同轴腔体窄带带通滤波器快速设计方法

摘要：为了满足卫星用滤波器研制周期短、可靠性高的要求，提出了一种快速设计经典同轴腔体滤波器的方法。该方法通过原型滤波器查表可以计算滤波器节数、耦合常数、群时延、单腔谐振频率、单腔Q值等初始值；通过使用三维电磁（EM）仿真软件得到单腔调谐钉长度和加载电容值的对应关系、两个腔体间耦合系数及端口抽头高度等模型SnP参数；通过威廉希尔官方网站 仿真软件使用集总元件对电容加载的量值进行优化，极大地提高了仿真的速度。最后使用该协同仿真方法设计一同轴腔体滤波器，并对仿真结果进行了验证。

0 引 言

微波滤波器是雷达系统、卫星通信系统、测量系统等必不可少的组成部分，一般被用来分开或整合不同频段的信号［1］。随着通信设备研制周期的缩短，对于滤波器这种不能系列化生产的产品研制速度提出了很高要求。对于腔体滤波器来说，目前的设计方法都是使用仿真软件对滤波器进行电磁仿真，然后再进行实物加工调试。由于三维电磁仿真计算量大，目前的硬件条件还不能支持快速的仿真设计，所以使得研制周期中的相当一部分时间花费在仿真计算中，影响了研制周期。

为了缩短同轴腔体滤波器的仿真时间，本文提出了一种使用三维电磁仿真软件和威廉希尔官方网站 仿真软件结合使用的设计方法，可以提高滤波器的设计速度。最后对该设计方法进行验证，证明该方法的正确性。

1 设计方法理论分析

同轴腔体窄带带通滤波器的模型图如图1所示，它可以看做一系列谐振腔的组合。每个谐振杆代表一个谐振腔，谐振于滤波器的中心频率附近；谐振腔的谐振频率决定滤波器的中心频率，Q值影响滤波器的插入损耗［2］。耦合膜片控制相邻谐振腔的耦合量，端口处的探针决定滤波器与外界的耦合，耦合量决定滤波器的带宽。所以在设计滤波器的过程中，重点设计单个谐振腔的谐振频率、Q值以及各个谐振腔之间耦合量和边缘谐振腔与外界的耦合。

图1 仿真建模原理图

谐振腔上的调谐螺钉用于调试滤波器的谐振频率，因为该螺钉的作用等效为1个电容，所以也成为电容加载。螺钉深入的长短反映了电容加载的大小。在后续的设计过程中，将该螺钉的长度放在二维仿真软件（ADS）中进行优化。所以快速设计方法的本质就是将3D电磁（EM）软件中的模型S参数提取到威廉希尔官方网站 仿真软件中，使用集总元件对电容加载的量值进行优化。

1.1 根据设计指标确定滤波器的初值

已知滤波器的中心频率、带宽、插入损耗、波纹、带外抑制度等，通过原型滤波器查表可以计算滤波器节数、耦合常数、群时延、单腔谐振频率、单腔Q值［3－4］等：

式中：w1和w2为滤波器的通带边缘频率；Δw为滤波器的相对带宽；gi、gj为原型滤波器值；Kij为第i谐振腔和第j谐振腔之间的耦合系数；Qe为滤波器与外界的耦合系数。

考虑到使用查表和计算的方法相对麻烦，为了方便，可以将计算过程编入Excel中，如图2所示。通过输入已知参数，就可以很轻松地得到滤波器节数、耦合常数、群时延、单腔谐振频率、单腔Q值等参数。

图2 Excel计算初始值

1.2 确定单个谐振腔的结构

根据1.1中单腔谐振频率、单腔Q值以及对滤波器体积的要求，设计出单个谐振器的结构。通过3DEM仿真软件的本征膜方法可计算谐振腔的谐振频率和Q值，保证可实现最终的设计目标。

图3 CST软件仿真

根据图3的结构模型，在谐振腔的顶部加入集总参数电容，分别仿真谐振腔谐振频率。在相同谐振频率下得到螺钉长度和加载电容值的对应关系，如图4所示。

图4 电容加载威廉希尔官方网站 仿真

1.3 端口和耦合系数的三维实现

此部分是关键所在，主要使用CST软件强大的场计算功能、ADS软件的威廉希尔官方网站 计算和优化功能。

1.3.1 相邻腔体耦合系数确定

2个相同的腔体模型放在一起，如图5所示。中间通过缝隙连接，使2个腔体中的电磁能量可以交换，便构成了耦合。其中耦合分电耦合与磁耦合，即电容耦合与电感耦合。

图5中2个同轴腔体中间开缝，缝宽改变就可改变耦合系数。先设xz面（即缝所在的面）为电壁，用本征模解算器求出第1个模式的谐振频率，令其为fe；再设xz面为磁壁，算出第1个谐振频率，令其为fm，于是2个谐振腔之间的耦合系数K可由下式得出：

图5 相邻腔体耦合系数仿真

1.3.2 端口抽头高度的确定

边腔与外界的耦合是用K01和K45来表示的，在操作中，只需用群时延t1就可以了。t1可以从低通滤波器原型滤波器g值和相对带宽Δω计算得出：

如图6（a）所示，通过调整耦合圆盘伸入的长度和内导体的高度，使群时延最大值位于f0＝2GHz处，且其最大值与t1＝22.7ns相等，这样就可以确定抽头的高度，调好的群时延如图6所示。

1.4 整体模型仿真和优化

滤波器的全部主要参数已经得到，在3DEM仿真软件中进行整体建模，此时该滤波器除了具有输入、输出端口外，还应该在每个谐振腔的顶端加入端口，将仿真的SnP文件导出。

在威廉希尔官方网站 仿真软件ADS中建模，采用S参数仿真方法，使用从3DEM仿真软件中导出的SnP文件，并在对应谐振腔的端口上加入对地耦合电容。优化耦合电容可以得到需要的滤波器曲线。

对照1.2节中的数据可得到每个调谐螺钉的深度，从而得到三维仿真软件中的滤波器结构参数。

2 设计实例

下面用一个设计实例来说明上面的设计过程。

2.1 设计指标

工作频率：670～720MHz；1dB 带宽：≥50MHz；插损：≤1dB＠670～720MHz；驻波：≤1.5＠670～720MHz；带外抑制：≥40dBc＠DC～635MHz＆745～1 500MHz。

2.2 滤波器初始值

根据查表看出6节滤波器可以实现该参数，单腔谐振器Q值为3 000时，插入损耗为0.11dB，考虑上波动，可以满足指标要求。表1、表2及表3是原型滤波器值、耦合系数和插入损耗以及群时延的原始参数。

图6 抽头仿真

表1 原型滤波器值

表2 耦合系数和插入损耗

表3 群时延

2.3 端口和耦合系数的三维实现

图7 耦合系数K12和K23仿真模型

从上面的滤波器初始数据可以看出，K12＝K56，K23＝K45，所以需要仿真的耦合系数包括K12，K23，K34。仿真使用的模型如图7所示。因为使用的单腔参数为20mm×18mm×40mm，所以耦合系数K34的仿真模型和上面使用的模型不同，考虑到耦合的方向不同，所以使用的仿真模型如图8所示。

图8 耦合系数K34仿真模型

通过仿真可以看到：由K12＝K56＝0.056 18，可以得出1腔和2腔间的耦合缝隙宽度等于5腔和6腔间的耦合缝隙宽度，即w12＝w56＝11.7mm；同理由耦合系数K23＝K45＝0.042 34，可以得出w23＝w45＝9.5mm。

通过仿真可以看到：由耦合系数K34＝0.040 73，从而可以得出w34＝42.6mm。抽头结构的仿真使用图9所示的仿真模型，通过2.2节可以得到第一谐振器的群时延14.872 8ns，所以对抽头的高度进行调整，最后得到抽头高度为15mm。

2.4 整体仿真

使用上面仿真得到的数据进行整体建模，模型如图10所示。

图9 抽头仿真模型

图10 滤波器仿真结构

将三维电磁仿真软件（HFSS）仿真的S8P文件导出，在ADS中建立如图11所示的威廉希尔官方网站 结构图，在图中的SnP空间中导入S8P文件。将谐振腔中的电容加载效应使用6个集总电容代替，进行优化，得到滤波器的曲线如图12所示。在HFSS中得到的滤波器的主要物理尺寸如表4所示。

图11 ADS仿真原理

图12 ADS仿真结果

表4 滤波器主要尺寸

2.5 验证

图13 滤波器外形图

考虑到腔体滤波器长度要尽量小，且采用折叠的结构形式，如图13所示。经过调试后进行实物测试，得到滤波器的测试曲线如图14所示，可以看出滤波器满足设计要求。带内插入损耗为0.8dB，回波损耗小于18dB。

3 结束语

本文提出了利用威廉希尔官方网站 仿真软件和3DEM（HFSS）进行联合仿真同轴腔体滤波器的方法和步骤，然后通过一个六腔滤波器的设计具体说明了该设计方法。通过加工测试，可以得到设计的滤波器实测数据和设计要求比较吻合，这证明了该方法的有效性。

图14 测试曲线

同时使用该方法可以大大提高仿真同轴腔体滤波器的速度，缩短研制周期，对滤波器的制作和设计具有很大的实用意义。

审核编辑：汤梓红