[hide]耦合谐振带通滤波器的EDA设计
2008-10-07 08:29:53 作者：黄智 来源：万方数据 浏览次数：338 文字大小：【大】【中】【小】
滤波器是合成频率源中重要的部件，通常用来充分抑制不需要的谐波和杂散，提取出需要的频率分量。随着计算机和EDA技术的迅猛发展，设计滤波器可以使用EDA工具进行仿真，其结果与实际情况非常接近。本文根据滤波器设计的基本原理，借助商用全波电磁场分析软件设计了几种形式的同轴腔体带通滤波器，过程简单，设计周期短，实测结果也比较理想。
1概述
滤波器是一种二端口网络，它具有频率选择的特性:即可以让某些频率顺利通过，而对其它频率加以阻拦。目前由于在雷达、微波通讯等部门，多频率工作越来越普遍，对分隔频率的要求也相应提高，所以需要用大量的滤波器。
微波带通滤波器的实现形式有很多，其形式之一的腔体滤波器具有高Q值、低插损、可大功率传输、制造公差低的优点，而缺点是体积大难于集成、加工成本高和生产周期长。
国外早在上世纪5。年代Dishal就提出了耦合带宽的理论;Matthaei 在他的专著中对微波滤波器的经典设计方法做了比较全面、系统地介绍;Zaki和Wenzel进行了滤波器结构的全波电磁场仿真;Atia和Cameron提出了用矩阵来综合滤波器的方法。我国的老一辈微波专家甘本拔、吴万春等，在国外研究成果的基础上，对微波滤波器的设计理论和方法进行了补充和完善，为我国微波滤波器的研究奠定了良好的基础。
现代滤波器综合理论通常是以衰减和相移函数为基础，求出集总元件归一化低通原型，经过频率变换，导出集总参数带通滤波器的设计公式，然后用微波结构来实现耦合结构和谐振器，从而得到整个滤波器结构的尺寸。随着计算机技术的发展，我们可以借助商用全波电磁场分析软件(如Ansoft HFSS)来快速的设计相应耦合及输人输出的结构。
2耦合谐振滤波器的设计方法
2.1 滤波器各参数的确定
本文设计的耦合谐振滤波器的谐振单元是由一谐振杆和其一端与地形成的电容组成，谐振杆长度小于1/4波长时相当于电感，这样就组成了LC谐振电路。当各杆谐振时，其等效长度应为中心频率波长的1/40通过加大端接电容我们可以减小电感保持谐振，也就缩短了杆的长度，进一步使腔体体积变小。
根据指标的要求，我们要确定带通滤波器的类型，采用最大平坦、切比雪夫或者线性相位等逼近函数得到低通原型，由插人损耗和带外抑制确定滤波器的阶数。
带通滤波器的原型电路由谐振器和阻抗或者导纳变换器组成，而本文用谐振单元间的耦合系数K和两终端的外部Q值来表示，可以通过以下变换公式获得，即
2. 2软件仿真
基于有限元法的商用软件ANSOFT HFS5是一个功能强大的三维电磁场仿真软件，我们无需复杂的公式运算得出精确的场解，利用HFSS即可高精度的分析出任意几何形状内的场分布和电特性，仿真结果与实测值非常接近。
以梳状圆杆滤波器为例，软件仿真可以分为以下几个步骤:首先计算单杆谐振频率，然后计算两杆的耦合系数和输人输出结构的外部品质因素Qc，最后对整个滤波器进行参数的仿真。
对于两谐振杆之间的耦合系数的计算，如果在两杆的中心面上剖开，令该面为完全电壁〔Perfect E)和完全磁壁(Perfect H)，提取出剖面为电壁时腔体的谐振频率fe和剖面为磁壁时腔体的谐振频率fm，则两杆间的耦合系数为:
上式在同步调谐弱耦合的情况下是很准确的。在HFSS中计算出该腔体的两个谐振频率f2、f1，如图2,则两杆间的耦合系数为:
3设计实例
3. 1梳状线腔体滤波器
本文设计加工了一个中心频率3890MHz，相对带宽约14%的7阶圆杆带通滤波器。采用切比雪夫低通原型，当回波损耗25dB时，得到归一化低通原型数值:
3.2方腔同轴滤波器
本文还设计加工了一个中心频率6200MHz,相对带宽约0.5%的3阶圆杆带通滤波器，也采用了切比雪夫低通原型，回波损耗25dB时，得到归一化低通原型数值:
由公式算出耦合系数k12=0.0059和品质因素Qe= 139。两腔之间的耦合由窗口实现，由于Q值很高，输入输出并不直接连接谐振杆，而是采用耦合的结构，见图6.经调试后通带最大插损3. 8dB，起伏0.2dB，中心频率正负200MH:处衰减大于48dB,驻波小于1.3,测试结果导人ansoft软件得到滤波器响应S21和S11(图8)。
交叉耦合是这几年国内滤波器研究的热点，同轴腔是其形式之一。它是通过引人非相邻腔之间的辐合可以在通带附近产生传输零点，使通带到衰减的过滤更为陡峭。设计此类滤波器首先是由指定的传输零点用递归循环的办法构造出滤波器的传输和反射函数多项式，由此多项式综合出低通原型元件值，最终转换出耦合矩阵。
如果按照3.2例子的指标:中心频率6200MHz，相对带宽约0.5，回波损耗25dB，传输零点设在6120MHz和6280MHz对称的频率点上，则可以综合出下面的耦合矩阵:
4交叉耦合滤波器
由仿真结果(图9)可见，这种滤波器产生了两个有限的传输零点。对于相同的阶数，同样是-60dB的阻带位置，切比雪夫滤波器在中心频率±8的位置(频率值为低通原型的规一化值)，而带交叉耦合的滤波器的阻带在±5的位置，很明显过渡带变陡了。
因此，使用交叉耦合可以减少滤波器的阶数，在满足设计指标要求的同时减小了插人损耗，此时设计滤波器的关键问题由原来的确定阶数变为确定交叉耦合的位置。本文利用matlab软件编程对一定结构和参数的滤波器进行了初步仿真分析，试图找出一种能快速设计此类滤波器的方法。
5调试方法
滤波器的仿真设计仅仅是近似设计，它忽略了实际加工中的误差，而且实际滤波器受环境的影响也和仿真时假定的理想环境不一样，这就需要通过调试使滤波器特性满足设计的要求，因此调试是腔体滤波器生产中的必要环节。
调试滤波器的常用方法是利用网络分析仪监测s参数响应的变化，调整调谐螺钉深人腔体内部的长度来改变谐振单元的中心频率以及耦合的强弱使插人损耗、带外抑制和带宽满足设计要求。一般情况，先将调节频率的螺钉依次旋进，直到通带的图形基本上在中心频率左右，之后调节耦合螺钉以减小波纹，再反复调节螺钉直到满足指标要求。
还有一种方法是依次调谐输人反射系数群时延。因为输人反射系数群时延包含有设计和调试滤波器的所有信息，并且滤波器中心频率的群时延值可以写成由低通原型值所组成的简单的一项。通过估算群时延的值，再经反复调试可以得到良好的频率响应。
6结论
本文以耦合谐振带通滤波器为研究对象，设计了几种形式的腔体滤波器，设计方法简便迅速，通过调试得到的结果基本满足指标的要求，实用性较强。
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