一種小型化K波段腔體濾波器設(shè)計(jì)

孫書良，高景濤

(1.中國(guó)電子科技集團(tuán)公司第五十四研究所，河北 石家莊 050081；2.中國(guó)人民解放軍31401部隊(duì)，遼寧 大連 116021)

0 引言

濾波器在微波毫米波通信系統(tǒng)中應(yīng)用廣泛，其性能直接影響通信系統(tǒng)信號(hào)質(zhì)量，以往設(shè)備采用機(jī)箱形式，空間足夠，帶外指標(biāo)要求不是很高，容易實(shí)現(xiàn)。現(xiàn)代通信設(shè)備集成度高，要求整個(gè)K波段上變頻器采用PXI板卡結(jié)構(gòu)，占用1個(gè)槽位，空間有限，而且?guī)庖种浦笜?biāo)較以往設(shè)備有很大提高，對(duì)濾波器的性能以及尺寸提出了很嚴(yán)格的要求。星間鏈路采用K頻段通信，收發(fā)同頻分時(shí)工作，所以設(shè)計(jì)一款K波段濾波器可以同時(shí)應(yīng)用于收發(fā)鏈路。

HFSS是ANSOFT 公司開發(fā)的一個(gè)基于物理原型的EDA 設(shè)計(jì)軟件。使用HFSS 建立結(jié)構(gòu)模型進(jìn)行3D 全波場(chǎng)分析，可以計(jì)算端口特征阻抗和傳輸常數(shù)參數(shù)；相應(yīng)端口阻抗的歸一化S參數(shù)；結(jié)構(gòu)的本征模或諧振解。依靠其對(duì)電磁場(chǎng)精確分析的性能，使用戶能夠方便快速地建立產(chǎn)品虛擬樣機(jī)，以便在物理樣機(jī)制造之前，準(zhǔn)確有效地把握產(chǎn)品特性，被廣泛應(yīng)用于濾波器設(shè)計(jì)當(dāng)中。

1 濾波器設(shè)計(jì)

K波段濾波器[1]設(shè)計(jì)指標(biāo)如下：

① 中心頻率：22.587 84 GHz；② 帶寬200 MHz；③ 對(duì)f0±1 GHz信號(hào)抑制：≥80 dB；④ 駐波：≤1.3∶1；⑤ 插損：≤2.5 dB。

腔間耦合系數(shù)ki，i+1的理論值為：

式中，W為帶通濾波器的相對(duì)帶寬；gigi+1為歸一化的低通元件值(i= 1，2，3，…，n)；ki，i+1需要通過HFSS仿真，得到合適的結(jié)構(gòu)形狀和尺寸，計(jì)算公式為：

式中，f1，f2為雙腔本征模仿真時(shí)2 種模式的頻率值(設(shè)定f2>f1)。

根據(jù)以上技術(shù)指標(biāo)要求，通過計(jì)算確定濾波器設(shè)計(jì)參數(shù)如下：

① 濾波器諧振桿數(shù)：5；

② Q值：2 600；

③ 耦合系數(shù)[2]：

k1，2= 0.011 492 857 51，

k2，3= 0.008 443 308 749，

k3，4= 0.008 443 308 749，

k4，5= 0.011 492 857 51，

External Q：73.27；

④ 回波損耗[3-5]：20 dB。

2 應(yīng)用HFSS設(shè)計(jì)腔體濾波器

用HFSS 設(shè)計(jì)腔體濾波器一般分為以下步驟：

① 通過HFSS 單腔模型仿真來(lái)確定諧振腔頻率及Q值；

② 通過HFSS兩腔模型本征模仿真確定腔間耦合結(jié)構(gòu)的形狀和尺寸滿足耦合系數(shù)要求；

③ 通過HFSS單腔加激勵(lì)端口確定輸入輸出耦合的形式和大小，以滿足外界Q值。

2.1 確定諧振腔及諧振桿的基本尺寸

在HFSS軟件中建立諧振腔模型如圖1所示。

圖1 諧振腔仿真模型Fig.1 Cavity simulation model

諧振腔尺寸如下：

① 諧振腔長(zhǎng)：6.5 mm；② 諧振腔寬：6.5 mm；③ 諧振腔高：4 mm；④ 調(diào)諧螺桿直徑：1.6 mm；⑤ 調(diào)諧螺桿下沉深度[6]：2 mm。

通過仿真得出以下結(jié)果：

① 諧振頻率：22.210 9 GHz；② Q值：3 078.52。

從以上仿真結(jié)果可以看出，該設(shè)計(jì)滿足指標(biāo)要求。

2.2 確定耦合系數(shù)

建立耦合系數(shù)仿真模型[7-10]如圖2所示。

圖2 耦合系數(shù)仿真模型Fig.2 Coupling coefficient simulation model

設(shè)置槽長(zhǎng)：2.4 mm，槽寬從3～4 mm步進(jìn)0.5 mm進(jìn)行方向系數(shù)掃描，得到的結(jié)果如圖3所示。

圖3 K值仿真結(jié)果Fig.3 K value simulation results

由以上仿真結(jié)果，確定腔1～腔2之間槽寬3.8 mm，腔2～腔3之間的槽寬3.5 mm，頻率調(diào)諧螺桿下沉1.93 mm，耦合度調(diào)節(jié)螺桿下沉2 mm。

2.3 External Q值仿真

External Q值仿真模型如圖4所示。

圖4 External Q值仿真模型Fig.4 External Q value simulation model

GD11=4*Q(External Q)/(2*3.141 5*F0(GHz))

設(shè)置抽頭長(zhǎng)度ZL為變量，在0.3～1 mm進(jìn)行參數(shù)掃描，步進(jìn)0.1 mm，得到仿真結(jié)果如圖5所示。

圖5 External Q值仿真結(jié)果Fig.5 External Q value simulation results

從仿真結(jié)果中可以確定ZL取值1 mm。

3 濾波器加工與調(diào)試

通過以上計(jì)算，形成濾波器的尺寸為48 mm×14.5 mm×7 mm，接頭采用玻珠形式，這樣既可以在板卡內(nèi)部與其他電路焊接集成又方便調(diào)試與測(cè)試。調(diào)試過程為：先調(diào)節(jié)第1，5諧振腔的調(diào)諧螺桿，調(diào)出S11/S22特性曲線，然后調(diào)節(jié)第2，4，3諧振腔調(diào)諧螺桿，調(diào)出S21特性曲線，最后調(diào)節(jié)耦合度調(diào)節(jié)螺栓用于調(diào)試帶寬及優(yōu)化各特性曲線。調(diào)試完成的濾波器，測(cè)試性能曲線如圖6所示，實(shí)物如圖7所示。

圖6 測(cè)試結(jié)果Fig.6 Test result

圖7 實(shí)物Fig.7 Real device

由圖6可以看出，該濾波器的損耗較設(shè)計(jì)結(jié)果偏大(不影響工程應(yīng)用)，駐波及帶外抑制等指標(biāo)合格。經(jīng)分析，造成插入損耗較大的原因可能有以下幾點(diǎn)：① 加工精度誤差；② 腔體表面平整度不夠[1]；③ 腔體內(nèi)部光潔度不夠；④ 接頭損耗；⑤ 軟件計(jì)算誤差。

4 調(diào)試過程中發(fā)現(xiàn)的問題及改進(jìn)措施

在進(jìn)行抽頭焊接的過程中發(fā)現(xiàn)，原來(lái)在盒底部開的用于固定豎針的2 mm的口相對(duì)于0.38 mm豎針來(lái)說尺寸過大，導(dǎo)致焊接難度相當(dāng)大，改進(jìn)措施是將2 mm直接改為1 mm。

在濾波器調(diào)試完畢點(diǎn)膠與調(diào)節(jié)螺桿裁剪的過程中發(fā)現(xiàn)，點(diǎn)膠不宜過多，否則會(huì)導(dǎo)致形變及濾波器特性改變；裁剪調(diào)諧螺桿同樣會(huì)導(dǎo)致濾波器特性改變，通過加工合適長(zhǎng)度尺寸的調(diào)諧螺桿，避免對(duì)調(diào)諧螺桿的裁剪，解決該問題。

5 結(jié)束語(yǔ)

濾波器的應(yīng)用能夠改善微波通信系統(tǒng)信號(hào)質(zhì)量，腔體濾波器因?yàn)榫哂懈逹值特性，所以在微波、毫米波領(lǐng)域應(yīng)用非常廣泛。針對(duì)星間鏈路設(shè)計(jì)的腔體濾波器，以其體積小，帶外抑制高，能夠同時(shí)應(yīng)用于收發(fā)鏈路，對(duì)于工程有著非常實(shí)用價(jià)值。