HFSS仿真案例：三阶微带环形滤波器（零基础）

HFSS仿真案例：三阶微带环形滤波器（零基础）

前言：

• 本篇文章使用的HFSS版本为2023R2，主要以图片的形式呈现仿真步骤
• 后续会更新更多的仿真实战案例，感兴趣的话可以关注一下，需要软件或原文的话可以私聊我

微带环形滤波器介绍

微带环形滤波器是一种基于环形谐振器（Ring Resonator）的平面微波滤波器，因其结构紧凑、低损耗、高Q值等优点，在无线通信、雷达系统和射频前端电路中广泛应用。

1. 微带环形滤波器的基本原理

微带环形滤波器的核心元件是 环形谐振器，其工作原理基于驻波谐振和谐振模式的激励。环形结构可以支持多个谐振模式，通过适当的馈电方式和环形尺寸调节，可以实现特定的谐振频率和滤波特性。

• 谐振条件：
  环形谐振器的基本谐振条件为：

• $L_{\text{eff}}=n{\lambda }_g/2$

  其中：

  • $ L_{\text{eff}}$ 为有效环周长
  • $ \lambda_g $ 为导波波长
  • $ n $为谐振模式的阶数（通常取 1、2、3…）

• 谐振模式：
  环形谐振器的谐振模式主要包括基波模式（$ n=1 $）和高次模式（$ n\geq2 $），高次模式可用于拓宽带宽或增加传输零点，以提高滤波器的选择性。

2. 微带环形滤波器的结构设计

微带环形滤波器的基本结构包括 环形谐振器、输入/输出耦合线、介质基板 等。主要有以下几种设计形式：

（1）基本环形谐振器滤波器

最简单的微带环形滤波器由一个环形谐振器和两个耦合端口组成。其工作频率由环的尺寸和材料参数决定，常用于窄带滤波。

（2）耦合环形谐振器滤波器

多个环形谐振器通过边缘或间隙耦合，形成高阶滤波器，可用于实现 更陡峭的频率选择性、更宽的带宽。

（3）开口环形滤波器

在环形结构上引入开口（Gap）或缺口（Notch），可以调节谐振频率，提高带外抑制能力。

（4）多模环形谐振器滤波器

利用环形谐振器的多种谐振模式，可设计宽带滤波器，如双模环形滤波器、多模谐振滤波器等。

3. 微带环形滤波器的性能特点

微带环形滤波器相比于传统的LC滤波器和其他微带滤波器，具有以下特点：

（1）体积小，结构紧凑

环形谐振器能有效利用空间，特别适用于集成电路和小型化无线通信系统。

（2）Q值高，插损低

微带环形结构通常采用高Q值的介质材料，如氮化铝（AlN）、氧化钛（TiO₂），以降低插入损耗。

（3）可调谐性强

通过调整环形谐振器的尺寸、开口、耦合结构，可以灵活地调整中心频率、带宽和阻带特性。

（4）适用于多频段滤波

利用高阶谐振模式，可以设计多频段（双频或多频）滤波器，适用于多模通信系统。

---

4. 设计参数与计算

微带环形滤波器的设计涉及多个参数，包括 谐振频率、环半径、耦合间隙、带宽、插损、反射系数等。

（1）谐振频率计算

谐振频率$f_r$ 由环周长和有效介电常数 ${\epsilon }_{\text{eff}}$ 决定：
$$f_r=\frac{c}{2\pi R\sqrt{{\epsilon }_{\text{eff}}}}$$
其中：

• $R$为环的半径
• $c$ 为光速
• ${\epsilon }_{\text{eff}}$为有效介电常数

（2）环半径选择

为了获得目标谐振频率 $f_r$，环的半径可以通过反推计算：
$$R=\frac{c}{2\pi f_r\sqrt{{\epsilon }_{\text{eff}}}}$$

（3）耦合系数计算

耦合系数 $k$ 取决于耦合间隙$g$ 和介电常数：
$$k=\frac{f_2-f_1}{f_2+f_1}$$

其中 $f_1,f_2$ 分别为相邻谐振模式的频率。

---

设计目标 ：

中心频率：910MHz

带宽：40MHz

带内反射：<20dB

带外抑制：在842MHz处>20dB

采用三腔微带环形谐振器，其耦合矩阵为

---

设计步骤

1. 建立新的工程

成功创建后如图所示：

2. 设置求解类型

按照图中进行设置：

3. 设置模型单位

4. 建立滤波器模型

4.1 首先建立介质基片，建立后的模型如图所示

第一步，点这里：

第二步，随便创建一个：

第三步，双击这里修改参数：

修改后如图：

如果参数是对的，但是大小看起来不对的话点这个：

第四步，修改名字，材质和颜色，双击这里：

修改材料在这里

点这里添加材料：

设置如图，要包第一行的改成10.8，然后点ok

选择刚才创建的材料然后确认，

颜色的话点这里，选一个喜欢的，

最终如下，然后确认：

4.2 建立Ring_1

第一步，点这里创建面：

一样，先随便创建一个：

第二步，点击和前面相对的地方修改参数，名字和颜色，如图：

结果如图：

第三步，相同的步骤创建Inner和Cut_1:

先是Inner：

然后是矩形Cut_1：

第四步，用用Ring_将Inner和Cut_1减去:

按住Ctrl分别点击左边这三个部分：

然后点这个：

先点器件，然后点这两个箭头可以实现从右到左或者从左到右，左边是被减的对象，右边是用来减的工具（即需要减去的部分），调整后如下，然后点击ok：

4.3 移动Ring_1

选择RIng_1然后点击Move：

先随便移动：

然后双击Ring_1下面的Move，设置如图，点确定：

4.4 创建Ring_2

和前面类似，先点击Ring_1然后点击Thru Mirror：

先点击原点，然后在英文大写模式下长按Y，拉一段距离后再点一下就行了：

同样的，点这里修改名称：

4.5 创建Ring_3

第一步，和创建RIng_1类似：

第二步，创建Inner2和Cut_2，并减去

先是Inner2：

然后是Cut_2

用Ring_3将Inner_2和Cut_2减去

结果如下：

4.6 移动Ring_3

和移动Ring_1一样，结果如下

4.7 创建Feedline_1

创建滤波器的馈线结构，该馈线由特性阻抗不同的两段 微带传输线组成，一样的是绘制面。

先创建F_1：

然后是F_2

然后合并F_1和F_2，按住Ctrl选择两者后选择Unite：

然后点击这里改名字：

结果如图所示：

4.8 创建Feedline_2

和创建Ring_2的步骤一样都是沿X轴对称，

然后修改名字，最终如下：

4.9 组合 Ring_1 、 Ring_2 、 Ring_3 、 Feedline_1 和 Feedline_2。

并修改名字为Trace，结果如图：

5. 创建端口

5.1 创建port_1

第一步，红框位置选择XZ面：

第二步，创建面port_1，和之前的步骤一样：

第三步，设置端口，点击port_1然后右键，按照图中依次选择到Lumped Port：

按照图中的红框操作，注意要修改名字为p1：

点击NewLine后，会开始选择点，按下Tab后，可以在右下角设置起始点坐标，如图：

同样的办法设置好终点坐标：

设置好后，回到页面点击下一页再完成即可：

全部设置好后如图：

5.2 创建port_2

由port_1关于X轴对称得到port_2，步骤和前面一样：

设置好的结果如图：

6. 创建Air

创建一个长方体，命名Air，参数如下：

设置设置一下透明度，方面查看：

结果如图：

7. 设置边界条件

7.1 设置理想金属边界条件

按图中操作，依次到PerfectE：

修改名字，然后OK：

相同的方法设置地：

在空白处右键，然后依次选择到Faces：

或者直接在大写吗，模式下按F

这里可能会不好选择Substrate的下面，因此先选择Air，然后按图中标记点击将其隐藏：

然后在选择面的情况下选择地面将它设置成PerfectE，选择面后右键依次选择:

然后修改名字：

看图中位置可以看到是否设置成功：

7.2 设置辐射边界条件

选择Air后按图中依次选择即可：

结果如图所示：

8. 为该问题设置求解频率及扫频范围

8.1 设置求解频率

按照图中依次点击：

设置的和图片中一样然后点击确定：

在弹出的新框中，继续如图设置：

设置好的结果如下：

9. 保存工程

命名hfss-3couple

10. 仿真

先做检查：

全是绿色的勾勾代表没问题：

然后开始仿真：

这里可以展示仿真过程：

完全跑完了就是仿真好了

11. 后处理操作

创建画布，并添加参数：

按照图中依次选择：

按住Ctrl选择S(p1，p1)、S(p2，p1)，Function:dB：

结果让如图所示：

空白处右键可以添加各种Maker，都可以试一下，不需要删了就可以了。

整个仿真案例，就到此结束了。