微帶低通濾波器CST仿真設(shè)計(jì)實(shí)例

來源：mszion的小窩更新時(shí)間：2024-06-23 閱讀：

設(shè)計(jì)要求:

切比雪夫衰減特性低通濾波器。截止頻率2.5GHz，帶內(nèi)紋波等于或小于0.5dB，在二倍頻處衰減大于30dB。輸入輸出阻抗50Ω。

微帶線走線厚度1oz銅厚(即35um)，介質(zhì)基片厚度1.27mm，介電常數(shù)4.2，介質(zhì)損耗正切為0.02。

1. 計(jì)算參數(shù)指標(biāo)

計(jì)算低通原型濾波器的特征參數(shù)對(duì)應(yīng)的微帶線尺寸（CST計(jì)算小工具）：

Home->Macros->Run Macro->calculate->calculate analytical line impedance -> thick microstrip

查找低通濾波器的表格，我們可以得到濾波器各部分的電阻，我們采用四分之波長(zhǎng)的傳輸線，通過計(jì)算，得到如下走線參數(shù)指標(biāo)：

厚度：35um。

寬度：50Ω-2.46mm；

15Ω-12.73mm；

130Ω-0.19mm。

長(zhǎng)度：L1=L5=5.09mm；

L2=L4=5.37mm；

L3=7.58mm。

結(jié)構(gòu)圖如下所示：

2. 仿真分析相關(guān)設(shè)置

求解器：時(shí)域求解器

設(shè)計(jì)建模：定義變量，創(chuàng)建參數(shù)化設(shè)計(jì)模型

端口設(shè)置：設(shè)計(jì)使用波導(dǎo)端口（輸入輸出端口），微帶線結(jié)構(gòu)波導(dǎo)端口尺寸選取原則（太大激發(fā)高次模使仿真結(jié)果不準(zhǔn)確、太小使波導(dǎo)端口不能完全包含微帶線向四周散發(fā)足夠能量，也使結(jié)果不準(zhǔn)確）——如圖下圖所示，k一般取5-10

求解頻率：0-6GHz

背景材料：Normal

邊界條件：電邊界(electric)

3. 設(shè)計(jì)前的準(zhǔn)備

（1）設(shè)置常用單位：Home->Settings->Units

（2）定義變量設(shè)計(jì)參數(shù)化結(jié)構(gòu)模型：

在界面左下方parameter list中鍵入變量及其初始數(shù)值：厚度h=1.27；走線厚度t=0.035；50Ω微帶線寬度w50=2.46mm；低阻抗微帶線寬度wol=12.73；高阻抗微帶線寬度woh=0.19；L微帶線長(zhǎng)度；輸入輸出端微帶線的長(zhǎng)度：l50=5mm。設(shè)置參數(shù)化結(jié)構(gòu)模型的優(yōu)勢(shì)是便于我們接下來進(jìn)行掃參、優(yōu)化等調(diào)試。變量設(shè)置如下圖所示：

4. 創(chuàng)建濾波器微帶走線模型

（1）創(chuàng)建50Ω微帶線模型：

MS50長(zhǎng)方體：Modeling->Shapes->Brick

材料material選擇：理想導(dǎo)體PEC

（2）創(chuàng)建高低阻抗濾波器MSL1、MSL2、MSL3的一半長(zhǎng)方體： Modeling->Shapes->Brick

（3）利用鏡像復(fù)制操作復(fù)制剩下的部分(濾波器對(duì)稱) ：

將上述模塊合并成一個(gè)整體選中四個(gè)模型：Modeling->Tools->Boolean->Add

重新選定原點(diǎn)坐標(biāo)：Modeling->WCS->Transform WCS

選中模型：Modeling->Transform->Mirror

合并兩個(gè)模型：Modeling->Tools->Boolean->Add

5. 創(chuàng)建濾波器微帶介質(zhì)層模型

（1）使用全局坐標(biāo)系：Modeling->WCS->Local WCS

（2）新建介質(zhì)模型：Modeling->Materials->New/Edit->New Materials

（3）創(chuàng)建介質(zhì)板長(zhǎng)方體：Modeling->Shapes->Brick

注：此時(shí)模型已經(jīng)設(shè)計(jì)好，一般背面的完整地可以再新建一個(gè)模型，或者使用邊界條件模擬完整地。此次實(shí)驗(yàn)使用邊界條件。

6. 輸入輸出端設(shè)置波導(dǎo)端口激勵(lì)

（1）選中波導(dǎo)端口的上邊線：Simulation->Picks->pick edge

（2）設(shè)置波導(dǎo)端口2/輸入（波導(dǎo)端口大小上面已推薦k）：Simulation->Waveguide Port

（3）同樣方法設(shè)置波導(dǎo)端口2/輸出

（注：發(fā)送波方向3D圖上會(huì)有紫色的箭頭，箭頭方向應(yīng)與發(fā)送波方向相同）

7. 設(shè)置仿真條件

（1）求解頻率：Simulation->Frequency：0-6GHz

（2）背景材料：Simulation->Background：Normal

（3）邊界條件：Simulation->Boundaries：

Electric（六個(gè)方向），代表被一個(gè)金屬盒屏蔽起來（腔體結(jié)構(gòu)）

（4）求解器：Home->Setup Solver->Time Domain Solver

（5）開始仿真：Simulation->->Setup Solver

注意上圖中的自適應(yīng)網(wǎng)格剖分，選中可以提高仿真精度，但是仿真時(shí)間大大加長(zhǎng)，酌情勾選。或者可以選擇右邊adaptive properties，適當(dāng)修改最大最小自適應(yīng)次數(shù)。

8. 仿真結(jié)果

激情澎湃的等待電腦仿真出結(jié)果，我們第一次的CST之旅就要結(jié)束了，下面是我的優(yōu)化結(jié)果，僅供參考。（注：筆者自己經(jīng)驗(yàn)，不同版本的CST 的結(jié)果可能結(jié)果都會(huì)略有差異，本次實(shí)驗(yàn)結(jié)果在CST2018下仿真）