一种L波段带通腔体滤波器的仿真设计

薛 原，沈洪飞

(中国船舶集团有限公司第八研究院，南京 211153)

0 引 言

微波滤波器广泛应用于微波电路中，是解决谐杂波、电磁兼容最重要的手段。目前，滤波器的设计方法比较成熟，一般基于巴特沃兹、契比雪夫和椭圆等函数。但是，在滤波器研制过程中仍然存在计算量大、参数优化困难等问题。从理论设计到实物实现过程中，由于边界条件不同、加工精度不够等问题导致实际滤波器性能指标难以达到设计指标、成品率不高且延误研制时间。

随着计算机EDA技术的发展，可以用计算机设计手段取代大量的手工计算，可以用计算机仿真手段仿真滤波器可能达到的性能指标；同时还可以根据目标值优化其中的设计参数，降低滤波器性能对于参数的敏感性。采用这种参数实现的滤波器性能指标与设计指标具有更好的一致性。

本文采用CoupleFil软件进行滤波器设计，采用高频电磁仿真软件HFSS仿真滤波器性能，设计了一款L波段腔体滤波器，最终较好地实现了滤波器性能指标。

1 滤波器性能要求

根据某设备微波电路需求，需要设计一款L波段滤波器，其性能要求如下：

中心频率：1.3 GHz

带宽：200 MHz

带内起伏：≤0.2 dB

带内插损：≤0.5 dB

矩形系数：>2

输入/出驻波：1.3

通过功率：100 W

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

体积：<200 mm×50 mm×30 mm

滤波器的设计往往依据巴特沃兹、契比雪夫和椭圆等函数[1]，其中切比雪夫响应虽然在通带内衰减的变化有起伏纹波，但可以得到相当陡峭的带外衰减特性，在腔体滤波器设计中得到广泛的应用。它的幅平方函数可以表示为[2]

(1)

2 滤波器计算机设计与仿真

分析上述滤波器指标要求，具有承受功率大、插入损耗小的特点，为此选用腔体滤波器，再考虑到矩形系数高、带外抑制高等要求，选用切比雪夫响应函数。该函数响应虽然在通带内衰减的变化有起伏纹波，但可以得到相当陡峭的带外衰减特性，在腔体滤波器设计中得到广泛的应用。

设计流程如下：

(1) 计算出相对带宽；

(2) 查询切比雪夫低通原型图表，得到阶数和传导系数；

(3) 计算谐振腔频率和耦合系数；

(4) 应用高频电磁仿真软件HFSS进行建模仿真。

本文使用CoupleFil软件将前3个步骤进行简化，直接计算出HFSS建模所需参数，随后建模进行场仿真。具体设计过程如下：

(1) 使用CoupleFil软件计算谐振腔频率和耦合系数，打开软件如图1(a)所示，在Specification对话框中输入中心频率、带宽、阶数、回波损耗等参数;

(2) 在structure中可以选择滤波器的拓扑结构，这里选择直接耦合式，得到的谐振频率和耦合系数在filter information对话框中，同时在Graph中可以看到滤波器S参数;

(3) 根据S参数图表中Marker值，可以调整滤波器的阶数，根据系统软件不断优化后选定滤波器阶数为7阶，带外抑制值大于50 dB，满足指标需求。

软件计算得到谐振腔谐振频率和耦合系数，结果见图1(b)。

图1 CoupleFil计算示意图

接下来使用HFSS建立模型进行场仿真。首先仿真单谐振腔谐振频率，在HFSS中进行腔体建模，设置为本征模式[3]。通过调整谐振腔尺寸，使谐振频率仿真结果与CoupleFil软件中的计算值(1.29 GHz)吻合。空腔谐振频率要达到1.29 GHz，需要的腔体尺寸较大(170 mm×170 mm×116 mm)。在腔体内加入谐振杆，引入电容加载可以缩小谐振腔体积同时提高远端抑制。仿真结果见图2。引入电容加载后的谐振腔尺寸为36 mm×17 mm×20 mm，谐振频率1.29 GHz。

将两级腔体级联起来仿真，调节合并后的腔体长度以及谐振杆尺寸控制耦合系数，仿真得到的耦合系数见图3。双谐振腔仿真得到耦合系数为0.153，与CoupleFil软件中的第1阶和第2阶的耦合系数计算结果吻合。每两级之间的耦合系数都应符合图1(b)的计算结果。

随后将7个谐振腔级联起来建立模型，输入输出接口为SMA形式。在建模时注意对称阶数的腔体使用同一参数，可以减少变量，提高参数优化速度。优化参数是各谐振杆长度以及各谐振腔直接的距离。仿真

图2 单腔仿真图及结果

图3 双腔级联仿真图及结果

模型和仿真结果见图4。最终得到的尺寸参数见表1。从图4看到，通带1.2～1.4 GHz，带内S11在-20 dB(驻波比1.2)以下，在1.1 GHz抑制-65 dB，在1.5 GHz抑制-51 dB，满足指标要求。

腔体滤波器的功率容量可以通过电场仿真估算，仿真如图5所示。在输入功率1 W的情况下可以看到滤波器中的最大场强58 260 V/m，一个标准大气压下的击穿场强2.28e6 V/m。腔体中的平均储能跟最大场强平方成比例关系。腔体中的最大储能与输入功率成比例关系。因此，得到输入的最大功率为

同时，考虑天线驻波一般为2，得到功率容量的修正公式：

图4 腔体滤波器建模仿真

表1 仿真模型参数结果

图5 腔体滤波器电场仿真

考虑设计余量0～6 dB，功率容量约215 W，完全满足功率容量100 W的指标要求。

3 测试实现及测试结果

根据仿真结果得到的腔体滤波器尺寸，完成CAD制图加工，得到的腔体滤波器实物见图6。在腔体内引入调谐螺钉，通过调节螺钉旋入腔体的深度对腔体内电磁场进行微扰，用以微调滤波器性能。整个腔体滤波器的外形尺寸为168 mm×46 mm×27 mm。

图6 腔体滤波器实物照片

用矢量网络分析仪测试腔体滤波器S参数。测试时不断调整调谐螺钉的深度，微调滤波器的驻波和插损，最终的测试结果如图7所示。仿真结果为1.2～1.4 GHz时插入损耗能够做到优于0.37 dB，带外抑制在1 GHz处为-63 dB,在1.5 GHz处为-50 dB。实际测量结果为1.195～1.405 GHz时插入损耗能够做到优于0.23 dB，带外抑制在1 GHz处为-65 dB、在1.5 GHz处为-51 dB。以上可得实际测量结果优于仿真结果，各项指标满足设计要求。

图7 实测曲线

4 结束语

随着计算机EDA技术的发展，腔体滤波器的设计过程得到进一步简化，设计速度得到极大提高。本文设计了一款L波段带通腔体滤波器，介绍了软件使用的详细过程，具有以下特点：

(1) 根据指标要求，通过CoupleFil软件计算滤波器的谐振频率和耦合系数，简化计算过程。

(2) 在HFSS建单腔仿真谐振频率时，在空腔内加入调谐杆，将腔体尺寸缩小至原尺寸1/5，实现滤波器小型化设计。

(3) 腔体滤波器在加工和装配时的误差会引起的频率偏移，在腔体内部加入若干调谐螺钉，调试时可以调整螺钉旋入深度对腔体内电磁场进行扰动，从而微调滤波器指标。

(4) 该滤波器应用于大功率场合，通过电场仿真结果估算功率容量。

腔体带通滤波器体积小，制作成本低，使用便利，性能指标满足系统要求。利用HFSS仿真工具设计腔体滤波器能大大缩短设计周期。HFSS的模型仿真结果能够较好地与实际相符，对类似频段的腔体滤波器设计具有借鉴意义。