一種小型化K波段腔體濾波器設計

孫書良，高景濤

(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.中國人民解放軍31401部隊，遼寧 大連 116021)

0 引言

濾波器在微波毫米波通信系統中應用廣泛，其性能直接影響通信系統信號質量，以往設備采用機箱形式，空間足夠，帶外指標要求不是很高，容易實現。現代通信設備集成度高，要求整個K波段上變頻器采用PXI板卡結構，占用1個槽位，空間有限，而且帶外抑制指標較以往設備有很大提高，對濾波器的性能以及尺寸提出了很嚴格的要求。星間鏈路采用K頻段通信，收發同頻分時工作，所以設計一款K波段濾波器可以同時應用于收發鏈路。

HFSS是ANSOFT 公司開發的一個基于物理原型的EDA 設計軟件。使用HFSS 建立結構模型進行3D 全波場分析，可以計算端口特征阻抗和傳輸常數參數；相應端口阻抗的歸一化S參數；結構的本征模或諧振解。依靠其對電磁場精確分析的性能，使用戶能夠方便快速地建立產品虛擬樣機，以便在物理樣機制造之前，準確有效地把握產品特性，被廣泛應用于濾波器設計當中。

1 濾波器設計

K波段濾波器[1]設計指標如下：

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

腔間耦合系數ki，i+1的理論值為：

式中，W為帶通濾波器的相對帶寬；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，得到合適的結構形狀和尺寸，計算公式為：

式中，f1，f2為雙腔本征模仿真時2 種模式的頻率值(設定f2>f1)。

根據以上技術指標要求，通過計算確定濾波器設計參數如下：

① 濾波器諧振桿數：5；

② Q值：2 600；

③ 耦合系數[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 應用HFSS設計腔體濾波器

用HFSS 設計腔體濾波器一般分為以下步驟：

① 通過HFSS 單腔模型仿真來確定諧振腔頻率及Q值；

② 通過HFSS兩腔模型本征模仿真確定腔間耦合結構的形狀和尺寸滿足耦合系數要求；

③ 通過HFSS單腔加激勵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：6.5 mm；② 諧振腔寬：6.5 mm；③ 諧振腔高：4 mm；④ 調諧螺桿直徑：1.6 mm；⑤ 調諧螺桿下沉深度[6]：2 mm。

通過仿真得出以下結果：

① 諧振頻率：22.210 9 GHz；② Q值：3 078.52。

從以上仿真結果可以看出，該設計滿足指標要求。

2.2 確定耦合系數

建立耦合系數仿真模型[7-10]如圖2所示。

圖2 耦合系數仿真模型Fig.2 Coupling coefficient simulation model

設置槽長：2.4 mm，槽寬從3～4 mm步進0.5 mm進行方向系數掃描，得到的結果如圖3所示。

圖3 K值仿真結果Fig.3 K value simulation results

由以上仿真結果，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，頻率調諧螺桿下沉1.93 mm，耦合度調節螺桿下沉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))

設置抽頭長度ZL為變量，在0.3～1 mm進行參數掃描，步進0.1 mm，得到仿真結果如圖5所示。

圖5 External Q值仿真結果Fig.5 External Q value simulation results

從仿真結果中可以確定ZL取值1 mm。

3 濾波器加工與調試

通過以上計算，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部與其他電路焊接集成又方便調試與測試。調試過程為：先調節第1，5諧振腔的調諧螺桿，調出S11/S22特性曲線，然后調節第2，4，3諧振腔調諧螺桿，調出S21特性曲線，最后調節耦合度調節螺栓用于調試帶寬及優化各特性曲線。調試完成的濾波器，測試性能曲線如圖6所示，實物如圖7所示。

圖6 測試結果Fig.6 Test result

圖7 實物Fig.7 Real device

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

4 調試過程中發現的問題及改進措施

在進行抽頭焊接的過程中發現，原來在盒底部開的用于固定豎針的2 mm的口相對于0.38 mm豎針來說尺寸過大，導致焊接難度相當大，改進措施是將2 mm直接改為1 mm。

在濾波器調試完畢點膠與調節螺桿裁剪的過程中發現，點膠不宜過多，否則會導致形變及濾波器特性改變；裁剪調諧螺桿同樣會導致濾波器特性改變，通過加工合適長度尺寸的調諧螺桿，避免對調諧螺桿的裁剪，解決該問題。

5 結束語

濾波器的應用能夠改善微波通信系統信號質量，腔體濾波器因為具有高Q值特性，所以在微波、毫米波領域應用非常廣泛。針對星間鏈路設計的腔體濾波器，以其體積小，帶外抑制高，能夠同時應用于收發鏈路，對于工程有著非常實用價值。