HFSS13微带滤波器教程要点.pdf

HFSS13微带滤波器教程 本例设计一个带通滤波器，通过微带线结构实现，工作 频率覆盖 5.4GHz-6.2GHz 。 选用基板材料为Rogers 4350,其相 对介电常数为3.66，厚度为h=0.508mm ，金属覆铜厚度 h1=0.018mm， 表 1 模型初始尺寸 设计步骤（以HFSS13.0 为例） 一 开始 W1=0.8mm L1=7.2mm h=0.508mm h1=0.018mm S1=0.14mm S2=0.6mm L2=7.1mm W2=1.1mm W0=1.1mm L0=5mm a=6mm b=17mm （一）建立工程 1.在 HFSS窗口中，选择菜单File-New 2.从 Project菜单中，选择 Insert HFSS Design （二）设计求解模式 1.选择菜单 HFSS-Solution Type 2.在 Solution Type窗口，选择 Driven Modal,点击 OK 二 建立 3D模型 （一）定义单位并输入参数表 1.选择菜单 Modeler-Units 2.设置模型单位：mm，点击 OK 3.选择菜单栏HFSS-Design Properties 再弹出的窗口中，点 ADD添加参量，将上面模型的参数表中的变量全部添加进 去，如下图： （二）创建金属板R1 1.在菜单栏中点击Draw-Box, 创建 Box1 2.双击模型窗口左侧的Box1，改名为R1，再点击Material 后面按钮，选择Edit，选择 Copper，点击确定。 3.双击左侧 R1 的子目录 Createbox， 修改金属板大小及厚度。 Position 输入坐标（ 0mm,0mm,0mm ） ，金属板长L1=7.2mm ， 宽 W1=0.8mm ，厚 h1=0.018mm。点击确定。 （三）创建金属板R1_1 1.在菜单栏中点击Draw-Box, 创建 Box2 2.双击模型窗口左侧的Box2，改名为 R1_1，再点击 Material 后面按钮，选择Edit，选择 Copper，点击确定。 3.双击左侧 R1_1 的子目录Createbox，修改金属板大小及厚 度。 Position 输入坐标（ W1+S1,0mm,0mm ） ，S1=0.14mm， 金属板长 L1=7.2mm ，宽 W1=0.8mm ，厚 h1=0.018mm。点击 确定。 （四）创建金属板R2 1.在菜单栏中点击Draw-Box, 创建 Box3 2.双击模型窗口左侧的Box3，改名为R2，再点击Material 后面按钮，选择Edit，选择 Copper，点击确定。 3.双击左侧 R2 的子目录 Createbox， 修改金属板大小及厚度。 Position 输入坐标（ W1+S1,L1,0mm ） ，金属板长L2=7.1mm ， 宽 W2=1.1mm ，厚 h1=0.018mm。点击确定。 （五）创建金属板R3 1.在菜单栏中点击Draw-Box, 创建 Box4 2.双击模型窗口左侧的Box4，改名为R3，再点击Material 后面按钮，选择Edit，选择 Copper，点击确定。 3.双击左侧 R3 的子目录 Createbox， 修改金属板大小及厚度。 Position 输入坐标（ W1+W2+S1+S2 ,L1 ,0mm ） ，S2=0.6mm， 金属板长 2*L2=14.2mm ，宽 W2=1.1mm ，厚 h1=0.018mm 。 点击确定。 （六）创建金属板R4 1.在菜单栏中点击Draw-Box, 创建 Box5 2.双击模型窗口左侧的Box5，改名为R4，再点击Material 后面按钮，选择Edit，选择 Copper，点击确定。 3.双击左侧 R4 的子目录 Createbox， 修改金属板大小及厚度。 Position 输入坐标（ W1+2*W2+S1+2*S2,L1+L2,0mm） ，金属 板长 L2=7.1mm ， 宽 W2=1.1mm ， 厚 h1=0.018mm。 点击确定。 （七）创建金属板R5 1.在菜单栏中点击Draw-Box, 创建 Box6 2.双击模型窗口左侧的Box6，改名为R5，再点击Material 后面按钮，选择Edit，选择 Copper，点击确定。 3.双击左侧 R5 的子目录 Createbox， 修改金属板大小及厚度。 Position 输入坐标（ W1+3*W2+S1+2*S2,L1+2*L2,0mm） ，金 属板长 L1=7.2mm ，宽 W1=0.8mm ，厚 h1=0.018mm。点击确 定。 （八）创建金属板R5_2 1.在菜单栏中点击Draw-Box, 创建 Box7 2.双击模型窗口左侧的Box7，改名为 R5_2，再点击 Material 后面按钮，选择Edit，选择 Copper，点击确定。 3.双击左侧 R5_2 的子目录Createbox，修改金属板大小及厚 度。 Position 输入坐标（W1+3*W2+2*S1+2*S2, L1+2*L2, 0mm） ， 金属板长 L1=7.2mm ， 宽 W1=0.8mm ， 厚 h1=0.018mm。 点击确定。 （九）创建微带馈线Feed1 1.在菜单栏中点击Draw-Box, 创建 Box8 2.双击模型窗口左侧的Box8， 改名为 Feed1， 再点击 Material 后面按钮，选择Edit，选择 Copper，点击确定。 3.双击左侧 Feed1 的子目录 Createbox，修改微带馈线大小及 厚度。 Position 输入坐标（W1,0mm,0mm ） ，微带馈线长 L0=5.0mm ，宽 W0=1.1mm ，厚 h1=0.018mm。点击确定。 （十）创建微带馈线Feed2 1.在菜单栏中点击Draw-Box, 创建 Box9 2.双击模型窗口左侧的Box9， 改名为 Feed2， 再点击 Material 后面按钮，选择Edit，选择 Copper，点击确定。 3.双击左侧 Feed2 的子目录 Createbox，修改微带馈线大小。 Position 输入坐标（W1+3*W2+2*S1+2*S2,2*L1+2*L2,0mm） ， 微带馈线长L0=5.0mm ，宽 W0=1.1mm ，厚 h1=0.018mm。点 击确定。 （十一）创建介质板Sub 1.在菜单栏中点击Draw-Box, 创建 Box10 2.双击模型窗口左侧的Box10，改名为 Sub，再点击 Material 后面按钮，选择Edit，选择 Rogers 4350，点击确定。 3.双击左侧 Sub 的子目录 Createbox，修改基板大小。 Position 输入坐标（ -a ,-L0 ,-h） ，a=6mm，基板厚度h=0.508mm,基板 长为 2*L1+2*L2+2*L0，宽为 b=17mm。点击确定。 （十二）设置金属地面 1.选中介质板Sub，在菜单栏中点击Edit-Select-Faces，然 后点击选中介质板的下底面。 2.在菜单栏中点击HFSS-Boundaries-Assign-Perfect E,点 击 OK 。 （十三）创建空气盒Air 1.在菜单栏中点击Draw-Box ，在模型窗口任意创建Box11。 2.双击模型窗口左侧的Box11,改名为 Air,点击确定。 3.双击模型窗口左侧Air的子目录Createbox,修改空气盒大 小。空气盒边界距离滤波器应该有四分之一波长，在此我们 以频率 5GHz 计算，5GHz 空气中的波长为60mm，则空气盒 边界距离滤波器距离为15mm，由于滤波器下面辐射较少， 下面距离空气盒边界的距离可以小一些。设置空气盒位置及 大 小 参 数 ， 如 下 图 所 示 ： Position输 入 坐 标 （ -a-10mm ,-L0-10mm ,-h-3mmm ）， 空 气 盒 长 为 2*L1+2*L2+2*L0+10mm*2， 宽 为b+10mm*2， 高 为 h+3mm+15mm 。 4.选中 Air 空气盒，设置为辐射边界条件。 （十四）设置激励端口Port1 1.在菜单栏中点击Modeler-Grid Plane-XZ，再点击菜单栏 中 Draw-Rectangle ，在模型窗口任意创建Rectangle1。 2.双击模型窗口左侧的Rectangle1,改名为 Port1，点击确定。 3.双击模型窗口左侧Port1 的子目录 Createrectangle，修改馈 电口大小。 Position 输入坐标（ W1-W0 ,-L0 ,-h） ，馈电口高 为 h=0.508mm，宽为 W0=1.1mm 。点击确定。 4. 选中Port1,在菜单栏点击 HFSS-Excitation-Assign-Lumped Port ，点击下一步， 画积 分线，积分线由地面金属层直线微带线中心，垂直于金属层， 再点击下一步，选择Renormalize 选项，完成。 （十五）设置激励端口Port2 1.在菜单栏中点击Moderler-Grid Plane-XZ ，再点击菜单栏 中 Draw-Rectangle ，在模型窗口任意创建Rectangle2。 2.双击模型窗口左侧的Rectangle2,改名为 Port2，点击确定。 3.双击模型窗口左侧Port2 的子目录 Createrectangle，修改馈 电口大小。Position输入坐标 （W1+3*W2+2*S1+2*S2 ,2*L1+2*L2+L0 ,-h） ，馈电口高为 h，宽为 W0。点击确定。 4. 选中Port2,在菜单栏点击 HFSS-Excitation-Assign-Lumped Port，和 port1 的设置相 同，点击下一步， 画积分线，再点击下一步， 选择 Renormalize 选项，完成 （十七）保存 最终的模型如下图： 三 求解，仿真 （一）设置求解频率 点击菜单中HFSS-Analysis setup-Add solution setup ，求解 频率设为 5.5GHz，点击确定。 （二）设置扫频 点击菜单 HFSS-Analysis setup-Add frequency sweep ，选择 sweep type 为 fast，扫频从 2GHz 到 10GHz，点击 OK 。 (三) 检验参数 菜单 HFSS-validation check (四) 求解 1、HFSS-Analyze All 2、观察仿真是否收敛：HFSS-Results-Solution Data ，当曲 线下降到水平暗红色线以下，表示结果已经收敛，仿真结果 达到业界公认的一个精确度。 3、由于 HFSS 对内存要求很高，对于内存小于8G 的电脑很 容易出现以下问题。此时可以（1）减小模型尺寸（比如空 气盒的尺寸），以减小问题求解规模（2）减少 HFSS 网格划 分迭代的次数。双击点击setup1，将 maximum number of 设 置为 10，或者更小值6，以牺牲精确度的方法来进行仿真， 适用于前期对仿真结果精确度要求不高的情况下。 (五) 看结果 1.选择HFSS-Results-Create Modal Solution-Rectangular plot。 2.选择 Category 目录下的 S Parameter，按下 Ctrl 键同时选择 Quantity 目录下的 S(1,1)和 S(2,1)，再点击 New Repot 按钮。 仿真结果 S 参数中知道，目前滤波器带宽不够宽，且频率偏 高。 (五) 扫参优化 1. 在 菜 单 栏 中 点 击HFSS-Optimetrics Analysis-Add parametric， 点击 Add， 选择变量 S2， 从 0.5mm 扫参到 0.7mm， 步进为 0.1mm，点击 Add，OK ，确定。 2.HFSS-Analyze all 3. HFSS-Results-Create Modal Solution-Rectangular plot， 选择 S(1,1)和 S(2,1) 4.不断的反复的进行扫参S1、S2、L0、L1、L2 等参数，找 出最优的结果。下图是一个比较好的结果【本例仅为示例， 不再进一步优化】 。 优化后的最终定型尺寸如下图所示： 说明：本例仅做示例，优化的最终结果并不一定是最优结果。 CAD制图 （a）在菜单栏中点击ModelerExport，保存为 dxf 文件，注意导出 路径不能有中文。 （b）用 AutoCAD打开 dxf 文件，完成制图。（HFSS导出时，只能导 出 XOY面视图，多层结构需多次导出） 。 （c） 绘图图案填充 添加：拾取对象，点击贴片边框Enter确定。