= 0 $ 。

结果4.png

故后四条微带线间隔分别为 $1.68mm, 0.60mm, 0.20mm$ 。

总结

在设计初期,由于没有选择好合适的介电常数(即基板材料),使得得出的中心频率远远偏离 $2GHz$,后来发现错误并更改后得出与目标相似的图像,更深刻明白了不同介电常数的材料对滤波器的滤波特性影响之大。

同时在仿真初期,一开始选择的是大范围高精度的撒网式优化,希望一次优化就得到目标距离,后来发现不仅优化计算量大、优化时间长,在加载结果方面也略显吃力,容易死机。后来降低了精度,先大致确定各个参数的范围,精度从 $1mm$ 到 $0.5mm$ 到 $0.2mm$ ,不断缩小各参数范围,最后得出最合适距离。所以在很多实验中我们不能妄想着一步到位,应该循序渐进,不断向目标一步步接近,最后再细分。