一種L波段帶通腔體濾波器的仿真設計

薛 原，沈洪飛

(中國船舶集團有限公司第八研究院，南京 211153)

0 引 言

微波濾波器廣泛應用于微波電路中，是解決諧雜波、電磁兼容最重要的手段。目前，濾波器的設計方法比較成熟，一般基于巴特沃茲、契比雪夫和橢圓等函數。但是，在濾波器研制過程中仍然存在計算量大、參數優化困難等問題。從理論設計到實物實現過程中，由于邊界條件不同、加工精度不夠等問題導致實際濾波器性能指標難以達到設計指標、成品率不高且延誤研制時間。

隨著計算機EDA技術的發展，可以用計算機設計手段取代大量的手工計算，可以用計算機仿真手段仿真濾波器可能達到的性能指標；同時還可以根據目標值優化其中的設計參數，降低濾波器性能對于參數的敏感性。采用這種參數實現的濾波器性能指標與設計指標具有更好的一致性。

本文采用CoupleFil軟件進行濾波器設計，采用高頻電磁仿真軟件HFSS仿真濾波器性能，設計了一款L波段腔體濾波器，最終較好地實現了濾波器性能指標。

1 濾波器性能要求

根據某設備微波電路需求，需要設計一款L波段濾波器，其性能要求如下：

中心頻率：1.3 GHz

帶寬：200 MHz

帶內起伏：≤0.2 dB

帶內插損：≤0.5 dB

矩形系數：>2

輸入/出駐波：1.3

通過功率：100 W

帶外抑制：50 dB@600～1 000 MHz，50 dB@1 500～2 000 MHz

體積：<200 mm×50 mm×30 mm

濾波器的設計往往依據巴特沃茲、契比雪夫和橢圓等函數[1]，其中切比雪夫響應雖然在通帶內衰減的變化有起伏紋波，但可以得到相當陡峭的帶外衰減特性，在腔體濾波器設計中得到廣泛的應用。它的幅平方函數可以表示為[2]

(1)

2 濾波器計算機設計與仿真

分析上述濾波器指標要求，具有承受功率大、插入損耗小的特點，為此選用腔體濾波器，再考慮到矩形系數高、帶外抑制高等要求，選用切比雪夫響應函數。該函數響應雖然在通帶內衰減的變化有起伏紋波，但可以得到相當陡峭的帶外衰減特性，在腔體濾波器設計中得到廣泛的應用。

設計流程如下：

(1) 計算出相對帶寬；

(2) 查詢切比雪夫低通原型圖表，得到階數和傳導系數；

(3) 計算諧振腔頻率和耦合系數；

(4) 應用高頻電磁仿真軟件HFSS進行建模仿真。

本文使用CoupleFil軟件將前3個步驟進行簡化，直接計算出HFSS建模所需參數，隨后建模進行場仿真。具體設計過程如下：

(1) 使用CoupleFil軟件計算諧振腔頻率和耦合系數，打開軟件如圖1(a)所示，在Specification對話框中輸入中心頻率、帶寬、階數、回波損耗等參數;

(2) 在structure中可以選擇濾波器的拓撲結構，這里選擇直接耦合式，得到的諧振頻率和耦合系數在filter information對話框中，同時在Graph中可以看到濾波器S參數;

(3) 根據S參數圖表中Marker值，可以調整濾波器的階數，根據系統軟件不斷優化后選定濾波器階數為7階，帶外抑制值大于50 dB，滿足指標需求。

軟件計算得到諧振腔諧振頻率和耦合系數，結果見圖1(b)。

圖1 CoupleFil計算示意圖

接下來使用HFSS建立模型進行場仿真。首先仿真單諧振腔諧振頻率，在HFSS中進行腔體建模，設置為本征模式[3]。通過調整諧振腔尺寸，使諧振頻率仿真結果與CoupleFil軟件中的計算值(1.29 GHz)吻合。空腔諧振頻率要達到1.29 GHz，需要的腔體尺寸較大(170 mm×170 mm×116 mm)。在腔體內加入諧振桿，引入電容加載可以縮小諧振腔體積同時提高遠端抑制。仿真結果見圖2。引入電容加載后的諧振腔尺寸為36 mm×17 mm×20 mm，諧振頻率1.29 GHz。

將兩級腔體級聯起來仿真，調節合并后的腔體長度以及諧振桿尺寸控制耦合系數，仿真得到的耦合系數見圖3。雙諧振腔仿真得到耦合系數為0.153，與CoupleFil軟件中的第1階和第2階的耦合系數計算結果吻合。每兩級之間的耦合系數都應符合圖1(b)的計算結果。

隨后將7個諧振腔級聯起來建立模型，輸入輸出接口為SMA形式。在建模時注意對稱階數的腔體使用同一參數，可以減少變量，提高參數優化速度。優化參數是各諧振桿長度以及各諧振腔直接的距離。仿真

圖2 單腔仿真圖及結果

圖3 雙腔級聯仿真圖及結果

模型和仿真結果見圖4。最終得到的尺寸參數見表1。從圖4看到，通帶1.2～1.4 GHz，帶內S11在-20 dB(駐波比1.2)以下，在1.1 GHz抑制-65 dB，在1.5 GHz抑制-51 dB，滿足指標要求。

腔體濾波器的功率容量可以通過電場仿真估算，仿真如圖5所示。在輸入功率1 W的情況下可以看到濾波器中的最大場強58 260 V/m，一個標準大氣壓下的擊穿場強2.28e6 V/m。腔體中的平均儲能跟最大場強平方成比例關系。腔體中的最大儲能與輸入功率成比例關系。因此，得到輸入的最大功率為

同時，考慮天線駐波一般為2，得到功率容量的修正公式：

圖4 腔體濾波器建模仿真

表1 仿真模型參數結果

圖5 腔體濾波器電場仿真

考慮設計余量0～6 dB，功率容量約215 W，完全滿足功率容量100 W的指標要求。

3 測試實現及測試結果

根據仿真結果得到的腔體濾波器尺寸，完成CAD制圖加工，得到的腔體濾波器實物見圖6。在腔體內引入調諧螺釘，通過調節螺釘旋入腔體的深度對腔體內電磁場進行微擾，用以微調濾波器性能。整個腔體濾波器的外形尺寸為168 mm×46 mm×27 mm。

圖6 腔體濾波器實物照片

用矢量網絡分析儀測試腔體濾波器S參數。測試時不斷調整調諧螺釘的深度，微調濾波器的駐波和插損，最終的測試結果如圖7所示。仿真結果為1.2～1.4 GHz時插入損耗能夠做到優于0.37 dB，帶外抑制在1 GHz處為-63 dB,在1.5 GHz處為-50 dB。實際測量結果為1.195～1.405 GHz時插入損耗能夠做到優于0.23 dB，帶外抑制在1 GHz處為-65 dB、在1.5 GHz處為-51 dB。以上可得實際測量結果優于仿真結果，各項指標滿足設計要求。

圖7 實測曲線

4 結束語

隨著計算機EDA技術的發展，腔體濾波器的設計過程得到進一步簡化，設計速度得到極大提高。本文設計了一款L波段帶通腔體濾波器，介紹了軟件使用的詳細過程，具有以下特點：

(1) 根據指標要求，通過CoupleFil軟件計算濾波器的諧振頻率和耦合系數，簡化計算過程。

(2) 在HFSS建單腔仿真諧振頻率時，在空腔內加入調諧桿，將腔體尺寸縮小至原尺寸1/5，實現濾波器小型化設計。

(3) 腔體濾波器在加工和裝配時的誤差會引起的頻率偏移，在腔體內部加入若干調諧螺釘，調試時可以調整螺釘旋入深度對腔體內電磁場進行擾動，從而微調濾波器指標。

(4) 該濾波器應用于大功率場合，通過電場仿真結果估算功率容量。

腔體帶通濾波器體積小，制作成本低，使用便利，性能指標滿足系統要求。利用HFSS仿真工具設計腔體濾波器能大大縮短設計周期。HFSS的模型仿真結果能夠較好地與實際相符，對類似頻段的腔體濾波器設計具有借鑒意義。