同軸腔體窄帶帶通濾波器快速設(shè)計(jì)方法

摘要：為了滿足衛(wèi)星用濾波器研制周期短、可靠性高的要求，提出了一種快速設(shè)計(jì)經(jīng)典同軸腔體濾波器的方法。該方法通過(guò)原型濾波器查表可以計(jì)算濾波器節(jié)數(shù)、耦合常數(shù)、群時(shí)延、單腔諧振頻率、單腔Q值等初始值；通過(guò)使用三維電磁（EM）仿真軟件得到單腔調(diào)諧釘長(zhǎng)度和加載電容值的對(duì)應(yīng)關(guān)系、兩個(gè)腔體間耦合系數(shù)及端口抽頭高度等模型SnP參數(shù)；通過(guò)電路仿真軟件使用集總元件對(duì)電容加載的量值進(jìn)行優(yōu)化，極大地提高了仿真的速度。最后使用該協(xié)同仿真方法設(shè)計(jì)一同軸腔體濾波器，并對(duì)仿真結(jié)果進(jìn)行了驗(yàn)證。

0 引 言

微波濾波器是雷達(dá)系統(tǒng)、衛(wèi)星通信系統(tǒng)、測(cè)量系統(tǒng)等必不可少的組成部分，一般被用來(lái)分開或整合不同頻段的信號(hào)［1］。隨著通信設(shè)備研制周期的縮短，對(duì)于濾波器這種不能系列化生產(chǎn)的產(chǎn)品研制速度提出了很高要求。對(duì)于腔體濾波器來(lái)說(shuō)，目前的設(shè)計(jì)方法都是使用仿真軟件對(duì)濾波器進(jìn)行電磁仿真，然后再進(jìn)行實(shí)物加工調(diào)試。由于三維電磁仿真計(jì)算量大，目前的硬件條件還不能支持快速的仿真設(shè)計(jì)，所以使得研制周期中的相當(dāng)一部分時(shí)間花費(fèi)在仿真計(jì)算中，影響了研制周期。

為了縮短同軸腔體濾波器的仿真時(shí)間，本文提出了一種使用三維電磁仿真軟件和電路仿真軟件結(jié)合使用的設(shè)計(jì)方法，可以提高濾波器的設(shè)計(jì)速度。最后對(duì)該設(shè)計(jì)方法進(jìn)行驗(yàn)證，證明該方法的正確性。

1 設(shè)計(jì)方法理論分析

同軸腔體窄帶帶通濾波器的模型圖如圖1所示，它可以看做一系列諧振腔的組合。每個(gè)諧振桿代表一個(gè)諧振腔，諧振于濾波器的中心頻率附近；諧振腔的諧振頻率決定濾波器的中心頻率，Q值影響濾波器的插入損耗［2］。耦合膜片控制相鄰諧振腔的耦合量，端口處的探針決定濾波器與外界的耦合，耦合量決定濾波器的帶寬。所以在設(shè)計(jì)濾波器的過(guò)程中，重點(diǎn)設(shè)計(jì)單個(gè)諧振腔的諧振頻率、Q值以及各個(gè)諧振腔之間耦合量和邊緣諧振腔與外界的耦合。

圖1 仿真建模原理圖

諧振腔上的調(diào)諧螺釘用于調(diào)試濾波器的諧振頻率，因?yàn)樵撀葆數(shù)淖饔玫刃?個(gè)電容，所以也成為電容加載。螺釘深入的長(zhǎng)短反映了電容加載的大小。在后續(xù)的設(shè)計(jì)過(guò)程中，將該螺釘?shù)拈L(zhǎng)度放在二維仿真軟件（ADS）中進(jìn)行優(yōu)化。所以快速設(shè)計(jì)方法的本質(zhì)就是將3D電磁（EM）軟件中的模型S參數(shù)提取到電路仿真軟件中，使用集總元件對(duì)電容加載的量值進(jìn)行優(yōu)化。

1.1 根據(jù)設(shè)計(jì)指標(biāo)確定濾波器的初值

已知濾波器的中心頻率、帶寬、插入損耗、波紋、帶外抑制度等，通過(guò)原型濾波器查表可以計(jì)算濾波器節(jié)數(shù)、耦合常數(shù)、群時(shí)延、單腔諧振頻率、單腔Q值［3－4］等：

式中：w1和w2為濾波器的通帶邊緣頻率；Δw為濾波器的相對(duì)帶寬；gi、gj為原型濾波器值；Kij為第i諧振腔和第j諧振腔之間的耦合系數(shù)；Qe為濾波器與外界的耦合系數(shù)。

考慮到使用查表和計(jì)算的方法相對(duì)麻煩，為了方便，可以將計(jì)算過(guò)程編入Excel中，如圖2所示。通過(guò)輸入已知參數(shù)，就可以很輕松地得到濾波器節(jié)數(shù)、耦合常數(shù)、群時(shí)延、單腔諧振頻率、單腔Q值等參數(shù)。

圖2 Excel計(jì)算初始值

1.2 確定單個(gè)諧振腔的結(jié)構(gòu)

根據(jù)1.1中單腔諧振頻率、單腔Q值以及對(duì)濾波器體積的要求，設(shè)計(jì)出單個(gè)諧振器的結(jié)構(gòu)。通過(guò)3DEM仿真軟件的本征膜方法可計(jì)算諧振腔的諧振頻率和Q值，保證可實(shí)現(xiàn)最終的設(shè)計(jì)目標(biāo)。

圖3 CST軟件仿真

根據(jù)圖3的結(jié)構(gòu)模型，在諧振腔的頂部加入集總參數(shù)電容，分別仿真諧振腔諧振頻率。在相同諧振頻率下得到螺釘長(zhǎng)度和加載電容值的對(duì)應(yīng)關(guān)系，如圖4所示。

圖4 電容加載電路仿真

1.3 端口和耦合系數(shù)的三維實(shí)現(xiàn)

此部分是關(guān)鍵所在，主要使用CST軟件強(qiáng)大的場(chǎng)計(jì)算功能、ADS軟件的電路計(jì)算和優(yōu)化功能。

1.3.1 相鄰腔體耦合系數(shù)確定

2個(gè)相同的腔體模型放在一起，如圖5所示。中間通過(guò)縫隙連接，使2個(gè)腔體中的電磁能量可以交換，便構(gòu)成了耦合。其中耦合分電耦合與磁耦合，即電容耦合與電感耦合。

圖5中2個(gè)同軸腔體中間開縫，縫寬改變就可改變耦合系數(shù)。先設(shè)xz面（即縫所在的面）為電壁，用本征模解算器求出第1個(gè)模式的諧振頻率，令其為fe；再設(shè)xz面為磁壁，算出第1個(gè)諧振頻率，令其為fm，于是2個(gè)諧振腔之間的耦合系數(shù)K可由下式得出：

圖5 相鄰腔體耦合系數(shù)仿真

1.3.2 端口抽頭高度的確定

邊腔與外界的耦合是用K01和K45來(lái)表示的，在操作中，只需用群時(shí)延t1就可以了。t1可以從低通濾波器原型濾波器g值和相對(duì)帶寬Δω計(jì)算得出：

如圖6（a）所示，通過(guò)調(diào)整耦合圓盤伸入的長(zhǎng)度和內(nèi)導(dǎo)體的高度，使群時(shí)延最大值位于f0＝2GHz處，且其最大值與t1＝22.7ns相等，這樣就可以確定抽頭的高度，調(diào)好的群時(shí)延如圖6所示。

1.4 整體模型仿真和優(yōu)化

濾波器的全部主要參數(shù)已經(jīng)得到，在3DEM仿真軟件中進(jìn)行整體建模，此時(shí)該濾波器除了具有輸入、輸出端口外，還應(yīng)該在每個(gè)諧振腔的頂端加入端口，將仿真的SnP文件導(dǎo)出。

在電路仿真軟件ADS中建模，采用S參數(shù)仿真方法，使用從3DEM仿真軟件中導(dǎo)出的SnP文件，并在對(duì)應(yīng)諧振腔的端口上加入對(duì)地耦合電容。優(yōu)化耦合電容可以得到需要的濾波器曲線。

對(duì)照1.2節(jié)中的數(shù)據(jù)可得到每個(gè)調(diào)諧螺釘?shù)纳疃?，從而得到三維仿真軟件中的濾波器結(jié)構(gòu)參數(shù)。

2 設(shè)計(jì)實(shí)例

下面用一個(gè)設(shè)計(jì)實(shí)例來(lái)說(shuō)明上面的設(shè)計(jì)過(guò)程。

2.1 設(shè)計(jì)指標(biāo)

工作頻率：670～720MHz；1dB 帶寬：≥50MHz；插損：≤1dB＠670～720MHz；駐波：≤1.5＠670～720MHz；帶外抑制：≥40dBc＠DC～635MHz＆745～1 500MHz。

2.2 濾波器初始值

根據(jù)查表看出6節(jié)濾波器可以實(shí)現(xiàn)該參數(shù)，單腔諧振器Q值為3 000時(shí)，插入損耗為0.11dB，考慮上波動(dòng)，可以滿足指標(biāo)要求。表1、表2及表3是原型濾波器值、耦合系數(shù)和插入損耗以及群時(shí)延的原始參數(shù)。

圖6 抽頭仿真

表1 原型濾波器值

表2 耦合系數(shù)和插入損耗

表3 群時(shí)延

2.3 端口和耦合系數(shù)的三維實(shí)現(xiàn)

圖7 耦合系數(shù)K12和K23仿真模型

從上面的濾波器初始數(shù)據(jù)可以看出，K12＝K56，K23＝K45，所以需要仿真的耦合系數(shù)包括K12，K23，K34。仿真使用的模型如圖7所示。因?yàn)槭褂玫膯吻粎?shù)為20mm×18mm×40mm，所以耦合系數(shù)K34的仿真模型和上面使用的模型不同，考慮到耦合的方向不同，所以使用的仿真模型如圖8所示。

圖8 耦合系數(shù)K34仿真模型

通過(guò)仿真可以看到：由K12＝K56＝0.056 18，可以得出1腔和2腔間的耦合縫隙寬度等于5腔和6腔間的耦合縫隙寬度，即w12＝w56＝11.7mm；同理由耦合系數(shù)K23＝K45＝0.042 34，可以得出w23＝w45＝9.5mm。

通過(guò)仿真可以看到：由耦合系數(shù)K34＝0.040 73，從而可以得出w34＝42.6mm。抽頭結(jié)構(gòu)的仿真使用圖9所示的仿真模型，通過(guò)2.2節(jié)可以得到第一諧振器的群時(shí)延14.872 8ns，所以對(duì)抽頭的高度進(jìn)行調(diào)整，最后得到抽頭高度為15mm。

2.4 整體仿真

使用上面仿真得到的數(shù)據(jù)進(jìn)行整體建模，模型如圖10所示。

圖9 抽頭仿真模型

圖10 濾波器仿真結(jié)構(gòu)

將三維電磁仿真軟件（HFSS）仿真的S8P文件導(dǎo)出，在ADS中建立如圖11所示的電路結(jié)構(gòu)圖，在圖中的SnP空間中導(dǎo)入S8P文件。將諧振腔中的電容加載效應(yīng)使用6個(gè)集總電容代替，進(jìn)行優(yōu)化，得到濾波器的曲線如圖12所示。在HFSS中得到的濾波器的主要物理尺寸如表4所示。

圖11 ADS仿真原理

圖12 ADS仿真結(jié)果

表4 濾波器主要尺寸

2.5 驗(yàn)證

圖13 濾波器外形圖

考慮到腔體濾波器長(zhǎng)度要盡量小，且采用折疊的結(jié)構(gòu)形式，如圖13所示。經(jīng)過(guò)調(diào)試后進(jìn)行實(shí)物測(cè)試，得到濾波器的測(cè)試曲線如圖14所示，可以看出濾波器滿足設(shè)計(jì)要求。帶內(nèi)插入損耗為0.8dB，回波損耗小于18dB。

3 結(jié)束語(yǔ)

本文提出了利用電路仿真軟件和3DEM（HFSS）進(jìn)行聯(lián)合仿真同軸腔體濾波器的方法和步驟，然后通過(guò)一個(gè)六腔濾波器的設(shè)計(jì)具體說(shuō)明了該設(shè)計(jì)方法。通過(guò)加工測(cè)試，可以得到設(shè)計(jì)的濾波器實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)和設(shè)計(jì)要求比較吻合，這證明了該方法的有效性。

圖14 測(cè)試曲線

同時(shí)使用該方法可以大大提高仿真同軸腔體濾波器的速度，縮短研制周期，對(duì)濾波器的制作和設(shè)計(jì)具有很大的實(shí)用意義。

審核編輯：湯梓紅