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1、实验实验六六 分布交指型微带滤波器设计分布交指型微带滤波器设计 一 一 实验目的实验目的 1 了解微波交指滤波器的概念 2 重点掌握 MWO EM structure 仿真方法 3 掌握在原理图添加 EM Structure 方法 二 二 实验原理 实验原理 1 微带交指滤波器微带交指滤波器 交指型滤波器是对平行耦合微带线滤波器的一种改进 可以减小微带滤波器 占用的体积 交指型微带带通滤波器的工作原理可以这样解释 将平行藕合微带 滤波器相邻的两个藕合线节从中点处切断 并折迭起来 合并为一根藕合线节 将其一端短路接地 另一端开路 并保持相邻两级线节之间的藕合间隙不变 形 成交指型结构 如图所示
2、图 1 交指滤波器示意图 具有以下优点 结构紧凑 可靠性高 由于每个谐振器间的间隔较大 故公 差要求较低 容易制造 由于交指滤波器既可以做成印刷电路形式 又可以做成腔 体结构 用较粗的杆做成自行支撑 而不用介质 因此 交指滤波器在电子系统 尤其 是在通信技术及近代航空航天领域中被广泛使用 2 EMSight 仿真器仿真器 EMSight 模拟器是一个三维电磁场模拟程序包 可用于平面高频电路和天 线结构的分析 特点是把修正谱域矩量法与直观的视窗图形用户界面 GUI 技 术结合起来 使得计算速度加快许多 MWO 可以分析射频集成电路 RFIC 微 波单片集成电路 MMIC 微带贴片天线和高速印制电
3、路 PCB 等电路的电气 特性 三 三 实验步骤实验步骤 1 创建新项目 创建新项目 选择 File New Project 选择 File Save Project As 显示保存对话框 输入项目名 如 layout example 然后单击 Save 保存 2 导入层处理文件 导入层处理文件 层处理文件 LPF 定义了层试图的缺省设置 包括绘制层 层映射 三维视图和电磁视 图绘制 在窗口的左下方单击 Layout 键显示层管理器 在层管理器中右击 Layer Setup 选择 Import Process Definition 显示打开的对话框 查找目录然后双击打开 C Program F
4、iles AWR AWR2008 单击选择文件 blank lpf 再单击 Open 打开 层管理器的下面的透明窗口如下显示 图 1 层处理文件导入后 Layout 窗口 3 生成生成 EM 结构结构 1 菜单栏选择 Project Add EM Structure New EM Structure 将出现 New EM Structure 对话框 2 输入一个名称 例如 Interdigital Filter 列表中选择仿真器 AWR EMSight 点击 Create 工作空间将出现 EM structure window 图 2 添加 EM 结构 4 设定设定 Enclosure enc
5、losure 用来定义材料类型 EM structure 中各层的介质材料 设定边界条件 并且定 义 EM 结构的整个物理尺寸和用来在结构中指定导体材料的最小网格 首先在菜单上选择 Options Project Options 点确定时候会出现一个警告窗口 不用管 它 直接点击 Yes 图 3 设定全局单位 再在菜单上选择 Options Layout Options 图 5 设定 Layout Options 点确定时候会出现一个警告窗口 不用管它 直接点击 Yes 双击 project 视图下面 Enclosure 设定 Enclosure 选项 图 6 设定 Enclosure 选项
6、点击 material defs 标签 添加氧化铝介质 从下拉列表中选择 图 7 定义材料 在下面的窗口添加 导体 添加金 从下拉列表中选择 图 8 添加导体 定义电介质层 通过 insert 和 Delete 按钮添加或者删除层 图 9 定义电介质层 5 设定侧边边界条件设定侧边边界条件 在 EMSight 仿真器中侧边边界条件总是理想导体并且不能修改 一些第三方仿真器可 能对侧边的边界条件有其他的假定 上顶面和下底面的边界条件也默认是理想导体 但是 他们可以通过设定修改 本例中不需要修改默认的边界条件 为导体和电路板上过孔指定材料 图 10 添加过孔材料 6 在在层中添加导体层中添加导体
7、调整 Layout 布局如下图所示 绘制矩形 图 11 在层中添加导体 图 12 给出起始点 图 13 给出偏移量 再画第二个矩形导体 起始点 x 4 y 1 4 偏移量如下图所示 图 14 绘制第二个矩形导体 移动第二个导体 使其和第一个导体贴近 左键点击第二个导体不放 拖动其靠近第一 个导体 当显示 dx 1 8 dy 1 时放下 如下图所示 图 15 移动导体 7 添加电路板过孔添加电路板过孔 点击 Layout 勾选 via 如左图所示 然后画矩形过孔 图 16 添加过孔 坐标 x 2 6 y 9 4 dx 0 4 dy 0 8 图 17 矩形过孔 选择 菜单 Edit Copy 再
8、选择 Edit Paste 移动鼠标到 EM structure 窗口 会看到鼠标 指针边出现一个过孔轮廓 右键单击 过孔形状将旋转 90 度 单击 tab 键 输入坐标 x 2 8 y 9 图 18 再添加一个过孔 框选两个过孔 菜单栏选择 Draw Modify Shapes Union 使得两个过孔联合 图 18 执行布尔 Union 操作 8 观察三维结构观察三维结构 菜单栏选择 View View EM 3D Layout 工作空间将出现三维视图 图 19 三维 Layout 视图 9 添加端口添加端口 端口表示输入输出信号起止点 在 EM structure 窗口点击较小导体 菜单
9、栏选择 Draw Add Edge Port 将鼠标指针置于小导体的左边边界 指针将显现一个矩形 单击左键放置端 口 将出现一个标有数字 1 的 方框 图 20 添加 1 端口 还需要移动端口参考平面 适当放大视图 将鼠标指针置于 1 旁边 将出现双箭头 此时按下鼠标左键并且不松开 将出现 dx dy 读数 拖动鼠标指针直到显示 dx 1 6 dy 0 时松开鼠标 图 21 移动端口参考平面 10 设定仿真频率设定仿真频率 图 22 仿真频率设置 11 观察观察 EM 结构的网格结构的网格 仿真前 EM 结构网格剖分是非常重要的 网格类型将极大影响仿真时间 相对密集网格 稀疏网格将花费较小时间
10、 但是结果也许会有很大的不同 所以我们推荐首先用稀疏网格然 后逐渐增加直到结果相差很小 我们可以通过在结构中添加 annotation 来观察 显示的是 3 维视图 图 23 设定 EM 结构网格 图 24 观察 EM 结构网格 12 运行仿真运行仿真 激活 Project 窗口 EM Structures Interdigital Filter 双击 Information 观察基本信 息 点 OK 图 25 观察求解信息 菜单栏选取 Simulate Analyze 将显示仿真进度框 13 图形化显示仿真结果图形化显示仿真结果 在 Project 窗口 添加输出 Graph 命名为 Fil
11、ter Response 选择 类型为 Rectangular 并添加 测量量 图 26 添加测量量 运行仿真 得到以下结果 图 27 S11 参数仿真结果 这里设置较少的采样点是为了测试以上设置是否正确 从结果可以推知 以上设置基本正 确 下面将继续更高精度的仿真设置 14 改变频率范围和分步大小改变频率范围和分步大小 选择 Options 选项 图 28 改变频率设置 菜单栏选择 Simulate Analyze 再次仿真 更精确的仿真结果如下 图 29 S11 仿真结果 15 电流和电场的动画仿真结果演示电流和电场的动画仿真结果演示 当我们研究物理特性时 观察 EM 结构的电流和电场非常
12、有用 目前 EMSight 是在 AWRDE 中显示电流和电场的唯一仿真器 EM 结构的电流和电场可以在 3 维视图中动态显 示 图 30 添加动画操作 出来对话框做如下设定 图 31 添加电流动画 激活 EM 结构 3D 视图 按播放键 提示 提示 必须激活三维视图才能看到播放键按钮必须激活三维视图才能看到播放键按钮 图 32 播放键位置 图 33 播放电流动画 添加电场动画 图 34 添加电场动画 选择 Toggle Enable 开始仿真 图 35 设置 Toggle 图 35 播放动画 提示 提示 动画可能根据电脑配置不同而有所区别动画可能根据电脑配置不同而有所区别 16 完成交指滤波
13、器完成交指滤波器 Layout 设计设计 完成滤波器布线图 最终形状如下图所示 图 36 交指滤波器形状 下面首先再画一个矩形 坐标如下所示 图 37 绘制矩形导体 画输出谐振腔 菜单栏选择 Edit Select All 再选择 Edit Copy 然后执行 Edit Paste 鼠标移到绘画框中会出现一个输入谐振腔的轮廓 iresonator displays 图 38 绘制输出谐振腔 将指针移到右边 Ctrl 右键操作使得图型反转 图 39 反转图形 将图形对齐 右边的线对齐边界 左右图形对称 图 40 重新对齐排列 生成交指滤波器中间谐振腔 框选如图所示部分 选择复制 再选择粘贴 将鼠
14、标移到画图 窗口 拖动时会看到一份拷贝图形的轮廓 右键点击两次 让图形旋转 180 度 按 Tab 键输 入坐标 x 6 y 5 生成如下图形 图 41 重新对齐排列 图 42 输入中间谐振器坐标 17 添加端口添加端口 1 在输出线侧 右边 添加输出端口 2 在 EM structure 窗口点击右侧较小导体 菜单栏选择 Draw Add Edge Port 将鼠标 指针置于小导体的右边边界 指针将显现一个矩形 单击左键放置端口 将出现一个标有数 字 2 的方框 3 适当放大视图 将鼠标指针置于 1 旁边 将出现双箭头 此时按下鼠标左键并且不松 开 将出现 dx dy 读数 拖动鼠标指针直到
15、显示 dx 1 6 dy 0 时松开鼠标 图 43 添加端口 2 18 设置扫描频率设置扫描频率 EMSight 可以执行 Advanced Frequency Sweeps AFS 注意的是执行频率扫描时候 电流和电场将不会计算 因此设置频率扫描 仿真时前面的两 个三维动态图形将不会再显示 图 44 选择 Options 选项 点击 Frequencies 标签设定起始 终止和步长频率 图 45 重新设定频率 再点击 EMSight 标签选中 Enable AFS 确认框 图 46 重新设定频率 在 Filter Response Graph 中添加新测量量 图 47 添加测量量 进行如下设
16、置并确认 S11 S21 图 47 测量参数设置 S11 S21 仿真分析 图 48 仿真结果 S11 S21 19 在原理图中添加在原理图中添加 EM 结构并仿真结构并仿真 新建原理图 图 49 新建原理图 原理图添加子电路 图 50 添加子电路 添加输入输出端口 图 51 完成原理图 设定仿真频率 图 52 设置频率 添加仿真图和测量量 图 53 添加输出图形 图 54 添加输出测量量 S11 S12 仿真分析 和前面图形比较 图 55 输出结果 S11 S12 四 四 实验作业 实验作业 1 根据样例微波交指滤波器 EM 仿真设计 2 观察 EM 仿真的三维动画输出 观察勾选显示电流 电场 方向后仿真图形差别 3 学会在原理图引入 EM 结构 子电路一种 4 利用 Emsight 可以对多种场进行分析 例如微波天线 大家可以探索下 5 实验报告列出主要步骤及最后写出对这段 MWO 软件微波仿真的心得体会 包括学到 什么 这个软件还有哪些不足 下次课开始到 8 教 308 上操作
