基于HFSS的微調諧腔體帶通濾波器設計

曲永志，李德志，馬延爽

(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

傳統的微波腔體帶通濾波器的設計過程中，參數計算量大，仿真存在誤差，調諧過程耗時費力。隨著腔體帶通濾波器在微波通信設備中的廣泛應用，其設計方法有待改進。

通過設計參數求取方法的改進和對原理圖的完善補充以及采用合理的仿真過程，確保了濾波器設計的精確度。在此基礎上，摒棄傳統的用調諧螺釘調諧的方式，采用微調諧結構的腔體來實現濾波器的微調諧，配合線切割加工工藝，最終實現腔體帶通濾波器的精確微調諧設計，一定的相對帶寬條件下，可實現免調諧設計。

1 總體設計

微波腔體帶通濾波器的設計過程大體分為3步:①按設計要求求取設計參數;② 進行濾波器模型的仿真;③進行濾波器的調諧。

求取設計參數一般先根據設計要求選擇合適的切比雪夫低通原型濾波器，因為較之最大平坦型濾波器，切比雪夫濾波器有更優異的帶外抑制，較之橢圓函數濾波器更易于實現。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］，然后對其進行歸一化和參數變換，轉化為圖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，導納變換器的值可用下式表示:

式中，Bw為帶通濾波器相對帶寬，

式中，ω1和ω2是帶通濾波器的通帶的上下截止角頻率。

進行模型仿真前，還需要得到以下3個參數:①單端輸入最大群時延;② 諧振器間耦合系數;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諧模型;第二步就是進行HFSS的模型仿真。在HFSS中建立濾波器腔體模型后，對其先后進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和單端輸入最大群時延等參數的仿真值。然后，利用仿真值去逼近對應參數的理論值，得到最終的模型尺寸。

模型仿真結束后就可以按仿真尺寸對濾波器進行機加工，最后經過調諧，濾波器就可以達到使用要求了。

2 需要解決的問題

2.1 優化計算，去除累計誤差

求取濾波器設計參數重要的是求取導納變換器的值，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換過程中，通過對傳統的對偶電路［3，4］進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=是經過頻率變換后的帶通濾波器通帶中心頻率。

經過上面復雜的變換后，最終得到重要的導納變換器的值，它是求取空間耦合系數的基礎，如式(2)所示。然而，這一過程計算繁雜且極易出錯，給濾波器的設計帶來了較大的難度，尤其是面對原理圖與公式的頻繁變換，讓許多設計者知難而退。

2.2 提高仿真精度

三維電磁場仿真軟件HFSS由于本身采用的是有限元數值算法，相對于矩量法和積分法來說，具有較高的仿真精度，但是由于設計者采用不合理的仿真方法，導致設計中存在仿真誤差。

對于諧振器間耦合系數的仿真，傳統的方法是建立孤立雙諧振器模型進行諧振器之間耦合系數的仿真，根據仿真數據建立相鄰諧振器間耦合系數對應孤立雙諧振器間距的曲線，再依據此曲線確定每個孤立雙諧振器之間的距離，最后將各個孤立雙諧振器單元進行組合得到整個腔體濾波器模型，多諧振器組合后之間的相互影響，可能導致濾波器響應的變壞，嚴重影響到濾波器仿真的精度。

2.3 簡化調諧結構

腔體濾波器的結構設計中使用了大量的調諧螺釘，或在蓋板上安裝調諧螺釘，或在盒體側壁上安裝，與此同時還需要考慮相應螺母的尺寸及調諧完成后如何固定螺母的問題。調諧螺釘的使用導致濾波器結構復雜且體積龐大。

同時還存在一個更重要的問題，即濾波器調諧的好壞、快慢很大程度上依賴于調諧者的經驗與技術水平，且產品的一致性不是很好，這嚴重限制了腔體濾波器的批量生產。

3 關鍵技術

3.1 二端口網絡等效替換技術

二端口網絡等效替換技術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，摒棄利用對偶電路求取J值的方法，采用二端口網絡電路直接等效替換的方法將低通原型中的串聯電感變換成并聯電容［5，6］，低通原型中的電容值保持不變，經過變換后的并聯電容值與低通原型中的串聯電感的電抗值保持一致，此時，并聯電容兩端加載導納變化器的二端口網絡的A矩陣參數與低通原型中的串聯電感的二端口網絡的A矩陣參數相等，而導納變化器的值也不再是復雜的遞推形式，其A矩陣系數是如式(6)所示的形式。

二端口網絡等效替換技術不僅優化了導納變化器J值的計算過程，使之簡潔準確。更重要的是在此基礎上，可以直接對濾波器在原理圖上進行參數變換，得到最終的參數而擺脫繁雜的頻率變換公式。

3.2 整體模型仿真技術

整體模型仿真技術:首先建立濾波器整體模型，在整體模型的框架內先對單諧振器本征模仿真求得每個諧振桿的尺寸與加載情況，再對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種仿真交替進行幾次，直至2種模式仿真的相互影響比較細微時，最后再進行單端輸入最大群時延的仿真。這樣從整體模型的能有效提高仿真的精確度;

3.3 微調諧技術

微調諧技術是在腔體結構設計中摒棄了在諧振器與耦合窗口處使用調諧螺釘的調諧結構，而使用如圖3所示的微調諧腔體帶通濾波器的諧振腔結構，結構簡單且體積減半。

圖3 微調諧濾波器諧振腔結構

諧振桿一端與地短路，一端開路，開路端加載一薄金屬片，金屬片呈現的是電容的特性，通過小幅度撥動金屬片改變金屬片與金屬腔壁間的距離來實現濾波器的微調故而又稱金屬片為調諧電容片;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諧振電路。

4 仿真與性能測試結果分析

4.1 仿真

設計要求:中心頻率為4.7 GHz，通頻帶相對帶寬為16%，3.5 GHz和6 GHz處的抑制度達到30 dB，插入損耗小于1 dB。

首先根據帶外抑制度選擇5腔結構;再求取諧振器間耦合系數，單端輸入最大群時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，F0=4673.3，F0是W0對應的頻率值。然后在HFSS中建立三維微調諧濾波器模型，之后通過下面3個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，以此確定每個諧振桿的大小與加載情況。諧振桿長度用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交替進行，直至2種模式仿真間的相互影響可忽略不計。最終確定相鄰諧振桿間距用S表示，則:

③對單端輸入最大群時延進行仿真，用仿真值去逼近最大群時延的理論值，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。進行S參數仿真得到圖4所示的曲線。

4.2 性能測試結果分析

應用線切割工藝按模型尺寸加工并組裝得到濾波器實物。

圖4 濾波器實例S11、S21仿真曲線

通過調諧孔用大頭針撥動電容片進行微調，調諧后實際的 S11、S21參數曲線如圖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，濾波器達到設計要求。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。以上所述充分說明通過技術改進確實實現了精確微調諧腔體帶通濾波器的設計。

圖5 濾波器實例S11、S21測試曲線

5 結束語

綜上所述，通過優化計算過程，采用整體模型仿真和新式微調諧結構，提高了模型仿真的精確度，實現了免調諧螺釘的腔體帶通濾波器的微調諧設計。這種基于HFSS精確仿真的設計方法，對于腔體濾波器的設計從嚴重依賴于人的設計經驗與調諧經驗的現狀中走出，起著非常重要的引導與啟示作用?；谏鲜鲂碌脑O計方法，隨著加工工藝水平的不斷提高，腔體帶通濾波器必將實現真正的免調諧。

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