基于HFSS的微調(diào)諧腔體帶通濾波器設(shè)計(jì)

曲永志，李德志，馬延爽

(中國(guó)電子科技集團(tuán)公司第五十四研究所，河北石家莊 050081)

0 引言

傳統(tǒng)的微波腔體帶通濾波器的設(shè)計(jì)過程中，參數(shù)計(jì)算量大，仿真存在誤差，調(diào)諧過程耗時(shí)費(fèi)力。隨著腔體帶通濾波器在微波通信設(shè)備中的廣泛應(yīng)用，其設(shè)計(jì)方法有待改進(jìn)。

通過設(shè)計(jì)參數(shù)求取方法的改進(jìn)和對(duì)原理圖的完善補(bǔ)充以及采用合理的仿真過程，確保了濾波器設(shè)計(jì)的精確度。在此基礎(chǔ)上，摒棄傳統(tǒng)的用調(diào)諧螺釘調(diào)諧的方式，采用微調(diào)諧結(jié)構(gòu)的腔體來實(shí)現(xiàn)濾波器的微調(diào)諧，配合線切割加工工藝，最終實(shí)現(xiàn)腔體帶通濾波器的精確微調(diào)諧設(shè)計(jì)，一定的相對(duì)帶寬條件下，可實(shí)現(xiàn)免調(diào)諧設(shè)計(jì)。

1 總體設(shè)計(jì)

微波腔體帶通濾波器的設(shè)計(jì)過程大體分為3步:①按設(shè)計(jì)要求求取設(shè)計(jì)參數(shù);② 進(jìn)行濾波器模型的仿真;③進(jìn)行濾波器的調(diào)諧。

求取設(shè)計(jì)參數(shù)一般先根據(jù)設(shè)計(jì)要求選擇合適的切比雪夫低通原型濾波器，因?yàn)檩^之最大平坦型濾波器，切比雪夫?yàn)V波器有更優(yōu)異的帶外抑制，較之橢圓函數(shù)濾波器更易于實(shí)現(xiàn)。切比雪夫低通原型電原理圖如圖1所示。

圖1 低通原型原理圖

通過引入導(dǎo)納變換器，將低通原型變換為只有一種電抗元件的形式［1］，然后對(duì)其進(jìn)行歸一化和參數(shù)變換，轉(zhuǎn)化為圖2所示的帶通濾波器的形式。

圖2 理想帶通濾波器原理圖

其中，導(dǎo)納變換器的值可用下式表示:

式中，Bw為帶通濾波器相對(duì)帶寬，

式中，ω1和ω2是帶通濾波器的通帶的上下截止角頻率。

進(jìn)行模型仿真前，還需要得到以下3個(gè)參數(shù):①單端輸入最大群時(shí)延;② 諧振器間耦合系數(shù);③ 諧振腔的諧振頻率［2］。

濾波器模型的仿真分為2步:第一步要在HFSS中建立濾波器的三維微調(diào)諧模型;第二步就是進(jìn)行HFSS的模型仿真。在HFSS中建立濾波器腔體模型后，對(duì)其先后進(jìn)行單諧振器本征模仿真、雙諧振器本征模仿真和單端輸入最大群時(shí)延仿真，分別得到單諧振器諧振頻率、相鄰諧振器間耦合系數(shù)和單端輸入最大群時(shí)延等參數(shù)的仿真值。然后，利用仿真值去逼近對(duì)應(yīng)參數(shù)的理論值，得到最終的模型尺寸。

模型仿真結(jié)束后就可以按仿真尺寸對(duì)濾波器進(jìn)行機(jī)加工，最后經(jīng)過調(diào)諧，濾波器就可以達(dá)到使用要求了。

2 需要解決的問題

2.1 優(yōu)化計(jì)算，去除累計(jì)誤差

求取濾波器設(shè)計(jì)參數(shù)重要的是求取導(dǎo)納變換器的值，在從切比雪夫低通原型到只有一種電抗元件的低通原型的轉(zhuǎn)換過程中，通過對(duì)傳統(tǒng)的對(duì)偶電路［3，4］進(jìn)行分析而得到的如式(3)和式(4)所示的遞推形式:

然后通過下面的頻率變換公式(5)將低通濾波器變換成帶通的濾波器形式。

式中，w'1為原型低通濾波器的截止頻率;w'為原型低通濾波器的頻率軸;w0=是經(jīng)過頻率變換后的帶通濾波器通帶中心頻率。

經(jīng)過上面復(fù)雜的變換后，最終得到重要的導(dǎo)納變換器的值，它是求取空間耦合系數(shù)的基礎(chǔ)，如式(2)所示。然而，這一過程計(jì)算繁雜且極易出錯(cuò)，給濾波器的設(shè)計(jì)帶來了較大的難度，尤其是面對(duì)原理圖與公式的頻繁變換，讓許多設(shè)計(jì)者知難而退。

2.2 提高仿真精度

三維電磁場(chǎng)仿真軟件HFSS由于本身采用的是有限元數(shù)值算法，相對(duì)于矩量法和積分法來說，具有較高的仿真精度，但是由于設(shè)計(jì)者采用不合理的仿真方法，導(dǎo)致設(shè)計(jì)中存在仿真誤差。

對(duì)于諧振器間耦合系數(shù)的仿真，傳統(tǒng)的方法是建立孤立雙諧振器模型進(jìn)行諧振器之間耦合系數(shù)的仿真，根據(jù)仿真數(shù)據(jù)建立相鄰諧振器間耦合系數(shù)對(duì)應(yīng)孤立雙諧振器間距的曲線，再依據(jù)此曲線確定每個(gè)孤立雙諧振器之間的距離，最后將各個(gè)孤立雙諧振器單元進(jìn)行組合得到整個(gè)腔體濾波器模型，多諧振器組合后之間的相互影響，可能導(dǎo)致濾波器響應(yīng)的變壞，嚴(yán)重影響到濾波器仿真的精度。

2.3 簡(jiǎn)化調(diào)諧結(jié)構(gòu)

腔體濾波器的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中使用了大量的調(diào)諧螺釘，或在蓋板上安裝調(diào)諧螺釘，或在盒體側(cè)壁上安裝，與此同時(shí)還需要考慮相應(yīng)螺母的尺寸及調(diào)諧完成后如何固定螺母的問題。調(diào)諧螺釘?shù)氖褂脤?dǎo)致濾波器結(jié)構(gòu)復(fù)雜且體積龐大。

同時(shí)還存在一個(gè)更重要的問題，即濾波器調(diào)諧的好壞、快慢很大程度上依賴于調(diào)諧者的經(jīng)驗(yàn)與技術(shù)水平，且產(chǎn)品的一致性不是很好，這嚴(yán)重限制了腔體濾波器的批量生產(chǎn)。

3 關(guān)鍵技術(shù)

3.1 二端口網(wǎng)絡(luò)等效替換技術(shù)

二端口網(wǎng)絡(luò)等效替換技術(shù)是在從切比雪夫低通原型到只有一種電抗元件低通原型的變換過程中，摒棄利用對(duì)偶電路求取J值的方法，采用二端口網(wǎng)絡(luò)電路直接等效替換的方法將低通原型中的串聯(lián)電感變換成并聯(lián)電容［5，6］，低通原型中的電容值保持不變，經(jīng)過變換后的并聯(lián)電容值與低通原型中的串聯(lián)電感的電抗值保持一致，此時(shí)，并聯(lián)電容兩端加載導(dǎo)納變化器的二端口網(wǎng)絡(luò)的A矩陣參數(shù)與低通原型中的串聯(lián)電感的二端口網(wǎng)絡(luò)的A矩陣參數(shù)相等，而導(dǎo)納變化器的值也不再是復(fù)雜的遞推形式，其A矩陣系數(shù)是如式(6)所示的形式。

二端口網(wǎng)絡(luò)等效替換技術(shù)不僅優(yōu)化了導(dǎo)納變化器J值的計(jì)算過程，使之簡(jiǎn)潔準(zhǔn)確。更重要的是在此基礎(chǔ)上，可以直接對(duì)濾波器在原理圖上進(jìn)行參數(shù)變換，得到最終的參數(shù)而擺脫繁雜的頻率變換公式。

3.2 整體模型仿真技術(shù)

整體模型仿真技術(shù):首先建立濾波器整體模型，在整體模型的框架內(nèi)先對(duì)單諧振器本征模仿真求得每個(gè)諧振桿的尺寸與加載情況，再對(duì)雙諧振器本征模仿真求得相鄰諧振桿的間距。2種模式仿真都采用從中心諧振器單元到兩端諧振器單元的仿真順序。同時(shí)為了減小雙諧振器本征模仿真與單諧振器本征模仿真之間的相互影響，需要這2種仿真交替進(jìn)行幾次，直至2種模式仿真的相互影響比較細(xì)微時(shí)，最后再進(jìn)行單端輸入最大群時(shí)延的仿真。這樣從整體模型的能有效提高仿真的精確度;

3.3 微調(diào)諧技術(shù)

微調(diào)諧技術(shù)是在腔體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中摒棄了在諧振器與耦合窗口處使用調(diào)諧螺釘?shù)恼{(diào)諧結(jié)構(gòu)，而使用如圖3所示的微調(diào)諧腔體帶通濾波器的諧振腔結(jié)構(gòu)，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單且體積減半。

圖3 微調(diào)諧濾波器諧振腔結(jié)構(gòu)

諧振桿一端與地短路，一端開路，開路端加載一薄金屬片，金屬片呈現(xiàn)的是電容的特性，通過小幅度撥動(dòng)金屬片改變金屬片與金屬腔壁間的距離來實(shí)現(xiàn)濾波器的微調(diào)故而又稱金屬片為調(diào)諧電容片;輸入輸出端中間的過孔用于焊接穿墻玻璃絕緣子的探針，稱之為探針孔;諧振桿模擬的是并聯(lián)諧振電路。

4 仿真與性能測(cè)試結(jié)果分析

4.1 仿真

設(shè)計(jì)要求:中心頻率為4.7 GHz，通頻帶相對(duì)帶寬為16%，3.5 GHz和6 GHz處的抑制度達(dá)到30 dB，插入損耗小于1 dB。

首先根據(jù)帶外抑制度選擇5腔結(jié)構(gòu);再求取諧振器間耦合系數(shù)，單端輸入最大群時(shí)延和諧振腔的諧振頻率分別如下:k1，2=0.19937，k2，3=0.1421，τmax=0.5443，F(xiàn)0=4673.3，F(xiàn)0是W0對(duì)應(yīng)的頻率值。然后在HFSS中建立三維微調(diào)諧濾波器模型，之后通過下面3個(gè)步驟最終得到濾波器三維模型的尺寸:

①通過HFSS單諧振器本征模型仿真使單諧振器本征模頻率在F0附近，以此確定每個(gè)諧振桿的大小與加載情況。諧振桿長(zhǎng)度用L表示，則L2=L3=L4=12.75 mm，L1=L5=13.05 mm，諧振桿的截面邊長(zhǎng)為1.7 mm;

②通過HFSS雙諧振器本征模型仿真得到兩兩諧振桿間的距離尺寸，本征模仿真公式如下:

式中，f1和f2是雙諧振器本征模仿真時(shí)2種模的模值，用k'i，i+1去逼近式(1)中的Jn，步驟①與步驟②交替進(jìn)行，直至2種模式仿真間的相互影響可忽略不計(jì)。最終確定相鄰諧振桿間距用S表示，則:

③對(duì)單端輸入最大群時(shí)延進(jìn)行仿真，用仿真值去逼近最大群時(shí)延的理論值，最后確定玻璃絕緣子探針到諧振桿短路端的距離為6.72 mm。

以上過程，最終得到了濾波器的整體的三維模型及其具體尺寸。進(jìn)行S參數(shù)仿真得到圖4所示的曲線。

4.2 性能測(cè)試結(jié)果分析

應(yīng)用線切割工藝按模型尺寸加工并組裝得到濾波器實(shí)物。

圖4 濾波器實(shí)例S11、S21仿真曲線

通過調(diào)諧孔用大頭針撥動(dòng)電容片進(jìn)行微調(diào)，調(diào)諧后實(shí)際的 S11、S21參數(shù)曲線如圖5所示。

與圖5所示曲線相比，在頻率、平坦度和抑制度方面，一致性很好，濾波器達(dá)到設(shè)計(jì)要求。S11曲線偏高是由于輸入輸出端的加工誤差所致，且偏差在允許的范圍內(nèi)。以上所述充分說明通過技術(shù)改進(jìn)確實(shí)實(shí)現(xiàn)了精確微調(diào)諧腔體帶通濾波器的設(shè)計(jì)。

圖5 濾波器實(shí)例S11、S21測(cè)試曲線

5 結(jié)束語

綜上所述，通過優(yōu)化計(jì)算過程，采用整體模型仿真和新式微調(diào)諧結(jié)構(gòu)，提高了模型仿真的精確度，實(shí)現(xiàn)了免調(diào)諧螺釘?shù)那惑w帶通濾波器的微調(diào)諧設(shè)計(jì)。這種基于HFSS精確仿真的設(shè)計(jì)方法，對(duì)于腔體濾波器的設(shè)計(jì)從嚴(yán)重依賴于人的設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)與調(diào)諧經(jīng)驗(yàn)的現(xiàn)狀中走出，起著非常重要的引導(dǎo)與啟示作用。基于上述新的設(shè)計(jì)方法，隨著加工工藝水平的不斷提高，腔體帶通濾波器必將實(shí)現(xiàn)真正的免調(diào)諧。

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