同軸腔體窄帶帶通濾波器快速設(shè)計方法

張 強，張貞鵬，李 偉

（1.中國電子科技集團公司13所，石家莊050051；2.空軍駐石家莊地區(qū)軍事代表室，石家莊050051）

0 引 言

微波濾波器是雷達系統(tǒng)、衛(wèi)星通信系統(tǒng)、測量系統(tǒng)等必不可少的組成部分，一般被用來分開或整合不同頻段的信號［1］。隨著通信設(shè)備研制周期的縮短，對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。對于腔體濾波器來說，目前的設(shè)計方法都是使用仿真軟件對濾波器進行電磁仿真，然后再進行實物加工調(diào)試。由于三維電磁仿真計算量大，目前的硬件條件還不能支持快速的仿真設(shè)計，所以使得研制周期中的相當一部分時間花費在仿真計算中，影響了研制周期。

為了縮短同軸腔體濾波器的仿真時間，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)計方法，可以提高濾波器的設(shè)計速度。最后對該設(shè)計方法進行驗證，證明該方法的正確性。

1 設(shè)計方法理論分析

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。每個諧振桿代表一個諧振腔，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)計濾波器的過程中，重點設(shè)計單個諧振腔的諧振頻率、Q值以及各個諧振腔之間耦合量和邊緣諧振腔與外界的耦合。

諧振腔上的調(diào)諧螺釘用于調(diào)試濾波器的諧振頻率，因為該螺釘?shù)淖饔玫刃?個電容，所以也成為電容加載。螺釘深入的長短反映了電容加載的大小。在后續(xù)的設(shè)計過程中，將該螺釘?shù)拈L度放在二維仿真軟件（ADS）中進行優(yōu)化。所以快速設(shè)計方法的本質(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，使用集總元件對電容加載的量值進行優(yōu)化。

1.1 根據(jù)設(shè)計指標確定濾波器的初值

已知濾波器的中心頻率、帶寬、插入損耗、波紋、帶外抑制度等，通過原型濾波器查表可以計算濾波器節(jié)數(shù)、耦合常數(shù)、群時延、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算的方法相對麻煩，為了方便，可以將計算過程編入Excel中，如圖2所示。通過輸入已知參數(shù)，就可以很輕松地得到濾波器節(jié)數(shù)、耦合常數(shù)、群時延、單腔諧振頻率、單腔Q值等參數(shù)。

圖2 Excel計算初始值

1.2 確定單個諧振腔的結(jié)構(gòu)

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

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度和加載電容值的對應(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)的三維實現(xiàn)

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

1.3.1 相鄰腔體耦合系數(shù)確定

2個相同的腔體模型放在一起，如圖5所示。中間通過縫隙連接，使2個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個模式的諧振頻率，令其為fe；再設(shè)xz面為磁壁，算出第1個諧振頻率，令其為fm，于是2個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來表示的，在操作中，只需用群時延t1就可以了。t1可以從低通濾波器原型濾波器g值和相對帶寬Δω計算得出：

如圖6（a）所示，通過調(diào)整耦合圓盤伸入的長度和內(nèi)導(dǎo)體的高度，使群時延最大值位于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仿真軟件中進行整體建模，此時該濾波器除了具有輸入、輸出端口外，還應(yīng)該在每個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，并在對應(yīng)諧振腔的端口上加入對地耦合電容。優(yōu)化耦合電容可以得到需要的濾波器曲線。

對照1.2節(jié)中的數(shù)據(jù)可得到每個調(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)計實例

下面用一個設(shè)計實例來說明上面的設(shè)計過程。

2.1 設(shè)計指標

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)濾波器可以實現(xiàn)該參數(shù)，單腔諧振器Q值為3 000時，插入損耗為0.11dB，考慮上波動，可以滿足指標要求。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 群時延

2.3 端口和耦合系數(shù)的三維實現(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。因為使用的單腔參數(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2.2節(jié)可以得到第一諧振器的群時延14.872 8ns，所以對抽頭的高度進行調(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個集總電容代替，進行優(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 驗證

圖13 濾波器外形圖

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

3 結(jié)束語

本文提出了利用電路仿真軟件和3DEM（HFSS）進行聯(lián)合仿真同軸腔體濾波器的方法和步驟，然后通過一個六腔濾波器的設(shè)計具體說明了該設(shè)計方法。通過加工測試，可以得到設(shè)計的濾波器實測數(shù)據(jù)和設(shè)計要求比較吻合，這證明了該方法的有效性。

圖14 測試曲線

同時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，對濾波器的制作和設(shè)計具有很大的實用意義。

［1］Hunter C，Billonet L，Jarry B.Microwave filter applications and technology［J］.IEEE MTT－S International，2002，50（3）：794－805.

［2］Levy B.Theory of direct－coupled cavity filters［J］.IEEE Transactions on MTT，1967，15（2）：340－348

［3］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.

［4］郭碩鴻.電動力學(xué)［M］.北京：高等教育出版社，1997.