高性能小型化梳狀腔體濾波器的仿真和設(shè)計分析

微波濾波器作為最重要的無源器件之一，在無線基站通信、衛(wèi)星通信、雷達(dá)探測等系統(tǒng)中都有著不可替代的地位。濾波器的重要性使得其性能的優(yōu)劣程度往往會影響到整個系統(tǒng)的質(zhì)量。因此，隨著各種微波系統(tǒng)對性能要求的日益提高，對濾波器也提出了越來越嚴(yán)苛的要求。本文從實(shí)際工程應(yīng)用需求出發(fā)，以微波濾波器的基本理論為基礎(chǔ)，研制了一種高性能、小型化梳狀濾波器。

1 腔體濾波器的概述

1.1 腔體濾波器的仿真和設(shè)計理論

濾波器是無線電技術(shù)中許多設(shè)計問題的中心，幾乎所有的微波接收機(jī)、發(fā)射機(jī)和微波實(shí)驗(yàn)裝備都要求具有濾波的功能。工程上常用采用網(wǎng)絡(luò)綜合法，即以滿足一定濾波器指標(biāo)的衰減和相位特性的要求為基礎(chǔ)，利用綜合理論，求出集總元件低通原型電路的結(jié)構(gòu)及各元件的參數(shù)，再經(jīng)過適當(dāng)?shù)念l率變化，轉(zhuǎn)換到所需要的低通、高通、帶通、帶阻四種微波濾波器，最后將集總參數(shù)元件用具體的分布參數(shù)的物理結(jié)構(gòu)來實(shí)現(xiàn)。相比于傳統(tǒng)的分布參數(shù)法和影象參數(shù)法的設(shè)計方法，網(wǎng)絡(luò)綜合法具有計算相對簡單，準(zhǔn)確度良好，能導(dǎo)出最佳設(shè)計的優(yōu)勢。

腔體濾波器是由通過一定耦合方式將各個諧振器連接起來所組成的微波元器件，濾波器設(shè)計的一個重要環(huán)節(jié)就是諧振器和耦合結(jié)構(gòu)選取和分析，特別對于腔體帶通濾波器設(shè)計，對諧振器和耦合結(jié)構(gòu)的分析是非常必要的一個環(huán)節(jié)，分析諧振器和耦合結(jié)構(gòu)有助于確定諧振器和耦合結(jié)構(gòu)大概尺寸，同時有助于分析諧振頻率、Q值、高次模的影響和耦合系數(shù)。

微波諧振器具有儲能和選頻作用，是構(gòu)成許多微波元器件如濾波器、振蕩器等必不可少的部分。實(shí)際中諧振器將與其它電路耦合，進(jìn)行一定的能量交換才能完成能量傳輸過程，實(shí)現(xiàn)選頻和濾波的功能。微波諧振器主要的特性參數(shù)有諧振頻率和品質(zhì)因數(shù)。根據(jù)傳輸線的電容加載縮短理論可將諧振器長度減少，實(shí)現(xiàn)濾波器的小型化。

1.2 腔體濾波器的設(shè)計方法

由梳狀線濾波器的等效電路和設(shè)計公式可以初步確定各線元的尺寸和距離，但是設(shè)計繁瑣，精度不高。在實(shí)際工程設(shè)計中，為了提高濾波器設(shè)計周期和指標(biāo)精度，通常在已有的微波濾波器設(shè)計理論基礎(chǔ)之上，采用電磁仿真軟件HFSS進(jìn)行輔助設(shè)計。在借助HFSS設(shè)計濾波器之前，首先要根據(jù)濾波器指標(biāo)要求（如中心頻率、帶寬和插入損耗等）確定出滿足一定諧振頻率和無載Q值的單腔諧振器的HFSS模型，然后分析諧振腔之間的耦合結(jié)構(gòu)，對其尺寸初值進(jìn)行選取。

2 腔體濾波器的仿真設(shè)計

2.1 腔體濾波器的主要指標(biāo)

腔體濾波器的主要指標(biāo)如下：

中心頻率f0=5061MHz，帶寬BW≥400MHz，駐波比小于1.5（回波損耗＞13.98dB），帶內(nèi)插入損耗≤1dB，帶外抑制 LS≥45dB@1～2GHz，LS≥25dB@7～8GHz，外形尺寸：≤28mm×15mm×13mm。

2.2 ADS低頻模型的分析

查切比雪夫?yàn)V波器的元件數(shù)值表，可得波紋系數(shù)為0.01的三階切比雪夫響應(yīng)的 g值為：g0=1，g1=0.6291，g3=0.6291，g4=1，以此建立 ADS 低頻等效電路模型，用并聯(lián)諧振電路代表每個諧振腔，不同諧振器中集總參數(shù)電容C0和電感值L0一樣，腔體之間的耦合用的1/4波長傳輸線做導(dǎo)納變換器，1/4波長傳輸線本身是K變換器，其K值與其特性阻抗相等，所以將其特性阻抗設(shè)為耦合系數(shù)的倒數(shù)，以實(shí)現(xiàn)J變換器的功能。

設(shè)計中主要計算的參數(shù)為耦合系數(shù)，其中輸入輸出和各腔之間的耦合系數(shù)分別為：

根據(jù)公式（1）可以算出濾波器的耦合系數(shù)如下。

2.3 單諧振腔模型的仿真計算

首先在HFSS中建立一個單腔的模型，參數(shù)選擇為：腔體長度L=6.5，腔體寬度W=5，墻體高度H=6.5，金屬柱長度l=1.7，金屬柱寬度w=1.7，金屬柱高度h=5～6，金屬板長度l1=4，金屬板寬度w1=4，金屬板高度h1=0.3（單位為mm）。

上述單腔模型沒有端口，無激勵源，采用本征模求解，只求解頻率。將腔體設(shè)置為空氣，邊界條件設(shè)置為pefect E，并將諧振桿設(shè)置為良導(dǎo)體。

仿真后得到金屬柱高度為5.8mm。此時的諧振頻率為5232MHz，Q值為1547。由于腔體濾波器是由多個諧振腔耦合組成的，中心頻率會比單個諧振腔有所下降，所以單諧振腔的中心頻率要比實(shí)際的中心頻率稍大。

2.4 耦合系數(shù)的腔體結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)

在單諧振腔模型的基礎(chǔ)上建立雙諧振腔模型，并在耦合窗中建立一個調(diào)節(jié)耦合大小的調(diào)耦螺釘，并通過仿真獲得濾波器耦合窗口的尺寸。

對此模型求解得：當(dāng)調(diào)耦螺釘長度l=6.4mm時，耦合系數(shù)為0.10117。

由于3階濾波器為對稱結(jié)構(gòu)，腔體間的耦合系數(shù)相同，所以諧振腔之間的耦合結(jié)構(gòu)尺寸就能確定了。

2.5 腔體濾波器模型的仿真計算

根據(jù)直接耦合的方式，建立腔體濾波器的最終模型。

仿真后得出濾波器的1dB帶寬為510MHz，插損約為0.3dB，回波損耗大于18.0329dB，在1GHz處的抑制為59.4636dB，在7GHz處得抑制為50.1739dB，以上指標(biāo)均滿足要求。

3 腔體濾波器的實(shí)物測試

根據(jù)腔體濾波器的三維模型，對其進(jìn)行實(shí)物加工如圖1所示。

圖1 腔體濾波器的三維模型

測試腔體濾波器的S21、S11和駐波比，可以得到以下結(jié)果：

（1）插入損耗為0.56dB，1dB帶寬為715MHz，1GHz處的抑制約為56.72dB，7GHz處的抑制約為48.63dB；

（2）4861MHz處回波損耗約為28.91dB，5261MHz處回波損耗約為31.22dB；

（3）中心頻率5061MHz處的駐波比為1.019，在4751～5354MHz的范圍內(nèi)駐波比均小于1.3。

4 結(jié)論

本文在對腔體濾波器的設(shè)計中，采用的是仿真軟件ADS和HFSS相結(jié)合的方法，分析數(shù)據(jù)主要依靠大量的電磁仿真。最終，加工的腔體濾波器實(shí)物滿足了指標(biāo)要求。

審核編輯：黃飛