南昌大学HFSS工程应用仿真实验报告：1-8

《工程电磁场数值计算与仿真》实验报告学院：信息工程系：电子信息工程专业：通信工程班级：通信133班学号：6102213930学生姓名：陈佳日期：2016.06.16实验一交叉耦合滤波器设计与仿真一、设计指标要求：中心频率：910MHz带宽：40MHz带内反射：20dB带外抑制：在MHz处20dB此滤波器通过三腔微带结构(环形谐振器)实现。选用介质板的相对介电常数为εr=1.8，厚度为h=1.27mm。腔体为半波长方腔结构，腔间耦合程度通过腔间距离来控制，使得滤波器谐振频率在910MHz。最终获得反射系数和参数系数曲线的仿真结果。二、实验设备：PC机、HFSS仿真软件。三、设计原理：具有带外有限传输零点的滤波器，常常采用谐振腔多耦合的形式实现。这种形式的特点是在谐振腔级联的基础上，非相邻腔之间可以相互耦合，即”交叉耦合”甚至可以采用源与负载也与谐振腔耦合，以及源与负载之间的耦合。HFSS仿真实现对滤波器贴片和馈电的建模，然后介绍端口和边界的设置，最后生成了反射系数和传输系数曲线的仿真结果。滤波器采用三腔微带环形滤波器，其耦合矩阵为：0.303741.282050.435231.282050.213091.282050.435231.282050.30764M四、设计仿真步骤：（1）建立新的工程为了方便建立模型，在ToolOptionsHFSSOptions中将Duplicateboundarieswithgeometry复选框选中。（2）设置求解类型在菜单栏中点击HFSSSolutionTypeDrivenModelOK.（3）设置模型单位在菜单栏中点击ModelerUnitsmm.（4）建立滤波器模型建立介质基片1）在菜单栏中点击DrawBox或者在工具栏中点击按钮。2）在软件操作界面右下角输入长方体起点坐标及X、Y、Z三个方向尺寸。输入坐标时，可以用Tab键来切换。3）在属性（Property）窗口中选择Attribute标签，将该长方体命名为Substrate,透明度改为0.85.4）点击Material后面的按钮，在材料设置窗口中点击AddMaterial按钮，添加介电常量为10.8的介质，命名为sub.创建Ring_11）在菜单栏中点击DrawRectangle.2）同创建介质基片方法一样，输入坐标起点及尺寸，并将矩形修改名字为Ring_1.3）同理创建矩形Inner、Cut_1.4）在菜单栏中点击EditSelectByName,利用Ctrl键选择Ring_1、Inner和Cut_1.5）在菜单栏中点击ModelerBooleanSubtract,在Subtract窗口中设置：Clonetoolobjectsbeforesubtract复选框不选，点击OK结束。移动Ring_11）在菜单栏中点击EditSelectByName,选中Ring_12）在菜单栏中点击EditArrangeMove,在坐标栏输入移动的向量。创建Ring_21）在菜单栏中点击EditSelectByName,选中Ring_12）在菜单栏中点击EditDuplicateMirror,在坐标栏输入镜像向量。3）在操作历史树中双击新建的矩形，在属性窗口中重命名为Ring_2创建Ring_31)同创建矩形Ring_1方法，创建矩形Ring_3、Cut_2、Inner_22)在菜单栏中点击EditSelectByName,利用Ctrl键选择Ring_3、Inner_2和Cut_2.3)在菜单栏中点击ModelerBooleanSubtract,在Subtract窗口中设置：lank:_3:_2_2BPartsRingToolPartsInnerCut、Clonetoolobjectsbeforesubtract复选框不选，点击OK结束。同移动矩形Ring_1方法，移动矩形Ring_3.创建Feedline_11）创建矩形F_1、F_22）在菜单栏中点击EditSelectByName,利用Ctrl键选择F_1、F_2.3）在菜单栏中点击ModelerBooleanUnite,完成矩形F_1、F_2的组合并在新组合的模型F_1上双击，在属性窗口中重命名为Feedline_1.同创建Ring_2方法，通过镜像Feedline_1得到Feedline_2组合Ring_1、Ring_2、Ring_3、Feedline_1、Feedline_2并命名为Trace.（5）创建端口创建port_11）在菜单栏中点击ModelerGridPlaneXZ2）创建一个矩形并命名为port_13）在菜单栏中点击HFSSExcitationsAssignLumpedPort,在LumpedPort窗口的Generallank:_1:ut_1BPartsRingToolPartsInnerC、标签中，将端口命名p1,点击Next.4）在Modes标签中的IntegrationLine中点击None,选择NewLine,在坐标拦中输入起点和尺寸，点击Next结束。通过port_1镜像创建port_2（6）创建Air1）在菜单栏中点击DrawBox或者在工具栏中点击按钮。2）在坐标栏输入起点和坐标尺寸，并将长方体命名为Air.（7）设置边界条件设置理想金属边界条件1）在菜单栏中点击EditSelectByName,选中Trace.2）在菜单栏中点击HFSSBoundariesAssignPerfectE,在弹出的对话框中将其命名为Perf_Trace,点击OK结束。3）在菜单栏中点击EditSelectFaces,设置为选择表面。然后点击ByName,选择Substrate并选择其下表面。4）在菜单栏中点击HFSSBoundariesAssignPerfectE,在弹出的对话框中将其命名为Perf_Gound,点击OK结束。设置辐射边界条件1）在菜单栏中点击EditSelectObject,然后点击ByName,选择Air.2）在菜单栏中点击HFSSBoundariesAssignRadiation,在弹出的对话框中点击OK结束。（8）为该问题设置求解频率及扫描范围设置求解频率1）在菜单栏中点击HFSSAnalysisSetupAddSolutionSetup.2）在求解窗口中设置：olu:910:20:0.02StionFrequencyMHzMaximumNumberofPsaaesMaximumDeltaSperPass点击OK结束。设置扫频1）在菜单栏中点击HFSSAnalysisSetupAddSetup.2）选择Setup1,点击OK结束。3）在扫频窗口中设置：:::700:1100:501SweepTypeFastFrequencySetupTypeLinearCountStartMHzStopMHzCount4）将SaveField复选框选中点击OK结束。（9）保存工程并命名为hfss_3couple,设计结果如下图：图一、滤波器完整模型点击菜单栏的图标，检查设计步骤是否出错。如下图即为仿真设计正确。图二、软件检错界面图在菜单栏中点击HFSSAnalyzeAll,完成仿真设计计算，出现如下图状态：图三、滤波器运算界面图（10）后处理操作点击菜单栏HFSSResultCreateModalSolutionDataReportRectanglePlot.在Trace窗口中设置：olution:1:1:SSetupSweepDomainSweep点击Y标签，选择Category:Sparameter;Quantity:S(P1P1)、S(P2P1)；Function:dB,点击NewReport按钮完成，仿真结果如下：图四、滤波器的S参数曲线以上为反射系数与传输系数曲线，观察结果图可发现，中心频率在910MHz,带宽为：890~930MHz,最大的S21出现在893.6MHz,值为-19.577dB,在842MHz的带外频点处，带外抑制大于20dB,可见设计结果是满足指标要求的。五、实验心得：本实验是HFSS设计仿真的第一个实验，刚上手软件，使用技巧、实验原理都不太清晰。故需按照实验书的操作步骤一步步来，仔细输入各种参数各种设置。且由于实验书的一些印刷错误或书籍与软件版本不统一的问题，一些设置出现与目标设计不符合的结果，故实验中还需要一定的英文基础，明白英文的意思然后仔细对比每一步操作后的设计结果，找到正确的下一步操作方法。这个实验我做了很久，完成所有操作后，运行结果出不来，请教老师后才发现少了HFSSAnalyzeAll这一步操作。这一步是书上没有给出的，所以只能一直卡在这并且反复的重新操作了很多遍，不过也因此更加熟练了操作步骤，以及更加深入的掌握了交叉耦合滤波器的工作原理及所能达到的效果，对于仿真设计中，矩形、端口边界条件等的设计注意事项及技巧也更加熟练，为后续的实验打下基础。实验二源-负载耦合的交叉耦合滤波器设计与仿真一、设计指标要求：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，选用材料为氧化铝陶瓷的介质板，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。二、实验设备：PC机、HFSS仿真软件。三、设计原理：交叉耦合滤波器在非相邻谐振腔之间引入交叉耦合，以得到有限频率交叉零点，提高滤波器的选择特性。一般来讲，一个N腔交叉耦合滤波器最多只能实现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，则可以实现N个传输零点。HFSS仿真实现对滤波器贴片和馈电的建模，然后介绍端口和边界的设置，最后生成了反射系数和传输系数曲线的仿真结果。采用两腔耦合谐振器，并引入源与负载之间的耦合，其耦合矩阵为：01.355700.041.355702.1027002.102701.35570.0401.35570M四、设计仿真步骤：（1）建立新的工程为了方便建立模型，在ToolOptionsHFSSOptions中将Duplicateboundarieswithgeometry复选框选中。（2）设置求解类型在菜单栏中点击HFSSSolutionTypeDrivenModelOK.（3）设置模型单位在菜单栏中点击ModelerUnitsmm.（4）建立滤波器模型建立介质基片1）在菜单栏中点击DrawBox或者在工具栏中点击按钮。2）在软件操作界面右下角输入长方体起点坐标及X、Y、Z三个方向尺寸。输入坐标时，可以用Tab键来切换。3）在属性窗口中选择Attribute标签，将该长方体命名为Substrate,透明度改为0.85.4）点击Material后面的按钮，将材料设置为Al2_O3_ceramic,点击Color后面的Edit按钮，将颜色设置为绿色，点击OK结束。创建Ring_11）在菜单栏中点击DrawRegularPolygon.2）同创建介质基片方法一样，输入坐标起点及尺寸，然后在弹出的SegmentNumber窗口中将多边形边数改为6，并将矩形修改名字为Ring_1.3）同理创建正多边形Inner.4）在菜单栏中点击EditSelectByName,利用Ctrl键选择Ring_1、Inner.5）在菜单栏中点击ModelerBooleanSubtract,在Subtract窗口中设置：l:_1:BankPartsRingToolPartsInnerClonetoolobjectsbeforesubtract复选框不选，点击OK结束。移动Ring_11）在菜单栏中点击EditSelectByName,选中Ring_12）在菜