摘要：為了滿足衛(wèi)星用濾波器研制周期短、可靠性高的要求，提出了一種快速設計經典同軸腔體濾波器的方法。該方法通過原型濾波器查表可以計算濾波器節(jié)數(shù)、耦合常數(shù)、群時延、單腔諧振頻率、單腔Q值等初始值；通過使用三維電磁（EM）仿真軟件得到單腔調諧釘長度和加載電容值的對應關系、兩個腔體間耦合系數(shù)及端口抽頭高度等模型SnP參數(shù)；通過電路仿真軟件使用集總元件對電容加載的量值進行優(yōu)化，極大地提高了仿真的速度。最后使用該協(xié)同仿真方法設計一同軸腔體濾波器，并對仿真結果進行了驗證。

0 引 言

微波濾波器是雷達系統(tǒng)、衛(wèi)星通信系統(tǒng)、測量系統(tǒng)等必不可少的組成部分，一般被用來分開或整合不同頻段的信號［1］。隨著通信設備研制周期的縮短，對于濾波器這種不能系列化生產的產品研制速度提出了很高要求。對于腔體濾波器來說，目前的設計方法都是使用仿真軟件對濾波器進行電磁仿真，然后再進行實物加工調試。由于三維電磁仿真計算量大，目前的硬件條件還不能支持快速的仿真設計，所以使得研制周期中的相當一部分時間花費在仿真計算中，影響了研制周期。

為了縮短同軸腔體濾波器的仿真時間，本文提出了一種使用三維電磁仿真軟件和電路仿真軟件結合使用的設計方法，可以提高濾波器的設計速度。最后對該設計方法進行驗證，證明該方法的正確性。

1 設計方法理論分析

同軸腔體窄帶帶通濾波器的模型圖如圖1所示，它可以看做一系列諧振腔的組合。每個諧振桿代表一個諧振腔，諧振于濾波器的中心頻率附近；諧振腔的諧振頻率決定濾波器的中心頻率，Q值影響濾波器的插入損耗［2］。耦合膜片控制相鄰諧振腔的耦合量，端口處的探針決定濾波器與外界的耦合，耦合量決定濾波器的帶寬。所以在設計濾波器的過程中，重點設計單個諧振腔的諧振頻率、Q值以及各個諧振腔之間耦合量和邊緣諧振腔與外界的耦合。

圖1 仿真建模原理圖

諧振腔上的調諧螺釘用于調試濾波器的諧振頻率，因為該螺釘?shù)淖饔玫刃?個電容，所以也成為電容加載。螺釘深入的長短反映了電容加載的大小。在后續(xù)的設計過程中，將該螺釘?shù)拈L度放在二維仿真軟件（ADS）中進行優(yōu)化。所以快速設計方法的本質就是將3D電磁（EM）軟件中的模型S參數(shù)提取到電路仿真軟件中，使用集總元件對電容加載的量值進行優(yōu)化。

1.1 根據(jù)設計指標確定濾波器的初值

已知濾波器的中心頻率、帶寬、插入損耗、波紋、帶外抑制度等，通過原型濾波器查表可以計算濾波器節(jié)數(shù)、耦合常數(shù)、群時延、單腔諧振頻率、單腔Q值［3－4］等：

式中：w1和w2為濾波器的通帶邊緣頻率；Δw為濾波器的相對帶寬；gi、gj為原型濾波器值；Kij為第i諧振腔和第j諧振腔之間的耦合系數(shù)；Qe為濾波器與外界的耦合系數(shù)。

考慮到使用查表和計算的方法相對麻煩，為了方便，可以將計算過程編入Excel中，如圖2所示。通過輸入已知參數(shù)，就可以很輕松地得到濾波器節(jié)數(shù)、耦合常數(shù)、群時延、單腔諧振頻率、單腔Q值等參數(shù)。

圖2 Excel計算初始值

1.2 確定單個諧振腔的結構

根據(jù)1.1中單腔諧振頻率、單腔Q值以及對濾波器體積的要求，設計出單個諧振器的結構。通過3DEM仿真軟件的本征膜方法可計算諧振腔的諧振頻率和Q值，保證可實現(xiàn)最終的設計目標。

圖3 CST軟件仿真

根據(jù)圖3的結構模型，在諧振腔的頂部加入集總參數(shù)電容，分別仿真諧振腔諧振頻率。在相同諧振頻率下得到螺釘長度和加載電容值的對應關系，如圖4所示。

圖4 電容加載電路仿真

1.3 端口和耦合系數(shù)的三維實現(xiàn)

此部分是關鍵所在，主要使用CST軟件強大的場計算功能、ADS軟件的電路計算和優(yōu)化功能。

1.3.1 相鄰腔體耦合系數(shù)確定

2個相同的腔體模型放在一起，如圖5所示。中間通過縫隙連接，使2個腔體中的電磁能量可以交換，便構成了耦合。其中耦合分電耦合與磁耦合，即電容耦合與電感耦合。

圖5中2個同軸腔體中間開縫，縫寬改變就可改變耦合系數(shù)。先設xz面（即縫所在的面）為電壁，用本征模解算器求出第1個模式的諧振頻率，令其為fe；再設xz面為磁壁，算出第1個諧振頻率，令其為fm，于是2個諧振腔之間的耦合系數(shù)K可由下式得出：

圖5 相鄰腔體耦合系數(shù)仿真

1.3.2 端口抽頭高度的確定

邊腔與外界的耦合是用K01和K45來表示的，在操作中，只需用群時延t1就可以了。t1可以從低通濾波器原型濾波器g值和相對帶寬Δω計算得出：

如圖6（a）所示，通過調整耦合圓盤伸入的長度和內導體的高度，使群時延最大值位于f0＝2GHz處，且其最大值與t1＝22.7ns相等，這樣就可以確定抽頭的高度，調好的群時延如圖6所示。

1.4 整體模型仿真和優(yōu)化

濾波器的全部主要參數(shù)已經得到，在3DEM仿真軟件中進行整體建模，此時該濾波器除了具有輸入、輸出端口外，還應該在每個諧振腔的頂端加入端口，將仿真的SnP文件導出。

在電路仿真軟件ADS中建模，采用S參數(shù)仿真方法，使用從3DEM仿真軟件中導出的SnP文件，并在對應諧振腔的端口上加入對地耦合電容。優(yōu)化耦合電容可以得到需要的濾波器曲線。

對照1.2節(jié)中的數(shù)據(jù)可得到每個調諧螺釘?shù)纳疃龋瑥亩玫饺S仿真軟件中的濾波器結構參數(shù)。

2 設計實例

下面用一個設計實例來說明上面的設計過程。

2.1 設計指標

工作頻率：670～720MHz；1dB 帶寬：≥50MHz；插損：≤1dB＠670～720MHz；駐波：≤1.5＠670～720MHz；帶外抑制：≥40dBc＠DC～635MHz＆745～1 500MHz。

2.2 濾波器初始值

根據(jù)查表看出6節(jié)濾波器可以實現(xiàn)該參數(shù)，單腔諧振器Q值為3 000時，插入損耗為0.11dB，考慮上波動，可以滿足指標要求。表1、表2及表3是原型濾波器值、耦合系數(shù)和插入損耗以及群時延的原始參數(shù)。

圖6 抽頭仿真

表1 原型濾波器值

表2 耦合系數(shù)和插入損耗

表3 群時延

2.3 端口和耦合系數(shù)的三維實現(xiàn)

圖7 耦合系數(shù)K12和K23仿真模型

從上面的濾波器初始數(shù)據(jù)可以看出，K12＝K56，K23＝K45，所以需要仿真的耦合系數(shù)包括K12，K23，K34。仿真使用的模型如圖7所示。因為使用的單腔參數(shù)為20mm×18mm×40mm，所以耦合系數(shù)K34的仿真模型和上面使用的模型不同，考慮到耦合的方向不同，所以使用的仿真模型如圖8所示。

圖8 耦合系數(shù)K34仿真模型

通過仿真可以看到：由K12＝K56＝0.056 18，可以得出1腔和2腔間的耦合縫隙寬度等于5腔和6腔間的耦合縫隙寬度，即w12＝w56＝11.7mm；同理由耦合系數(shù)K23＝K45＝0.042 34，可以得出w23＝w45＝9.5mm。

通過仿真可以看到：由耦合系數(shù)K34＝0.040 73，從而可以得出w34＝42.6mm。抽頭結構的仿真使用圖9所示的仿真模型，通過2.2節(jié)可以得到第一諧振器的群時延14.872 8ns，所以對抽頭的高度進行調整，最后得到抽頭高度為15mm。

2.4 整體仿真

使用上面仿真得到的數(shù)據(jù)進行整體建模，模型如圖10所示。

圖9 抽頭仿真模型

圖10 濾波器仿真結構

將三維電磁仿真軟件（HFSS）仿真的S8P文件導出，在ADS中建立如圖11所示的電路結構圖，在圖中的SnP空間中導入S8P文件。將諧振腔中的電容加載效應使用6個集總電容代替，進行優(yōu)化，得到濾波器的曲線如圖12所示。在HFSS中得到的濾波器的主要物理尺寸如表4所示。

圖11 ADS仿真原理

圖12 ADS仿真結果

表4 濾波器主要尺寸

2.5 驗證

圖13 濾波器外形圖

考慮到腔體濾波器長度要盡量小，且采用折疊的結構形式，如圖13所示。經過調試后進行實物測試，得到濾波器的測試曲線如圖14所示，可以看出濾波器滿足設計要求。帶內插入損耗為0.8dB，回波損耗小于18dB。

3 結束語

本文提出了利用電路仿真軟件和3DEM（HFSS）進行聯(lián)合仿真同軸腔體濾波器的方法和步驟，然后通過一個六腔濾波器的設計具體說明了該設計方法。通過加工測試，可以得到設計的濾波器實測數(shù)據(jù)和設計要求比較吻合，這證明了該方法的有效性。

圖14 測試曲線

同時使用該方法可以大大提高仿真同軸腔體濾波器的速度，縮短研制周期，對濾波器的制作和設計具有很大的實用意義。

審核編輯：湯梓紅