一種恒定帶寬可調濾波器的設計

賈建蕊，馬延爽，張英

（1.中國電子科技集團公司第五十四研究所，河北 石家莊 050081；2.石家莊陸軍指揮學院，河北 石家莊 050084）

一種恒定帶寬可調濾波器的設計

賈建蕊1，馬延爽1，張英2

（1.中國電子科技集團公司第五十四研究所，河北 石家莊 050081；2.石家莊陸軍指揮學院，河北 石家莊 050084）

針對可調濾波器設計中存在的問題，分析了可調濾波器的設計及變頻原理，提出了一種全新的設計方法——耦合帶寬法。詳細論述了應用Designer進行原理仿真、以耦合帶寬法為基礎應用三維電磁場仿真軟件HFSS整體驗證的過程；用HFSS仿真了一個C波段λ/2同軸腔可調帶通濾波器，給出了9個頻點的幅頻特性。仿真結果表明，在整個調諧頻段內該濾波器的帶寬幾乎不變，駐波、抑制度和插入損耗等指標穩定良好。

恒定帶寬；可調濾波器；變頻；耦合帶寬

0 引言

當前，由于抗干擾以及提高系統靈敏度的要求，在射頻前端使用可變中心頻率的濾波器已勢在必行。由于系統信號的工作帶寬是固定不變的，因此要求濾波器在整個工作頻段內的任意頻率點上，其絕對帶寬不變，插入損耗、駐波和抑制度等指標都要保持良好。而目前，濾波器的設計情況是，腔體形式的帶通濾波器的仿真設計已經日趨完美與精準，甚至達到了免調諧的精度［1，2］（相對帶寬約5～10%或以上）。但其技術僅限于固定中心頻率的濾波器，當要求中心頻率在一定范圍內變化時，即只改變每個諧振器的固有（諧振）頻率時，它的等波紋波動及其帶寬就會惡化。因此，腔體形式的可調諧濾波器設計亟待改進。

本文提供了一種新的設計方法——耦合帶寬法，該方法結合三維電磁場仿真，可準確設計高性能的可調諧腔體濾波器，提高設計效率，降低研發和調試成本。這里以4.3～5.1 GHz頻段的可調濾波器為例詳細論述了整個設計過程。

1 可調濾波器原理分析

眾所周知，帶通濾波器設計的三要素為：

①諧振器諧振頻率；

②諧振器之間耦合系數Jij；

③輸入端口耦合最大群時延Tmax或相位差ΔΦ。

對于可變頻率濾波器的設計，第1個要素較容易實現，只要改變諧振桿長度或在諧振腔中插入干擾金屬桿即可改變諧振器諧振頻率；第2個要素則是要在相鄰諧振腔之間找到適合整個調諧頻段的耦合結構；第3個要素是要在濾波器輸入、輸出2個端口找到適合整個調諧頻段的輸入、輸出結構。第2個要素和第3個要素合并定義為“耦合帶寬”Bwij，要求它在頻段內任意頻點處為一常數。在可變頻率濾波器的原理圖設計中，可以得到2個重要的目標參數：諧振器之間耦合系數Jij和端口群時延Tmax［3］。

可變頻率濾波器的物理結構設計是基于電磁場計算軟件HFSS，對第2和第3要素的2組變量進行大量的仿真計算，最終找到最佳的耦合窗口尺寸，最佳輸入輸出耦合群時延，使濾波器在整個工作頻段內的任意頻點，絕對帶寬不變、帶內駐波保持優良，帶外抑制度保持一致。

必須說明的是，由于理論上還不能確定滿足要素值的物理結構的“存在”性與是否“唯一”性，因此只能用仿真計算法，優化數據結果進行篩選。

2 原理圖設計

下面以可調濾波器指標為例，驗證整個設計過程。

·工作頻率：4.3～5.1 GHz；

·信號帶寬：40 MHz±0.5 MHz；

·中心插損：≤1 dB；

·帶外抑制：≥90 dB（f0±100 MHz）；

·帶內駐波：≤1.3。

以DESIGNER軟件為原理圖設計基礎，以六腔濾波器的設計為例，得到濾波器的原理圖［4］，如圖1所示。

濾波器的設計步驟如下：

①利用網絡綜合法得到歸一化的低通原型濾波器，并進行頻率、阻抗反歸一化，得到低通濾波器原理圖［5］；

②由低通到帶通的頻率變換公式，將低通電路圖變為帶通濾波器原理圖；

③確定帶通濾波器的輸入原始變量為：中心頻率f0、駐波帶寬Bw以及諧振器無載Q0；

④從原理圖導出耦合系數Jij和帶寬系數Bwij，作為耦合結構仿真理論值：

⑤由原理圖仿真或公式計算得端口最大群時延Tmax，作為射頻端口結構仿真的理論值。

3 可調濾波器的三維結構仿真

以帶通濾波器的原理圖為基礎，可以提取“三要素”：中心頻率f0、耦合參數Jij和端口參數Tmax。

但是，由于中心頻率f0連續可變，導致耦合參數跟隨變化，有必要定義新的“耦合帶寬”Bij：

當濾波器的駐波帶寬Bw一定時，各個耦合帶寬Bij便成為確定的常數。在三要素結構仿真時，Bij成為各個變量優化目標真值。

需要說明的是，在全頻段內端口參數Tmax本身就是常數。這樣，可變濾波器的仿真過程實際上就是在f0任意變化時，通過結構模型中的各個變量的數據處理來“擬合”2個常數真值的過程。

3.1 諧振器的方案選擇

設外腔（copper表面粗糙度1.6）直徑21.6 mm，內導體直徑6 mm，內導體調諧部分直徑Ф5.4，頂端圓角R0.2，分別對λ/4同軸腔、λ/2同軸腔、λ3/4同軸腔3種諧振器進行Q值［6］仿真。3種諧振器其他結構值如表1所示，其中腔體高H、內導體高h1（不包括調諧伸縮部分）、調諧長度h2和調諧頻率范圍都是4.3～5.1 GHz。

表1 3種諧振腔結構值

對λ/4、λ/2、λ3/4三種同軸諧振腔，分別在3個頻率點做了Q值仿真，仿真結果如表2所示。

表2 3種諧振腔Q值仿真結果

從仿真數據來看，雖然λ/4諧振腔在體積上有很大優勢，但Q值卻是最低的；λ/2諧振腔體積比λ/4諧振腔增大1倍，但其Q值是最大的；λ3/4諧振腔體積增大到3倍，Q值比λ/2諧振腔小。從體積和Q值綜合來考慮，λ/2諧振腔是最佳方案。

3.2 諧振腔間的耦合仿真

采用λ/2同軸諧振腔，仿真相鄰腔間的耦合。相鄰腔間的耦合結構剖面圖如圖2所示，諧振腔腔體、內導體都是圓柱形，相鄰腔壁厚0．5mm，耦合孔為位于相鄰壁正中間的矩形孔。

圖2 相鄰腔之間耦合結構剖面

需要說明的是，λ/2同軸諧振腔內導體是懸在腔體中央的，與外導體是開路狀態，由圖2可以看到腔體的結構，實際實現時，內導體需要非金屬介質支撐，且其調諧螺桿也要是非金屬的。內導體和調諧部分需要良好的短路銜接。

耦合系數仿真公式［7］為：

式中，f1、f2分別諧振腔中的第1次、第2次模式的諧波頻率。

在HFSS仿真中，絕對帶寬為：

諧振頻率為：

定義耦合系數理論值與耦合系數仿真值之差的絕對值為K，即

將式（3）和式（4）代入式（5）式得：

在整個調諧頻段內，K作為頻率的函數，如果能恒等于0，即耦合帶寬恒定等于絕對帶寬時，仿真值與理論值完全吻合，理論上該耦合結構是存在的，但是在實際設計當中，只能無限接近；當K＜10－4，即帶寬系數非常接絕對帶寬時，根據濾波器設計經驗，已經能夠滿足設計指標。

腔間耦合仿真模型數據為：一二腔、二三腔、三四腔內導體之間的距離分別為20.746 mm、21.036mm、21.071 mm，耦合孔高分別為8.12 mm、 8.00 mm、8.00 mm。在4.3～5.1 GHz的K值仿真結果如圖3所示。

圖3 K值仿真結果

由圖3可知，在整個調諧頻段內，各相鄰諧振腔間的仿真K值都小于2×10－5，認為在整個頻段內耦合結構能夠滿足調諧需要，實現4.3～5.1 GHz頻段的可調濾波器。

3.3 輸入端口耦合結構仿真

根據λ/2同軸諧振腔的電磁場分布，選擇類似K型的探針作為輸入輸出結構，該結構是根據經驗針對λ/2同軸諧振腔的電磁場分布設計的。輸入、輸出耦合結構仿真示意圖如圖4所示，2個諧振腔，第1個腔作為輸入腔，探針結構如圖4所示，第2腔內導體上下端與腔體短路，該結構的電磁場分布比較接近整個濾波器模型的電磁場結構。對該模型進行激勵仿真，可得該諧振腔的Q值。

式中，Tmax為單端輸入時，諧振腔的群時延最大峰值。

圖4 輸入輸出耦合結構

定義仿真值與理論值之差的絕對值為Q0：

當Q0=0時，仿真值與理論值完全吻合，同樣，當Q0≤10－4時能夠滿足設計需要。

對Q0做了11個頻率點的仿真，仿真結果如表3所示。

表3 Q0仿真結果

表3的仿真結果表明，該輸入輸出結構能夠滿足4.3～5.1 GHz頻段的調諧需要。

3.4 整體濾波器的仿真結果

根據濾波器的對稱性［9］，把輸入、輸出與腔間耦合結構進行整合，得到整個六腔濾波器模型［10］，濾波器整體結構圖如圖5所示。

圖5 濾波器整體結構

對濾波器進行激勵仿真可以得到不同頻率點的幅頻特性。在整個調諧頻段做了9個頻點的仿真，幅頻特性圖如圖6所示。

圖6 可調濾波器幅頻特性

9個幅頻特性曲線的抑制度、插入損耗以及駐波都能滿足上述的技術指標要求，幅頻特性沒有出現惡化。下面對各個頻點的絕對帶寬Δf加以比較，具體數據如表4所示。

表4 Δf仿真結果

由表4可知，在4.3～5.1 GHz整個調諧頻段，最大絕對帶寬40.2 MHz與最小絕對帶寬39.7 MHz相差僅0.5 MHz。在目前的抗干擾系統中，設計的可調濾波器的精度能極好地滿足系統需要。

4 結束語

耦合帶寬法理論與仿真相結合，能夠更加直觀地仿真可調濾波器的耦合結構，使整個設計過程更加精確，該仿真模型的提出為恒定帶寬可調濾波器的研究提出了新思路。耦合帶寬法同樣適用于其他頻段以及其他結構形式的可調濾波器的設計，具有廣泛的應用價值。

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Design of a Tunable Filter with Constant Bandwidth

JIA Jianrui1，MA Yanshuang1，ZHANG Ying2
（1.The 54th Research Institute of CETC，Shijiazhuang Hebei 050081，China；2.Army Command Academy，Shijiazhuang Hebei 050084，China）

Based on the problems in tunable filter design，the design andfrequency conversion theory of tunable filter are analyzed，and a novel design based on coupled bandwidth is presented.The design process is discussed in detail，including the simulation by Designer and the overall verification by HFSS based on coupled bandwidth.Aλ/2 coaxial tunable filter is simulated by HFSS and the amplitudefrequency characteristics of the tunable bandpass filter in Cband are presented，which show that the bandwidth in the whole tunable band is nearly constant，and the VSWR，suppression and insertion loss are consistentwith theoretical calculation.

constant bandwidth；tunable filter；frequency conversion；coup led bandwidth

TN713

A

1003－3106（2015）09－0045－04

10.3969/j.issn.1003－3106.2015.09.12

賈建蕊，馬延爽，張英.一種恒定帶寬可調濾波器的設計［J］.無線電工程，2015，45（9）：45－48.

賈建蕊女，（1981—），碩士，工程師。主要研究方向：微波散射通信。

2015-05-26

國家科技重大專項基金資助（2014ZX03006－003）；自然科學基金資助項目（61071104）。

馬延爽男，（1956—），高級工程師。主要研究方向：微波散射通信。