一種基于協同仿真C頻段大功率帶通濾波器設計

韓來輝

(中國電子科技集團公司第二十七研究所，河南 鄭州 450047)

0 引言

隨著我國綜合國力的增加和科技水平的不斷進步[1-3]，微波技術也的到了快速地發展，大功率容量微波濾波器作為微波工程的重要組成部分，在保證發射機輸出頻譜純度上發揮著重要的作用[4-5]，大功率濾波器不僅使發射機載波低損耗通過，同時抑制發射機寄生輸出的干擾。大功率濾波器設計與其他濾波器又有所不同，矩形波導因其傳輸功率容量大常常作為大功率濾波器的傳輸介質，通帶的插入損耗和回波損耗指標要求高，否則容易引起發射機功率下降、傳輸介質發熱和系統性能變壞等問題。在滿足以上要求的同時，阻帶抑制度的高低體現了濾波器的價值。因此研制具有高傳輸功率、低傳輸損耗、低回波損耗以及高阻帶抑制的大功率濾波器成為發射機研制的關鍵技術之一[6-7]。大功率容量微波濾波器在航天測控、衛星通信、雷達以及電子對抗等系統中都有著廣泛的應用[8-10]。如何快速、準確、高效地設計滿足要求的濾波器對工程師提出了更高的要求。濾波器傳統設計方法需要大量理論計算和繁瑣的調試過程，本文介紹了一種場路協同設計濾波器的方法，并基于此方法研制了一種C頻段大功率波導帶通濾波器。

1 設計原理及傳統設計方法

低通原型濾波器作為設計微波濾波器的基礎，它是由集總參數原件組成的二端口網絡。常見的低通濾波器原型主要有最平坦型(巴特沃爾斯Butterworth型)、等波紋型(切比雪夫Tchebyscheff型)以及橢圓函數型(考爾Cauer型)等[11-12]。根據選擇的低通原型濾波器類型采用現代網絡綜合的方法，通過頻率變換將各種特性濾波器(低通、高通、帶通、帶阻)轉化為低通原型濾波器，經過綜合設計獲得低通原型濾波器的歸一化元件值再次通過頻率變換求出實際所需特性濾波器的歸一化元件數值，最后反歸一化求出真實的元件數值，集總元件原型電路中各元件用微波結構來實現。

濾波器設計首先根據濾波器的主要技術指標如通帶損耗、阻帶的抑制度等，選擇低通濾波器的原型，然后通過計算或者查表確定濾波器的階數N，根據所選低通濾波器原型可計算濾波器的階數N如下：

① 最平坦型濾波器階數N：

(1)

式中，LAs為歸一化截止頻率Ωs時濾波器的阻帶數衰減值。

② 切比雪夫型濾波器階數N：

(2)

式中，LAp為通帶波紋。

③ 橢圓函數型濾波器階數N：

(3)

式中，

(4)

(5)

(6)

式中，Ωp為歸一化通帶頻率；LAp為通帶波紋；LAs為阻帶衰減。

查表低通原型濾波器歸一化元件值，得到歸一化元件值g1,…,gn。

由式(7)計算阻抗倒置器的歸一化特性阻抗：

(7)

(k=1～(N-1))，

(8)

利用式(9)可分別計算出各并聯膜片的歸一化感抗值：

(9)

諧振腔體的電長度為：

(10)

式(10)已體現了半波長波導諧振腔的電長度部分抵消了電感倒置器相鄰波導的負電長度。故諧振腔體的實際長度為：

(11)

最后根據矩形波導對稱電感膜片的電抗圖，即可計算出電感膜片的尺寸。

2 Designer和HFSS協同仿真帶通濾波器設計

最平坦型低通濾波器的一般設計過程為：首先，確定采用低通濾波器原型，如：最平坦型、等波紋型或橢圓函數型等；其次，根據低通濾波器原型電路，結合具體的設計技術指標要求利用理論計算和公式推導得到設計濾波器階數N和初始元件值g，計算阻抗倒置器的歸一化特性阻抗和并聯膜片的歸一化感抗，最后，得到諧振腔的長度和電感膜片的尺寸。

傳統的最平坦型低通濾波器設計方法需要進行大量理論計算和公式推算，使濾波器的整個設計過程十分繁瑣。本文利用電路仿真軟件ANSYS Designer和電磁仿真軟件ANSYS HFSS(High Frequency Structure)[6]的場路結合、協同工作，該設計方法既機充分了利用電路仿真電路速度，又發揮了三維電磁場仿真的精度，優化了濾波器整個仿真設計流程，實現了復雜結構濾波器設計的高效性，同時又保證了設計的準確性。

ANSYS Designer和ANSYS HFSS是ANSYS公司開發的一款成熟的電路和電磁場仿真設計軟件，能夠輔助設計包含電路和三維電磁場的仿真。本文利用ANSYS Designer 8.0和ANSYS HFSS 14.0場路結合、協同工作的方法，采用并聯電感耦合波導結構，并聯電感作為阻抗倒置變換器，半波長波導作為串聯諧振腔形式，設計了一種C頻段波導大功率帶通濾波器。

3 C頻段高功率帶通濾波器設計與實現

3.1 C頻段帶通濾波器的技術要求

根據某工程總體技術要求，為了發射機在工作的過程中寄生輸出頻譜不能提高接收機接收頻帶內的噪聲溫度，需研制一種C頻段帶通濾波器[13]，同時根據發射機正常工作條件決定了該濾波器通帶工作頻帶應具有高功率、低傳輸和回波損耗，阻帶頻帶具有高抑制度的要求[14]。本文設計的大功率波導帶通濾波器的主要技術指標為：

通帶工作頻率：5 650～5 950 MHz；

通帶插入損耗：≤0.2 dB；

通帶回波損耗：≤-20 dB；

阻帶抑制度：≥45 dB@5 000～5 100 MHz；

功率容量：≥1 500 W(CW)。

3.2 C頻段帶通濾波器具體設計

首先依據濾波器技術指標中工作頻率和功率容量的要求[15]，確定采用寬邊a為47.55 mm，窄邊b為22.15 mm的標準BJ48波導作為傳輸介質。

根據所選擇的并聯電感膜片耦合的波導結構濾波器的模型如圖1所示，利用ANSYS HFSS進行基本單元的建模和仿真。基本單元的模型如圖2所示。

圖1 并聯電感膜片耦合波導濾波器的結構Fig.1 Structure chart of Parallel Inductive diaphragm coupled waveguide filter

圖2 濾波器基本單元Fig.2 Bandpass filter basic unit

建立ANSYS Designer與ANSYS HFSS間的動態鏈接，將ANSYS HFSS 中的模型導入到ANSYS Designer中，通過ANSYS HFSS中基本單元、端口建立完成電路原理圖，設置掃描頻率、參數變量和結果，建立濾波器優化目標。在ANSYS Designer中得到趨近目標的結果，如圖3所示。

圖3 帶通濾波器原理圖和結果Fig.3 Principle diagram and Simulation results of bandpass filter

最后將ANSYS Designer中優化后的濾波器導出到ANSYS HFSS中，對電路仿真的結果在三維電磁場HFSS中進行仿真驗證，三維模型和仿真結果如圖4和圖5所示。

圖4 帶通濾波器三維仿真模型Fig.4 Simulation modeling of bandpass filter

圖5 帶通濾波器仿真結果Fig.5 HFSS software simulation results

4 C頻段帶通濾波器加工及實測

基于ANSYS Designer和ANSYS HFSS對C頻段帶通濾波器進行了場路協同仿真，得到了比較理想的結果，并對該波導帶通濾波器進行了實物加工、裝配和測試，實物照片如圖6所示，尺寸約240 mm×88.9 mm×63.5 mm。實測曲線如圖7所示。

圖6 帶通濾波器實物Fig.6 Physical chart of bandpass filter

圖7 帶通濾波器實測Fig.7 Test results of bandpass filter

該大功率波導帶通濾波器實測數據如下：

插入損耗：≤0.2 dB@5.65～5.95 GHz；

回波損耗：≤-29 dB@5.65～5.95 GHz；

抑制度：≥50 dB@5～5.1 GHz。

從測試結果可以看出，該大功率帶通濾波器的實測曲線與仿真結果相近，插入損耗、回波損耗和阻帶抑制特性均滿足技術指標要求，而且該濾波器結構簡單、裝配容易。

5 結束語

本文利用ANSYS Designer仿真的方式得到濾波器初值，通過ANSYS HFSS仿真優化，設計了一種C頻段大功率帶通濾波器功率容量大、帶內插入損耗小、回波損耗小，具有高的阻帶抑制特性。利用ANSYS Designer和ANSYS HFSS聯合仿真輔助設計濾波器簡單快捷，根據結果進行樣件的加工，完全可以滿足工程設計要求。同時進行了小批量加工，經過工程應用，滿足要求。

綜上所述，傳統濾波器設計方法與場路協同仿真方法相比，場路協同設計濾波器不需要大量理論計算與公式推演和調試過程，具有設計方法簡單、快速、準確的優點，避免因計算引入誤差需后期繁瑣調試的問題。場路協同仿真方法為濾波器設計提供一種新的途徑，在其他類型無源器件的設計中有著很好的借鑒作用。