基于HFSS的S波段微带发夹型滤波器设计

杨定坤，王文彬， 廖志豪，欧阳林

(成都信息工程大学通信工程学院，四川 成都 610103)

0 引言

随着信息时代的高速发展，滤波器过滤干扰、抑制杂散等作用在整个通信系统中也愈显重要，微带带通滤波器因具有设计简单，体积小，成本低，易集成等优点而成为研究的热点，发夹型微带滤波器相对于平行耦合微带滤波器而言结构更加紧凑，故而在实际的工程中应用更广，有着良好的应用前景。

HFSS(High Frequency Structure Simulator)是由Ansys公司研发的世界上第一个商业化的全波三维电磁场仿真软件，在射频、微波、天线、高速电路等领域得到了广泛的应用。

1 发夹型滤波器的设计

1.1 滤波器的阶次

现以契比雪夫低通滤波器为原型设计一个中心频率为3.2 GHz，带宽为300 MHz，带内衰减小于3 dB，带外衰减在3.2 GHz处小于15 dB的微带带通滤波器，则通过以下公式计算出[1]：

(1)

(2)

Ωs=MIN(Ωs1，Ωs2).

(3)

(4)

式中，Ωs为归一化截止频率，fXU为上阻带边频，fXL为下阻带边频，LAr为通带内最大衰减，LAs为阻带内最小衰减。一般n值求出来为非整数，工程应用中应当对其取整再加1，故n=5。

1.2 品质因数与耦合系数

由1.1中公式已求得n=5，若确定带内波纹为0.1 dB，则通过查契比雪夫低通元件值表可得出g0=g6=1，g1=g5=1.146 8，g2=g4=1.371 2，g3=1.975 0，则通过下列品质因素公式与耦合系数公式[2]：

(5)

(6)

经耦合矩阵理论可以得到的结果如下：

q1=q5=3.823.

(7)

k1,2=k4,5=0.239.

(8)

k2,3=k3,4=0.182.

(9)

1.3 输入输出位置

为了保证滤波器良好阻抗匹配和功率承载能力，微带线的特性阻抗可选择50 Ω，联合(5)式再根据输入输出位置的计算公式可得出[3]：

(10)

其中，m为输入输出位置，单位为mm；Zr为特性阻抗，q为品质因数。

2 3D模型建立与仿真结果

对于基板材料，选择具有电绝缘性稳定，平整性好，加工误差小等特点的FR-4环氧玻璃布层压板，其相对介电常数为4.6，板厚为0.8 mm，计算微带线物理尺寸时可应用LineCalc工具辅助求解，由(7)～(10)式的计算结果综合考虑，可以得出最终确定的尺寸参数如表1(单位：mm)。

表1 微带线物理几何参数

在确定物理几何尺寸后，在HFSS软件中建立的模型如图1所示。

图1 发夹型滤波器3D模型

在建立了模型后，即可通过电磁仿真来查看插损与回损，理论计算值一般会与实际有所差距，这可以通过HFSS中的Optimetrics控件来进行筛选参数

组[4]，优化仿真结构，最终得到仿真结果如图2所示。

图2 滤波器回波损耗S11

3 结论

从图2中看出在3.180 0 GHz处，s11=-15.077 2 dB；在3.394 5 GHz处，s11=-15.002 1 dB，带宽约为215 MHz，比预设的带宽200 MHz效果好，故设计成功。