《用hphfss53软件仿真和优化设计波导高通滤波器》由会员分享，可在线阅读，更多相关《用hphfss53软件仿真和优化设计波导高通滤波器（4页珍藏版）》请在金锄头文库上搜索。
1、 用H P - H F S S 5 . 3软件 仿真和优化设计波导高通滤波器 陈 少 海 华东电子工程研究所合肥2 3 0 0 3 摘 要 本文介绍了 应用H P - H F S S 5 .3仿 真软件计算波导高 通漆波器 的具体方法，包 括如 何建立 模型、 定义 材料、 设3 . 端口 和边界条件、仿真、 后处理等， 通过 仿真得到了 滤波器 的 电 讯参 数 ; 同 时 介 绍了t W - E m p i p e 3 D 优 化器 的 优化 设 计过 程， 并 对波 导高 通滤 波 器 进 行了 优化。本文还给出了 实 脸结果， 通过比较发现实脸结果与 优化设计的结呆 基本一致. 关锐词
2、H P - HF S S 5 .3 C A D 仿真优化波导滤波器a- 口 趁_ 共 仁 ， t，一 _: 气 J 1简介 J 4 s ”一、 t 通常， 在雷达天馈系统元器件的 工程设计中， 大多 采用实验 和调试的方法。 对于本文介 绍 的波导高 通滤波器的设计，传统的设 计方法是利用微波网 络理 论对滤波器进行综合设计， 得到基本 尺寸。 但由 于该方法没 有考虑滤波器各段不连续性的影响， 故依此设计的滤 波器性 能较差，为了 减小不 连续性的影响， 传统设计方法主要依靠 实验来进行修正。 随着计 算机技术的飞速发 展，现 在己 可以 利用大量的数值计算 方法如有限 元法、模匹配 法等来
3、考虑 该涟波器不连续性的 影响。 但这些方法的计算过程非常 萦杂， 依靠人工处理很 容 易出 错， 效率 低下， 不利于工 程设 计。 本文介绍一种墓 于三维有限元 法的商品软件H P - H F S S . 由 于该软 件具有使用便 利、 计算快 捷、 用户界 面友好等 特点， 所以 深受 微波工程师的青 睐。 2 H P - H F S S 5 .3 软件的特点和功能 H P - H F S S 5 . 3是三维高频电 磁场仿真软件， 在 微波工程 C A D中有着广泛的 应用。它 采用有限元 分析方法， 可对任意 形状的 无源三维结构的电 磁场模型进行仿真， 它具有 简便直 观、 参数化
4、的图 形输入界面、 新的网 格划分、 快 速的 有限 元分析能 力以 及强大的后 处理功能， 能得到多 模式晌 应下的S 参数、内部电 场分布以 及天 线波瓣图 等。另 外， 它还具有强 大的 参 数优化功能，使用户能够迅速地得到满足指标的结构模型。 H P - H F S S 5 . 3的 绘图界面采 用A u t o C A D工业标 准绘图 界面，它 提供了一 个新的 实体 库， 包含 常用的 二维和三维实体 模型， 极大地简化了 建 模过程;图 形输入的参数化又 大大方 便了 用 户对图形的 修改， 使用户能 简便快捷地建立各种复 杂的三维结 构电 磁场模型。 H P - H F S
5、S 5 . 3采用新的网格 剖分技术和网格加 密技术，使 得用户在仿真复杂的 三维结 构模型时更快速精确，更节省内存。 H P - H F S S 5 . 3提供强大的 后处理功能。先定义一 个仿真结构的 端口、 材料、边 界等特 性，并且给定频率范围，确定所期望的精度，然后进行仿真。通过计算，能得到下列数据: ! 1 . . . 口 . . . . . 匕 . . . 匕. . . . . . . . . . . . . I S l I Y l IZ I 参数 矩阵 1 0 7 . 多模式 下各 端口的 阻抗值和 传播常数 . 具有阴 影和 动画效果的 任愈切 面的电 场和磁 场分布图 .
6、矢量图和等 值线图 . 远场图，包 括二维和三维极坐 标格式的 远场图 . S m it h 圆图 和数据表 . 提 供与其它应用软件的数据接口 H P - H F S S 5 . 3 软 件 包中 还 提 供 了 具 有 强 大 优 化 功能 的 优 化 器 H P - E m p i p e 3 D 。 先 确 定 一个结 构模型需要优化的 参量， 并定义其取 值范围 和步长值，再定义 优化目 标，即 需要达到 的性能 指标， 就可得到 优化结 果。 H P - H F S S 5 . 3所提供的 这些功能使得用户能够较快地掌 握和使用该 软件来解决问 题. 下面， 通过具体的设计实例 (
7、 波导高 通沱波器的 设计) ， 详细介绍H P - H F S S 5 3软件仿 真和 优化 设计的 步骤和方法。 3利用H P - H F S S 5 .3 软件进行波 导高通滤波器的 仿真设计 3 . 1确 定波导高通浦波器的技术指 标 要 求:工 作频率为5 . 3 5 - 5 . 4 5 G H z ，带内V S WR !5a 1 . 2 ; 5 G H z以下的 带外抑制为一 3 0 d B , 波导口径为B J - 4 8 . 3 .2确定波 导高通滩波器的 结构初值 矩形 波导本身就是高通滤波器。 利用其低频截止特性，改变波导宽边的 尺寸。可以设 计出符合性能 指标要 求的高
8、通滤波器， 利用切比雪夫阶梯 过渡的 设计原理，计算出 滤波器的 尺寸初值 。波导窄边 b = 2 2 . 1 5 m m, a = 2 8 . 5 mm, a 1 = 2 9 . 2 mm, 1 1 = 5 4 mm, a 2 = 3 0 . 6 mm, 1 2 = 3 6 . 6 mm, a 3 = 3 5 . 6 mm, 13 = 2 4 mm, a 4 - 4 3 . 3 mm, 1 4 =1 9 mm. 3 .3建立几 何模型 H P - H F S S 5 . 3的 建模器提供了 各种三维 模型， 如 B o x . C o n e . C y l i n d e r . S p
9、h e re等. 便于用 户直接绘制三维图形。建立如图1 的 模型。图中的 每一段都是 一个B o x O b j e c t 。 对于 不同的口 径和长度，只需编辑各段B o x 的 参数，这样就 可以 很方便地 得到不同 尺寸的模型， 而不需要重新绘图。 B J - 4 8 B J - 4 8 p o r t lp o r t 2 图 1波导高通滩波器结构棋型 3 . 4 定义材料 绘制完结 构模型后， 用户可以 从材料库中 选择己 有的材 料定义模型， 也可以自 定义材 料。 在本 模型中将 各个B o x 的 材料定义为: a i r , 3 . 5 定义端口和边界 1 0 8 本 模
10、型中的高通涟波器是一个典型的二端口 网络，直 接用鼠 标点 击分别定义两个三点平 面为即rt l 、 PortZ ( 如图1): 边界 类型包括理想磁导 体、 理想电导 体、对称磁边界、 对称电 边界、导电 边界、阻 抗边界、接地 平面和辐射边界等， 在本模型中， 不需要定义边界。 3. 6设t颐率， 进行仿 其 以 频率S G H z为 基准频 率进 行初始网 格的划分， 要求D el 妞 5 司. 002 ，井 设置起始频率 为S G B z ， 终止频 率为5. S G H z ， 步长值为0. S G H : ， 在卜5 SGH z 范围内 进 行扫描仿真。 3. 7后处理过 程 仿
11、真结束后， 可以 得到 计算出 的s n和5 12参数值 ( 见图2)。 根据S n我们可以 计算出 滤波器 的驻波比， 而根据5 12也可以 看出 在各个频率点上的 衰减值。 、 一气匕 / 洲 洲一 户 州 片 习 / / ， 卜 / 。 ， ， r /! /- / 、日 / 喊 1 ，1一 / ) ) 一/ 护 下 一/ l / l 1 ! / r: l 份il一 50巧 -10-15-20书加*35-40舫初舫-60舫 日息口叮二 5 . 15 .2 F r e q 图 2仿真计 ( GH z ) 算的S U曲线 4利用HP一m p iP e3D优化器进行波导高通滤波器的优化设计 H
12、卜 H Fss 幻 中 提 供 了 优 化 软 件 环 境E m p i Pe3 D ， 使 用 户 能 够 得 到 最 优 性 能 时 的 结 构尺寸。 4 .1 确定 优化参t 首 先确定需 要进行优化的参 量， 及其优化范围和 步长值:然 后根据这些参量 在 H F S S中 建立 相同 数量的 结构模型， 每个模型都 针对某个参量进行相 应的 尺寸改 变。 H 卜H F sss. 3软 件最多能同时优化 16个变量。本模型中设立了8 个优化变量:al、Ll 、吐、L Z 、a3、L 3 、 a4、L 4 ，相应地也就需要再建立8 个模型。 4 . 2定义 变t 打开 E m p ip
13、e3 D ， 根据上面选定的 变量， 分别定义它 们的 取值范围: al夕 8. ， 3 0 m 叭 L I 月 卜5 6 mm寻 a Z 只 9 3 1 m m;L Z J卜3 7 mm;a 3 马 卜3 6 mm; L 3 津 3 2s mm;a 4 ， 4 2 ) 卜 刹mm: 怪 的 L 4 , 1 8 - 1 9 . 5 m m 。 步 长 值 均 为 = O . l m m e 软 件中 提 供了 几 种 插 值 方蕙 如 线 性 插值 、 二 次 擂 值等，在本 模型的计算中采用的 是线性插值的 方法。 4 . 3定义优化目 标 即定义需 要达到的 性能指标。由 于本模型 在 5
14、 G H z 时的带外 抑制已 经达到 - 6 0 d B ，故只 将 优化目 标定为 M a g S l l - 4 0 d B ， 工作频率 5 .3 5 - 5 . 4 5 G H z 。 对于优化方 法，软 件中 给出 了 几 种选择项， 如极大极小 法、准牛顿法、随 机法等等， 也可使用软件的缺 省设里: 优化次 数 根据实际需要来设定， 如果在迭代次数 完成后， 还没有达到预定指标，则软 件系统会自 动 停 止迭代，同时将最 好的 优化结果输出给 用户。 4 . 4 优 化 与 实 验 结 果 经优化计算， 波导高通滤波器的结构尺寸为 a l = 2 8 . 8 m m, 1 1
15、= 5 2 .8 m m, a 2 = 3 0 . 2 m m, 12 = 3 5 . 6 mm, a 3 = 3 4 . 8 mm, 13 = 2 3 . 1 mm, a 4 = 4 2 .8 mm, 1 4 = 1 8 . 2 mm。优化后的 S 1 1 , S 1 2如 图3 的 曲 线。 图3 中 还 给 出 了 根 据 优 化 结 果 生 产 的 波 导 高 通 滤 波 器 的M a g S 1 1 , M a g S 1 2 的 实测值。 !i 月 l I 一 _ 卜 、， 火 、 _ _厂 .面一 丰万一 / 产 一 一 ! 一/ 一 / S 1; 一 . .匕 二 / / 、 厂 ， 、沪 / I S 1 2 .，/ 厂 . 0-10如-30叨-50 (口息口门芝 八n 67 ，1 5 .0 5 . 1
