HFSS微波阶跃阻抗滤波器设计(3)
1.3 阶跃阻抗谐振器(SIR)
阶跃阻抗谐振器，即SIR(Stepped Impedance Resonator)，是指由两个以上具有不同特征阻抗的传输线组合而成的横向电磁场模式的谐振器。目前，相较于阶跃阻抗谐振器，在滤波器设计中应用更为广泛的是均匀阻抗谐振器(UIR)，然而，这种谐振器存在很多缺点。阶跃阻抗谐振器理论就建立于均匀阻抗谐振器UIR的基础上，可以看作是UIR的扩展和推演。图1.1举例了半波长谐振器从UIR到SIR的结构演变。
如今，随着微波滤波器小型化的发展需求，关于SIR的研究已成为一个热门领域。SIR谐振器的典型特点可以概括如下：
（1） 几何形状多变，结构和设计自由度很高；
（2） 通过改变传输线或介电材料的类型，可良好地适用于从射频到毫米波频率范围内，应用频率范围广；
（3） 尺寸小、易于集成且成本较低。
除此之外，SIR谐振器作为一种基本元件，在振荡器和混频器的研究和设计中也扮演着重要的角色。
图1.1 半波长谐振器结构变化
1.4 HFSS软件介绍
HFSS是Ansoft公司出品的一款高性能全波电磁场(EM)段任意3D无源器件模拟仿真软件。该软件基于有限元算法(FEM)，使用自适应网格划分和高性能的图形界面，可以分析任意的几何结构，这也是其最大的特色和优点。HFSS软件广泛应用于航空航天、计算机、雷达、通信、半导体等多领域，其仿真精确度高、速度快、可靠性强。利用HFSS工具可以高效地设计各种高频结构，可用于研究系统的电磁特性，从而减少设计和制造成本。
使用HFSS时，主要需要计算以下几个方面：
（1） 基本电磁场数值解；
（2） 传输函数和端口特征阻抗；
（3） S参数和相应端口阻抗的归一化S参数；
（4） 结构的本振模或谐振解。
HFSS的有限元算法将一个复杂几何体剖分成数个四面角锥，在处理有复杂曲线或曲面的问题时，这种基于四面体网格元交互式仿真系统更能发挥优势。在计算谐振频率时，HFSS使用的是本振模解算器；在计算S参数和归一化S参数时，使用的则是激励解。
1.5 主要研究内容
本文简介了目前滤波器领域发展的现状，分析了作为滤波器重要元件的谐振器的基本结构和功能，对目前应用较广泛的UIR谐振器的优点和不足进行了分析，概述了基于UIR改进的SIR谐振器的原理和特性。简单介绍了设计过程中使用的仿真软件HFSS。进一步讲述了无源网络的基本概念和SIR的总体结构、特性，对不同波长及类型的SIR进行了对比分析。探究了滤波器的基本设计方法。最后结合推导得出的数据，使用HFSS软件实际设计了一个微带阶跃阻抗带通滤波器并进行了仿真，且对仿真结果进行了进一步的优化调整，探究了不同参量的改变对SIR滤波器整体性能产生的影响。
本文的主要内容按章节分为以下几个部分：
（一） 引言。简略介绍了目前滤波器领域的发展现状和研究前景，概述了SIR谐振器的功能以及优缺点，并对设计过程中使用的仿真软件HFSS进行了初步介绍。
（二） 微波网络分析。介绍了微波网络中的一些基本概念，列举了一些常用公式。
（三） 微波谐振器概述。简述了微波谐振器的构造和特性。推导了谐振频率、无载Q值等的相关公式。
（四） SIR概述。详细介绍了SIR的相关知识，重点介绍了四分之一波长型SIR和半波长型SIR。