基于HFSS設(shè)計同軸腔調(diào)諧濾波器

賈建蕊,韓 軍

(中國電子科技集團公司第五十四研究所,河北石家莊050081)

0 引言

調(diào)諧濾波器既能夠?qū)崿F(xiàn)頻率抗干擾又能夠滿足最佳收、發(fā)濾波器要求,其通帶頻率能夠隨著工作頻率要求的改變而相應(yīng)改變,在通信系統(tǒng)抗干擾技術(shù)中的作用舉足輕重。腔體調(diào)諧濾波器設(shè)計主要存在以下2個難點:①在調(diào)諧過程中,濾波器的響應(yīng)特性和絕對帶寬隨著中心頻率的變化而發(fā)生顯著變化,通帶內(nèi)插損增大,阻帶抑制度下降;②在調(diào)諧過程中,中心頻率隨著耦合結(jié)構(gòu)的變化呈非線性變化,耦合結(jié)構(gòu)難以實現(xiàn)。在此根據(jù)濾波器設(shè)計的基本原理,利用HFSS進行預(yù)仿真,很好地克服了上述2個缺點,實現(xiàn)了實例設(shè)計。

1 總體設(shè)計

以L波段濾波器設(shè)計為例,主要設(shè)計參數(shù)如表1所示。

由于所設(shè)計的調(diào)諧濾波器的調(diào)諧范圍為1 300～1 600MHz,為了便于照顧整個頻段的相對帶寬,選擇中間點1 450 MHz為設(shè)計頻點。利用網(wǎng)絡(luò)綜合法,選取切比雪夫函數(shù)作為逼近函數(shù),切比雪夫響應(yīng)函數(shù)[1]。在通帶內(nèi)是等波紋型的,通帶內(nèi)損耗LAr要足夠小,取LAr=0.03。經(jīng)查表計算確定濾波器階數(shù)n=4,對應(yīng)的低通原型參數(shù) gn可通過公式計算得:g0=1,g1=0.868 1,g2=1.275 4,g3=1.506 2,g4=0.735 1,g5=1.181 0。

表1 濾波器的技術(shù)參數(shù)

腔間耦合系數(shù)k及外界Qe值[2]的理論值可由式(1)和式(2)得到:

根據(jù)式(1)畫出整個調(diào)諧頻段的耦合系數(shù)k的曲線,如圖1所示,在后續(xù)仿真中,為了保證在整個頻段內(nèi)絕對帶寬不變,要盡量使仿真曲線逼近圖1中的理論值曲線。

圖1 腔間耦合系數(shù)隨頻率變化曲線

根據(jù)式(2)計算設(shè)計頻點的外界 Qe值:Qe=109.17,以初步確定耦合環(huán)的位置及大小。畫出整個調(diào)諧頻段的Qe值曲線,如圖2所示,作為后續(xù)仿真中的標準。

圖2 外界 Q值隨頻率的變化曲線

2 微波結(jié)構(gòu)設(shè)計及其仿真

2.1 腔體結(jié)構(gòu)

根據(jù)工作頻段低和功率容量不大以及電調(diào)濾波器的實現(xiàn)難易程度,腔體選擇 λ/4同軸腔結(jié)構(gòu),通過改變內(nèi)導(dǎo)體長度來改變工作頻率。工作頻率隨著內(nèi)導(dǎo)體長度的增加,由高到低逐漸變化。

為了方便加工和調(diào)試,同軸腔的結(jié)構(gòu)為外腔為方形內(nèi)導(dǎo)體為圓形,并通過在腔內(nèi)表面鍍銀來減小損耗增加Qe值。外腔橫截面為邊長為30 mm的正方形,當(dāng)同軸腔的外、內(nèi)導(dǎo)體直徑比為3.591時,同軸腔的Qe值最高,即同軸腔導(dǎo)體損耗最小,為了保證高Qe值和加工方便,選擇內(nèi)導(dǎo)體直徑為10 mm。內(nèi)導(dǎo)體頂端與腔體壁之間距離10 mm以上時,產(chǎn)生的端電容很微弱,對頻率不會有影響,因此腔體的高度選擇為65 mm。

在HFSS中建立單諧振腔模型,用本征模解求解仿真,仿真結(jié)果如圖3所示。根據(jù)仿真結(jié)果可以看到,調(diào)諧范圍大致在41～53 mm,可覆蓋1 300～1 600 MHz,調(diào)程約有 12 mm,每 25 MHz調(diào)程是0.1 mm,按照目前的加工情況,能夠較好地滿足調(diào)諧精度。

圖3 內(nèi)導(dǎo)體與諧振頻率的關(guān)系

2.2 腔間耦合結(jié)構(gòu)的選擇

耦合結(jié)構(gòu)是整個濾波器的最關(guān)鍵部分。在微波腔體濾波器中,腔間的耦合大多采用側(cè)面上開孔進行耦合,在以同軸腔做為諧振單元的可調(diào)濾波器中,級間的耦合大多以腔間的側(cè)面孔來進行耦合,孔的形狀主要是圓形和矩形。采用矩形孔作為調(diào)諧濾波器的腔間耦合結(jié)構(gòu)不僅可以極大地擴大濾波器的調(diào)諧范圍,保證其通帶帶寬在較大的調(diào)諧范圍內(nèi)基本不變,而且還可以消除大帶寬濾波器中的大波紋效應(yīng)。為了保證微波濾波器的調(diào)諧范圍及其在調(diào)諧范圍內(nèi)通帶寬度基本不變,采用矩形孔作為調(diào)諧濾波器的耦合結(jié)構(gòu)。

2.2.1 耦合孔位置的計算[3]

由于設(shè)計的是寬頻段調(diào)諧濾波器,耦合孔的位置應(yīng)該位于電磁場最不敏感的地方。對于矩形耦合孔,其帶寬與調(diào)諧頻率的關(guān)系為:

式中,c為真空中光速;D為同軸腔體直徑;M為孔上的磁化強度;l為孔中心點距短路端的距離。

在頻點1 450 MHz,l=20.69 mm。

2.2.2 耦合孔大小的計算

根據(jù)前面計算的頻點的耦合系數(shù),可以由下面公式計算腔間耦合孔的具體大小:

式中,r為耦合孔半徑;λ0為工作波長;b/a為內(nèi)外導(dǎo)體半徑之比;l為耦合孔中心到短路端距離;D為外導(dǎo)體邊長;θ為電長度。

計算一腔、二腔和二腔、三腔之間耦合孔半徑分別為7.67 mm和7.08 mm,在同軸腔諧振器中,側(cè)面上的等面積小孔耦合近似相等,把圓孔轉(zhuǎn)化為等面積的方形孔,并計算出其邊長分別為13.6 mm和12.54 mm。

2.2.3 耦合孔的仿真

按照上面計算數(shù)據(jù),在HFSS中建立2個相鄰的諧振腔模型,對耦合系數(shù)和頻率之間的關(guān)系進行全頻段仿真,發(fā)現(xiàn)按照計算出的耦合孔建模,整個頻段內(nèi)耦合值都達不到理論值要求,尤其是低端相差較大。

對耦合孔的2個邊長進行漸近優(yōu)化仿真,選擇耦合值最接近理論值的孔,優(yōu)化后其仿真耦合系數(shù)曲線如圖4所示?？梢钥闯鰞?yōu)化后仿真結(jié)果與理論值相比,在低端比理論值略小,在高端比理論值略大,但從全頻段來看,已經(jīng)和理論值曲線很接近。

圖4 仿真耦合系數(shù)曲線

2.3 輸入輸出耦合結(jié)構(gòu)的選擇

輸入、輸出端的耦合形式主要是環(huán)耦合,環(huán)的形狀主要有半圓環(huán)、矩形環(huán)和三角環(huán)[3]。矩形環(huán)耦合電抗的頻率特性比半圓環(huán)平坦,而且在頻率的高端也能提供足夠的耦合量,較之三角環(huán)和不規(guī)則形狀,尺寸比較容易確定。因此選擇矩形環(huán)作為輸入、輸出耦合結(jié)構(gòu),其結(jié)構(gòu)圖如圖5所示。

耦合環(huán)的長度Δl的取值一般為λ/12～λ/6,選取Δl,利用式(7)[3]可計算耦合環(huán)的位置La。

圖5 矩形耦合環(huán)結(jié)構(gòu)

式中,Δl、Δγ和La的含義如圖5所示;c為真空中光速;f0為中心頻率(頻點),將 Δl和La代入式(8)[3],可求出Δγ。

式中,Z0為諧振腔的特性阻抗;Ra為同軸電纜的輸入電阻。由式(8)計算得La=11 mm,Δγ=2 mm,Δl=31 mm。

按照計算數(shù)據(jù),在HFSS中對其建模,用激勵解求解整個頻段內(nèi)有載品質(zhì)因數(shù)Q值,與理論值圖2進行對比,仿真結(jié)果與理論值有一定誤差。對耦合環(huán)優(yōu)化后,結(jié)果與理論值較吻合。

2.4 綜合建模仿真

將上述確定的濾波器結(jié)構(gòu)綜合起來,在HFSS中建立整個濾波器模型進行仿真優(yōu)化。濾波器響應(yīng)特性如圖6、圖7和圖8所示。

由圖6、圖7和圖8可以看出,在低端絕對帶寬比高端略微小一點,但總體來看,所設(shè)計濾波器能夠較好地滿足設(shè)計指標要求。

圖6 低端仿真結(jié)果

圖7 中間頻段仿真結(jié)果

圖8 高端仿真結(jié)果

3 結(jié)束語

以傳統(tǒng)的理論設(shè)計方法來設(shè)計同軸腔調(diào)諧濾波器,耦合結(jié)構(gòu)的計算沒有非常精確的計算公式,需要經(jīng)過多次對實物的修改和測試才能達到設(shè)計指標,而用HFSS仿真軟件結(jié)合設(shè)計原理的方法,以上過程只需在電腦上模擬仿真完成,最終能夠精確設(shè)計調(diào)諧濾波器。該設(shè)計方法提高了設(shè)計精度,加強了設(shè)計規(guī)范,縮短了設(shè)計周期,具有很高的參考價值。

[1]甘本祓,吳萬春.現(xiàn)代微波濾波器的結(jié)構(gòu)與設(shè)計[M].北京:科學(xué)出版社,1973.

[2]王清芬,馬延爽.耦合系數(shù)法設(shè)計微波帶通濾波器及CAD實現(xiàn)[J].無線電通信技術(shù),2008,34(1):43-44.

[3]姚 毅.寬范圍調(diào)諧微波濾波器耦合結(jié)構(gòu)的研究[D].成都:電子科技大學(xué)碩士論文,1993:48-49.