一種L波段帶通腔體濾波器的仿真設(shè)計(jì)

薛 原，沈洪飛

(中國(guó)船舶集團(tuán)有限公司第八研究院，南京 211153)

0 引 言

微波濾波器廣泛應(yīng)用于微波電路中，是解決諧雜波、電磁兼容最重要的手段。目前，濾波器的設(shè)計(jì)方法比較成熟，一般基于巴特沃茲、契比雪夫和橢圓等函數(shù)。但是，在濾波器研制過(guò)程中仍然存在計(jì)算量大、參數(shù)優(yōu)化困難等問(wèn)題。從理論設(shè)計(jì)到實(shí)物實(shí)現(xiàn)過(guò)程中，由于邊界條件不同、加工精度不夠等問(wèn)題導(dǎo)致實(shí)際濾波器性能指標(biāo)難以達(dá)到設(shè)計(jì)指標(biāo)、成品率不高且延誤研制時(shí)間。

隨著計(jì)算機(jī)EDA技術(shù)的發(fā)展，可以用計(jì)算機(jī)設(shè)計(jì)手段取代大量的手工計(jì)算，可以用計(jì)算機(jī)仿真手段仿真濾波器可能達(dá)到的性能指標(biāo)；同時(shí)還可以根據(jù)目標(biāo)值優(yōu)化其中的設(shè)計(jì)參數(shù)，降低濾波器性能對(duì)于參數(shù)的敏感性。采用這種參數(shù)實(shí)現(xiàn)的濾波器性能指標(biāo)與設(shè)計(jì)指標(biāo)具有更好的一致性。

本文采用CoupleFil軟件進(jìn)行濾波器設(shè)計(jì)，采用高頻電磁仿真軟件HFSS仿真濾波器性能，設(shè)計(jì)了一款L波段腔體濾波器，最終較好地實(shí)現(xiàn)了濾波器性能指標(biāo)。

1 濾波器性能要求

根據(jù)某設(shè)備微波電路需求，需要設(shè)計(jì)一款L波段濾波器，其性能要求如下：

中心頻率：1.3 GHz

帶寬：200 MHz

帶內(nèi)起伏：≤0.2 dB

帶內(nèi)插損：≤0.5 dB

矩形系數(shù)：>2

輸入/出駐波：1.3

通過(guò)功率：100 W

帶外抑制：50 dB@600～1 000 MHz，50 dB@1 500～2 000 MHz

體積：<200 mm×50 mm×30 mm

濾波器的設(shè)計(jì)往往依據(jù)巴特沃茲、契比雪夫和橢圓等函數(shù)[1]，其中切比雪夫響應(yīng)雖然在通帶內(nèi)衰減的變化有起伏紋波，但可以得到相當(dāng)陡峭的帶外衰減特性，在腔體濾波器設(shè)計(jì)中得到廣泛的應(yīng)用。它的幅平方函數(shù)可以表示為[2]

(1)

2 濾波器計(jì)算機(jī)設(shè)計(jì)與仿真

分析上述濾波器指標(biāo)要求，具有承受功率大、插入損耗小的特點(diǎn)，為此選用腔體濾波器，再考慮到矩形系數(shù)高、帶外抑制高等要求，選用切比雪夫響應(yīng)函數(shù)。該函數(shù)響應(yīng)雖然在通帶內(nèi)衰減的變化有起伏紋波，但可以得到相當(dāng)陡峭的帶外衰減特性，在腔體濾波器設(shè)計(jì)中得到廣泛的應(yīng)用。

設(shè)計(jì)流程如下：

(1) 計(jì)算出相對(duì)帶寬；

(2) 查詢切比雪夫低通原型圖表，得到階數(shù)和傳導(dǎo)系數(shù)；

(3) 計(jì)算諧振腔頻率和耦合系數(shù)；

(4) 應(yīng)用高頻電磁仿真軟件HFSS進(jìn)行建模仿真。

本文使用CoupleFil軟件將前3個(gè)步驟進(jìn)行簡(jiǎn)化，直接計(jì)算出HFSS建模所需參數(shù)，隨后建模進(jìn)行場(chǎng)仿真。具體設(shè)計(jì)過(guò)程如下：

(1) 使用CoupleFil軟件計(jì)算諧振腔頻率和耦合系數(shù)，打開(kāi)軟件如圖1(a)所示，在Specification對(duì)話框中輸入中心頻率、帶寬、階數(shù)、回波損耗等參數(shù);

(2) 在structure中可以選擇濾波器的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，這里選擇直接耦合式，得到的諧振頻率和耦合系數(shù)在filter information對(duì)話框中，同時(shí)在Graph中可以看到濾波器S參數(shù);

(3) 根據(jù)S參數(shù)圖表中Marker值，可以調(diào)整濾波器的階數(shù)，根據(jù)系統(tǒng)軟件不斷優(yōu)化后選定濾波器階數(shù)為7階，帶外抑制值大于50 dB，滿足指標(biāo)需求。

軟件計(jì)算得到諧振腔諧振頻率和耦合系數(shù)，結(jié)果見(jiàn)圖1(b)。

圖1 CoupleFil計(jì)算示意圖

接下來(lái)使用HFSS建立模型進(jìn)行場(chǎng)仿真。首先仿真單諧振腔諧振頻率，在HFSS中進(jìn)行腔體建模，設(shè)置為本征模式[3]。通過(guò)調(diào)整諧振腔尺寸，使諧振頻率仿真結(jié)果與CoupleFil軟件中的計(jì)算值(1.29 GHz)吻合?？涨恢C振頻率要達(dá)到1.29 GHz，需要的腔體尺寸較大(170 mm×170 mm×116 mm)。在腔體內(nèi)加入諧振桿，引入電容加載可以縮小諧振腔體積同時(shí)提高遠(yuǎn)端抑制。仿真結(jié)果見(jiàn)圖2。引入電容加載后的諧振腔尺寸為36 mm×17 mm×20 mm，諧振頻率1.29 GHz。

將兩級(jí)腔體級(jí)聯(lián)起來(lái)仿真，調(diào)節(jié)合并后的腔體長(zhǎng)度以及諧振桿尺寸控制耦合系數(shù)，仿真得到的耦合系數(shù)見(jiàn)圖3。雙諧振腔仿真得到耦合系數(shù)為0.153，與CoupleFil軟件中的第1階和第2階的耦合系數(shù)計(jì)算結(jié)果吻合。每?jī)杉?jí)之間的耦合系數(shù)都應(yīng)符合圖1(b)的計(jì)算結(jié)果。

隨后將7個(gè)諧振腔級(jí)聯(lián)起來(lái)建立模型，輸入輸出接口為SMA形式。在建模時(shí)注意對(duì)稱階數(shù)的腔體使用同一參數(shù)，可以減少變量，提高參數(shù)優(yōu)化速度。優(yōu)化參數(shù)是各諧振桿長(zhǎng)度以及各諧振腔直接的距離。仿真

圖2 單腔仿真圖及結(jié)果

圖3 雙腔級(jí)聯(lián)仿真圖及結(jié)果

模型和仿真結(jié)果見(jiàn)圖4。最終得到的尺寸參數(shù)見(jiàn)表1。從圖4看到，通帶1.2～1.4 GHz，帶內(nèi)S11在-20 dB(駐波比1.2)以下，在1.1 GHz抑制-65 dB，在1.5 GHz抑制-51 dB，滿足指標(biāo)要求。

腔體濾波器的功率容量可以通過(guò)電場(chǎng)仿真估算，仿真如圖5所示。在輸入功率1 W的情況下可以看到濾波器中的最大場(chǎng)強(qiáng)58 260 V/m，一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)大氣壓下的擊穿場(chǎng)強(qiáng)2.28e6 V/m。腔體中的平均儲(chǔ)能跟最大場(chǎng)強(qiáng)平方成比例關(guān)系。腔體中的最大儲(chǔ)能與輸入功率成比例關(guān)系。因此，得到輸入的最大功率為

同時(shí)，考慮天線駐波一般為2，得到功率容量的修正公式：

圖4 腔體濾波器建模仿真

表1 仿真模型參數(shù)結(jié)果

圖5 腔體濾波器電場(chǎng)仿真

考慮設(shè)計(jì)余量0～6 dB，功率容量約215 W，完全滿足功率容量100 W的指標(biāo)要求。

3 測(cè)試實(shí)現(xiàn)及測(cè)試結(jié)果

根據(jù)仿真結(jié)果得到的腔體濾波器尺寸，完成CAD制圖加工，得到的腔體濾波器實(shí)物見(jiàn)圖6。在腔體內(nèi)引入調(diào)諧螺釘，通過(guò)調(diào)節(jié)螺釘旋入腔體的深度對(duì)腔體內(nèi)電磁場(chǎng)進(jìn)行微擾，用以微調(diào)濾波器性能。整個(gè)腔體濾波器的外形尺寸為168 mm×46 mm×27 mm。

圖6 腔體濾波器實(shí)物照片

用矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀測(cè)試腔體濾波器S參數(shù)。測(cè)試時(shí)不斷調(diào)整調(diào)諧螺釘?shù)纳疃龋⒄{(diào)濾波器的駐波和插損，最終的測(cè)試結(jié)果如圖7所示。仿真結(jié)果為1.2～1.4 GHz時(shí)插入損耗能夠做到優(yōu)于0.37 dB，帶外抑制在1 GHz處為-63 dB,在1.5 GHz處為-50 dB。實(shí)際測(cè)量結(jié)果為1.195～1.405 GHz時(shí)插入損耗能夠做到優(yōu)于0.23 dB，帶外抑制在1 GHz處為-65 dB、在1.5 GHz處為-51 dB。以上可得實(shí)際測(cè)量結(jié)果優(yōu)于仿真結(jié)果，各項(xiàng)指標(biāo)滿足設(shè)計(jì)要求。

圖7 實(shí)測(cè)曲線

4 結(jié)束語(yǔ)

隨著計(jì)算機(jī)EDA技術(shù)的發(fā)展，腔體濾波器的設(shè)計(jì)過(guò)程得到進(jìn)一步簡(jiǎn)化，設(shè)計(jì)速度得到極大提高。本文設(shè)計(jì)了一款L波段帶通腔體濾波器，介紹了軟件使用的詳細(xì)過(guò)程，具有以下特點(diǎn)：

(1) 根據(jù)指標(biāo)要求，通過(guò)CoupleFil軟件計(jì)算濾波器的諧振頻率和耦合系數(shù)，簡(jiǎn)化計(jì)算過(guò)程。

(2) 在HFSS建單腔仿真諧振頻率時(shí)，在空腔內(nèi)加入調(diào)諧桿，將腔體尺寸縮小至原尺寸1/5，實(shí)現(xiàn)濾波器小型化設(shè)計(jì)。

(3) 腔體濾波器在加工和裝配時(shí)的誤差會(huì)引起的頻率偏移，在腔體內(nèi)部加入若干調(diào)諧螺釘，調(diào)試時(shí)可以調(diào)整螺釘旋入深度對(duì)腔體內(nèi)電磁場(chǎng)進(jìn)行擾動(dòng)，從而微調(diào)濾波器指標(biāo)。

(4) 該濾波器應(yīng)用于大功率場(chǎng)合，通過(guò)電場(chǎng)仿真結(jié)果估算功率容量。

腔體帶通濾波器體積小，制作成本低，使用便利，性能指標(biāo)滿足系統(tǒng)要求。利用HFSS仿真工具設(shè)計(jì)腔體濾波器能大大縮短設(shè)計(jì)周期。HFSS的模型仿真結(jié)果能夠較好地與實(shí)際相符，對(duì)類似頻段的腔體濾波器設(shè)計(jì)具有借鑒意義。