用hfss设计无螺钉波导filter

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1、Ansoft2004年用户通讯-137-加厚膜片带通滤波器的仿真设计杨东电子科技集团公司39所【摘要】本文详细论述由传统的薄电感膜片带通滤波器通过CAD仿真设计衍生出的加厚膜片带通滤波器设计原理，通过对单节电感膜片和多级电感膜片级联滤波器的电路特性的分析，并利用高频电磁场仿真软件HFSS进行计算设计，最后通过实际器件的测试进行验证。关键词：电感膜片低通原型K变换器S矩阵HFSS1．引言：传统的电感膜片耦合波导式带通滤波器是忽略电感膜片的厚度的，是通过线切割、焊接加工制造的。随着频率应用的提高，对于ku频段以上（电尺寸较小）的滤

2、波器在加工时会增加机加工的难度，同时加工精度也难以达到高频应用的要求，对于气密性要求条件也不易保证。通过增加膜片厚度，改变加工方法为ku频段以上（电尺寸较小）的带通滤波器设计提供了一种方法，可以降低机加工的难度，使加工精度易于达到设计需要。2．设计原理：既然是由增加膜片厚度来改变设计，通过对比薄、厚膜片的等效电路，得出它们在滤波器中级联时对电性能贡献的共性。并利用高频电磁场仿真计算优化出具体的电尺寸。按照滤波器设计理论，把阻抗匹配网络低通原型（LC梯形网络）变换成只有一种电抗元件低通原型，再变换成带通滤波器形式，就成为带通阻抗

3、匹配网络，其等效阻抗匹配网络如图1所示。X1X2XnK01K12K23Kn,n+1图1带通滤波器等效阻抗匹配网络其中串联谐振器Xn是用半波长谐振器实现，K变换器用电感膜片来实现。K变换器的A矩阵为：⎡0±jK⎤（1）⎢j⎥⎢⎣±K0⎥⎦对于波导对称电感膜片按厚度不同分为t≈0和t>0两种，等效电路如图2所示：jX1jX1Z0jXZ0Z0jX2Z0t≈0t>0图2两种不同厚度电感膜片等效电路滤波器设计时，根据设计要求计算出满足滤波要求的各级K变换器，根据上述等效电路A矩阵与各级K变换器A矩阵相等来求出满足各级K变换器的各电感参数

4、的值，再通过计算或查表来求出电尺寸。这是传统的设计方法，计算量大，对于厚电感膜片尺寸的确定没有图表可查，数值计算相当复杂，且计算精度难以保证。但是，忽略厚度的电感膜片波导滤波器因其电路简单，电参数少（仅一个电感参数）而易于计算，设计也很成熟。而对于两边有波导谐振腔体的单节膜片来讲，无论电感膜片有无厚度它们对滤波特性的贡献是相同的，也就是说它们的电特性是近似的，因此可以在忽略膜片厚度滤波器的设计基础上近似推广到有厚度膜片滤波器的设计上去。这一步是结合Ansoft公司高频电磁场仿真软件HFSS进行的。由于高频电磁场仿真软件是以S参

5、数来描述电路特性的，因此可以求出电感膜片的等效电路的S参数。对每节两边有波导谐振腔体的电感膜片的等效电路为：Kλ/4λ/4PartnersInDesign-138-Ansoft2004年用户通讯⎡0j⎤1/4波长的波导段的A矩阵为：（2）⎢⎥⎣j0⎦图3单节电感膜片等效电路单节电感膜片的A矩阵为：⎡0−j⎤K=K（3）⎢K⎥Z⎢−jK0⎥0⎣⎦⎡2⎤1−Kj2K单节电感膜片的S矩阵为：⎢22⎥（4）⎢1+K1+K⎥⎢2⎥jK1−K⎢⎥22⎢⎣1+K1+K⎥⎦2即：1−K，j2K。S11=2S12=21+K1+K根据各级K变换器

6、计算出满足滤波要求的各级电感膜片的S参数后，利用高频电磁场仿真软件建模进行优化拟合，确定出满足计算出的S参数的每个单节电感膜片的尺寸；最后级联出最终的滤波器尺寸，并再次优化，最终得到满足设计要求的滤波器。下面，就以实例进行说明。3．设计实例：设计要求：通带：12.25~12.75GHz阻带：14.0~14.5GHzLar<0.02dBLas>50dBVSWR<1.2波导：BJ120设计步骤：3.1设计低通原型F12.2512.7512.514.0λg32.4229.5430.9825.92可以求的：Wλ=0.093，W`/W1

7、=3.51，按契比雪夫低通原型设计，取Lar=0.01dB,由低通阻带衰减特性可以查出：n=6，LA=67dB。归一化元件值为：G0g1g2g3g4g5g6g710.78131.3601.68961.5351.4970.70981.10073.2计算各阻抗变换器的参数根据K变换器阻抗计算公式可以求出归一化阻抗：K01K12K23K34K45K56K670.43240.14170.09640.09070.09040.14170.43243.3计算每节膜片等效电路的S参数由公式（4）可求出每节的S11和S12：节数1234567S

8、11（dB）-3.29-0.35-0.16-0.14-0.16-0.35-3.29S12（dB）-2.75-11.12-14.38-14.9-14.38-11.12-2.753.4仿真建模进行优化：bLn单节建模，模型如图4所示。取膜片厚度为5mm，逐节计算各级尺寸使S11和