一种快速设计同轴腔带通滤波器的方法new

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1、http://www.paper.edu.cn一种快速设计同轴腔带通滤波器的方法李凯，黄建中国电子科技集团公司，成都（610036）E-mail：likaizi@163.com摘要：本文采用综合加上优化的方法，应用CAD软件，建立电路模型，得到所需的耦合系数和有载品质因数，再将电路模型与腔体结构结合起来，建立起腔体模型，通过优化，得到了较好的结果。关键词：耦合系数，有载品质因数，电路模型，滤波器调试1.前言同轴腔带通滤波器广泛应用于通信、雷达等系统，按腔体结构不同，一般分为标准同轴、方腔同轴等。同轴腔体具有体积比较小、Q值高，

2、易于实现等特点，特别适用于通带窄、带内插损小、带外抑制高的场合。本文采用综合加上优化的方法，首先，采用综合的方法得到原理电路和网络拓扑，可以保证设计的成功性；并且，根据原理电路得到的实际滤波器结构可以明确优化的变量和合理的初值（减少了优化次数）；继而，采用优化的方法可以修正实际结构响应函数与综合函数的差距，完成滤波器的设计。近年来，商用微波电路仿真、优化软件和电磁分析优化软件迅速发展。通过这些软件，可以建立起多种电路模型和实物模型。本文通过建立了一种带通滤波器的电路模型，在Ansoftdesigner软件中，分析优化得到有载品

3、质因数和腔体之间的耦合系数，再应用三维全波分析软件（Ansofthfss），分析了腔体结构参数与耦合系数和耦合窗之间的关系，得出了滤波器的耦合和输入输出结构参数。设计的滤波器的实际测试结果与仿真结果基本一致。以下面滤波器指标为例：中心频率：f=2.0175GHZ0带宽：18MHZ带内插损：≤1dB带内驻波：≤1.3带外衰减：f±30MHz处≥45dB02.电路模型根据指标要求，采用切比雪夫型滤波器，通过网络综合法(查表或者公式计算)可以得到滤波器级数为n＝5，低通原型参数为：g=g=1,g=g=1.1468，0615g2=g4

4、=1.3712,g3=1.9750[1]。数据带入（1）、（2）式，可以得到初始Qe值和各腔之间的初始耦合系数。g1Q=（1）ebwfW'Kij,='（W为相对带宽，ω1归一化时取1）（2）ωgg1ijkk==0.007113，kk==0.00542112452334-1-http://www.paper.edu.cnQ=128.5e在Ansoftdesigner软件中，建立如图1的电路模型，可以求出优化后的K和Q值：ij,e图1带通滤波器的整体电路图其中Q为腔体固有品质因数，根据实际情况取为2500，C与L满足公式uii1f

5、=，bwf为相对带宽，lamped=c/f，K=mb*wf，Q为有载品质因数。0ij,,ije2πCLii将指标要求、初始K值和Q值带入模型，经过几分钟的优化，得到图2的结果：ij,e图2带通滤波器的电路模型仿真波形得到此时各腔之间的耦合系数是：kk==0.006784,kk==0.004881（3）12452334有载品质因数：Q=118.7（4）e3.腔体的实现和电磁仿真优化将电路优化后的结果作为腔体结构设计和电磁仿真的出发点。可以采用标准同轴腔，如图3(a)：内导体一端短路（与外腔体的底面相接），当内导体长度小于四分之波

6、长时，等效为电感；另一端开路（与外腔的顶端有一定距离）等效为电容，就可以组成一个谐振回路。-2-http://www.paper.edu.cn为了使腔体的品质因数Q值高，通常选用外导体的直径与内导体的直径之比约为1比0.33。腔体的谐振频率可以由导体的长度确定，通过适当调节内外导体的长度，就可以实现所需要的频率。改变腔体的大小，可以实现所需要的功率[2]。根据指标要求，确定初始的内外导体半径和长度。有时，为了缩小体积，可以采用加圆盘的方法，为了对滤波器进行调节，可以采用加调谐螺钉的方法，如图3（b）：图3（a）标准同轴腔图3（

7、b）改进后的同轴腔（1）耦合孔尺寸的确定：对于两个完全相同的谐振腔之间的耦合系数的计算，可以采用在耦合孔的对称面上剖开，令对称面为完全电壁和完全磁壁，计算出的一个的耦合谐振腔在剖面为电壁时腔体的谐振频率f和剖面为磁壁时腔体的谐振频率f，如图4（a）、（b）。则两个完全相同的腔体的em耦合系数为：22f−femk=±,（5）22f+fem图4（a）标准同轴腔的双腔耦合模型图4（b）改进后的同轴腔双腔耦合模型通过调节耦合孔的大小和内导体的半径，可以得到式（3）所需要的耦合系数K，这ij,个过程通过十几次仿真即可完成，此时确定了耦合

8、窗的大小。（2）输入输出接头尺寸位置的确定：建立如图5（a）、（b）模型，输出端口设置为PML材料，通过改变（a）图的小天线的深度、（b）图的抽头焊接位置，可以得到所需要的Q。在HFSS中，通过本征模式求解，e得到其谐振频率，则Q可由下式求出：e22Re()Im()f+fQ=