基于HFSS的滤波器设计流程.doc

滤波器设计流程：
1.确定设计指标要求
2.查阅资料，确定形状
3.建模，仿真
4.优化结果
5.版图，加工，测试

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
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

设计步骤（以HFSS13.0为例）

一 开始
（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Modeler>Export，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。