设计要求
切比雪夫衰减特性低通滤波器。截止频率2.5GHz,带内纹波等于或小于0.5dB,在二倍频处衰减大于30dB。输入输出阻抗50Ω。
微带线走线厚度1oz铜厚(即35um),介质基片厚度1.27mm,介电常数4.2,介质损耗正切为0.02。
1.计算参数指标
计算低通原型滤波器的特征参数对应的微带线尺寸(CST计算小工具):
Home->Macros->Run Macro->calculate->
calculate analytical line impedance -> thick microstrip
查找低通滤波器的表格,我们可以得到滤波器各部分的电阻,我们采用四分之波长的传输线,通过计算,得到如下走线参数指标:
厚度:35um。
宽度:50Ω-2.46mm;
15Ω-12.73mm;
130Ω-0.19mm。
长度:L1=L5=5.09mm;
L2=L4=5.37mm;
L3=7.58mm。
结构图如下所示:
2.仿真分析相关设置
求解器:时域求解器
设计建模:定义变量,创建参数化设计模型
端口设置:设计使用波导端口(输入输出端口),微带线结构波导端口尺寸选取原则(太大激发高次模使仿真结果不准确、太小使波导端口不能完全包含微带线向四周散发足够能量,也使结果不准确)——如图下图所示,k一般取5-10
求解频率:0-6GHz
背景材料:Normal
边界条件:电边界(electric)
3.设计前的准备
(1)设置常用单位:
Home->Settings->Units
(2)定义变量设计参数化结构模型:
在界面左下方parameter list中键入变量及其初始数值:厚度h=1.27;走线厚度t=0.035;50Ω微带线宽度w50=2.46mm;低阻抗微带线宽度wol=12.73;高阻抗微带线宽度woh=0.19;L微带线长度;输入输出端微带线的长度:l50=5mm。设置参数化结构模型的优势是便于我们接下来进行扫参、优化等调试。变量设置如下图所示:
4.创建滤波器微带走线模型
(1)创建50Ω微带线模型:
MS50长方体:
Modeling->Shapes->Brick
材料material选择
理想导体PEC
(2)创建高低阻抗滤波器MSL1、MSL2、MSL3的一半长方体:
Modeling->Shapes->Brick
(3)利用镜像复制操作复制剩下的部分(滤波器对称) :
将上述模块合并成一个整体选中四个模型:
Modeling->Tools->Boolean->Add
重新选定原点坐标:
Modeling->WCS->Transform WCS
选中模型:
Modeling->Transform->Mirror
合并两个模型:
Modeling->Tools->Boolean->Add
5.创建滤波器微带介质层模型
(1)使用全局坐标系:
Modeling->WCS->Local WCS
(2)新建介质模型:
Modeling->Materials->New/Edit->New Materials
(3)创建介质板长方体:
Modeling->Shapes->Brick
注:此时模型已经设计好,一般背面的完整地可以再新建一个模型,或者使用边界条件模拟完整地。此次实验使用边界条件。
6.输入输出端设置波导端口激励
(1)选中波导端口的上边线:
Simulation->Picks->pick edge
(2)设置波导端口2/输入(波导端口大小上面已推荐k):
Simulation->Waveguide Port
(3)同样方法设置波导端口2/输出
(注:发送波方向3D图上会有紫色的箭头,箭头方向应与发送波方向相同)
7.设置仿真条件
(1)求解频率:
Simulation->Frequency:0-6GHz
(2)背景材料:
Simulation->Background:Normal
(3)边界条件:
Simulation->Boundaries:
Electric(六个方向),代表被一个金属盒屏蔽起来(腔体结构)
(4)求解器:
Home->Setup Solver->Time Domain Solver
(5)开始仿真:
Simulation->->Setup Solver
注意上图中的自适应网格剖分,选中可以提高仿真精度,但是仿真时间大大加长,酌情勾选。或者可以选择右边adaptive properties,适当修改最大最小自适应次数。
8.仿真结果
激情澎湃的等待电脑仿真出结果,我们第一次的CST之旅就要结束了,下面是我的优化结果,仅供参考。(注:笔者自己经验,不同版本的CST 的结果可能结果都会略有差异,本次实验结果在CST2018下仿真)
由于滤波器为二端口互易网络,S11与S22相同,S12与S21相同。
(内容、图片来源:CST仿真专家之路公众号,侵删)
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