一种交指腔体滤波器的设计_李玉峰.pdf

设计研发2022.24180 引言滤波器作为整个通信系统中必不可少的重要组成部分，其性能成为影响通信质量的重要因素。腔体滤波器是一种被广泛运用的频率选择硬件，其具有高 Q 值、高功率容量、低损耗等优秀性能，在通信、雷达、导航等领域获得了广泛的应用场景1-2。本文利用 HFSS 软件设计出了一款通带为 26GHz-30GHz的交指型腔体滤波器，并进行测试，验证了相关结论。1 滤波器方案选择不同的滤波器有不同的优势和缺点，一般情况下：在频率不高时，使用 LC 集总参数滤波器会比较方便；当插入损耗要求较低且需要小体积时，微带线滤波器会是不错的选择；但当频率过高时，微带线滤波器就会因其 Q 值太低而带来较大插损，此时使用高 Q 值、低损耗的腔体滤波器更加合适3。本次设计中要求通带范围 26-30GHz,换算为相对带宽为14.32%，最大电压驻波比小于 2，说明可以容忍一定的通带纹波，所以本文选择采用切比雪夫低通原型滤波器进行设计。2 低通原型到微波电路的转换低通滤波器的结构如图 1 所示。在原型低通滤波器中，图 1 中各个元件的感抗都能在低通原型电路的模型上找到。g02n-1gn+1g1gn图 1 低通原型电路此电路可转化成一种仅由一种电抗元件组成的等效低通电路。g0gn+1Kn,n+1K01图 2 仅有一种电抗元件的低通电路此电路利用了阻抗变换器消去了原电路的电感，方便之后低通到带通的频率变换。010BW=(1)经过式 1 的频率变换，图 2 中的电容则变换为了一个并联谐振回路，而阻抗变换器不会随着频率变化，于是有如图 3电路图：g0gn+1Kn,n+1K01图 3 谐振腔模型与其等效电路一种交指腔体滤波器的设计李玉峰，刘裕，梁明珅（沈阳航空航天大学 电子信息工程学院，辽宁沈阳，110136）摘要：介绍了交指型腔体滤波器的设计步骤并分析其制作难点，并根据该步骤设计出一款通带为 26GHz-30GHz 的宽带带通滤波器。借助 HFSS 仿真软件进行建模仿真及迭代优化，最终得出此腔体滤波器结构的合理有效尺寸。结果显示滤波器实物在通带内电压驻波比、阻带内带外抑制良好，满足工程需求。关键词：腔体滤波器；HFSS 仿真；切比雪夫；交指；宽带中图分类号：TN713 文献标识码：A DesignofUltraWidebandInterdigitalCavityFilterLi Yufeng,Liu Yu,Liang Mingshen（College of Electronic Information Engineering,Shenyang Aerospace University,Shenyang Liaoning,110136）Abstract:The steps and difficulties of designing Interdigital Cavity Filter were theoretically analyzed and a 26GHz-30GHz band-pass filter was realized through the steps mentioned earlier.The reasonable and effective sizes of the structure was achieved with the help of the simulation software HFSS.The result shows that the performance of the VSWR in the passband and the stopband suppression could fulfil the engineering requirements.Keywords:Cavity Filter;HFSS;Chebyshev;Interdigital;WidebandDOI:10.16520/ki.1000-8519.2022.24.002设计研发2022.2419此时电路中的阻抗变换器可以看成两谐振腔之间的耦合，而耦合系数可由式 2 计算得出5：,1111|j jjniiBWkg g+=+=(2)而阻抗变换器 K0,1和 Kn,n+1则起到控制外部品质因数 Qex的作用：01exg gQBW=(3)3 滤波器仿真设计以上的内容指出了微波滤波器的理论基础，此部分将通过模型仿真将上述理论基础实现。3.1 谐振腔仿真实际应用中，TX10模的横向电波是波导传输电磁波的主要形式，在相同截止波长下，它具有最宽的工作频带、最小的电磁波衰减和最小的波导尺寸，因此其应用范围也最广4。所以我们将以 TX101模为谐振腔的主要模式，对谐振腔进行设计。为了设计出拥有正确中心频率 f0的谐振腔，首先是确定腔体大小。底面为正方形的长方体谐振腔的 TX101模谐振频率可由式 4 得出：221012cfaa=+(4)经过计算，中心频率 f0为 27.93GHz 的底面边长约为7.6mm。图 4 谐振空腔模型由于谐振空腔难以实现谐振腔之间的耦合，所以需要在谐振腔中间加入谐振柱，将电场聚集到谐振柱顶端。添加了谐振柱，相当于在谐振腔内添加电感并在谐振柱顶部加载电容，根据谐振频率公式：012fLC=(5)当在 L 与 C 同时增大，且 C 无法避免的情况下，需要在其他部分大大减小 L，即缩小腔体大小，才能使谐振腔的 f0不变。于是可得图 5 所示谐振腔模型。为了为焊接留出空间，没有将腔体的长度同步减小，而是减小了腔体的宽度和高度。最终通过仿真可以得出带谐振柱的腔体数据：此腔体长 7mm，宽 2.55mm，高 2.7mm，其中的谐振柱长 0.8mm，宽 0.6mm，高 1.88mm。(a)单腔仿真模型 (b)单腔等效电路图 5 谐振腔模型与其等效电路3.2 耦合仿真确定耦合关系的第一步是确定滤波器级数。腔体阶数公式：0.110.11101101AsArLLscoshncosh(6)式中的通带纹波 LAr可由回波损耗计算出来，回波损耗、电压驻波比、反射系数的关系如式 7、式 8 所示：11VSWR+=(7)20*logRtnLoss=(8)于是，回波损耗与电压驻波比的公式可得：120*log1VSWRRtnLossVSWR=+(9)技术指标要求VSWR最大为 2，可计算出对于此滤波器通带回波损耗最小为 9.55dB。回波损耗与通带纹波ArL的关系如式 10 所示：()()0.1*10*log 1 10RtnLossArL=(10)计算得出通带纹波 LAr的值为 0.51dB。但通常微波滤波器的回波损耗不会仅有 9.55dB，于是取回波损耗为 15dB，则此时通带纹波 LAr为 0.14dB。根据项目需求，滤波器需要在 39GHz 处阻带衰减达到85dB，于是 LAs取 85dB，s也可通过下式求出：001sssffBWff=(11)式 11 中的sf即为上文中的 39GHz。于是式 6 中的所有量都已知，可以计算出5.4n，于是滤波器阶数最少为 6 阶。为了为设计留出余量，同时由于切比雪夫滤波器在奇数阶时结构对称，最终选定低通原型滤波器 7 阶。g1=g7=1.1811，g2=g6=1.4228，g3=g5=2.0966，g4=1.5733。确定阶数后就可以通过对应的低通原型确定设计的外部品质因数 Qex和两腔间耦合系数 Ki,i+1。这两个值可通过式设计研发2022.24206、7 计算得出：1,26,70.110484kk=，2,35,60.082925kk=，3,44,50.078859kk=，Qex=7.05。理论耦合系数已计算出，下一步就是建模仿真。(a)双腔仿真模型 (b)双腔等效电路图 6 腔间耦合模型与其等效电路等效电路图中的 K 表示一个阻抗变换器，不是电阻。通过 HFSS 软件，可以直接得出耦合模型的两个模式的谐振频率 f1和 f2，通过 f1和 f2即可计算出此模型实际实现的耦合系数：2212,12212|()i iffKff+=+(12)调整两腔间距离，使 Ki,i+1与计算的 Ki,i+1相同，此时腔间距离即为所需。仿真可得耦合系数 K 与腔体间距 d 的关系如图 7 所示。图 7 耦合系数与腔体间距关系由图 7 可得，两腔间距离越近，耦合系数越高。在图表纵轴分别找到各理论耦合系数值，即可在横轴找到对应两腔间距离：对应的 d1=2.24mm，d2=2.52mm，d3=2.57mm。3.3 抽头仿真抽头主要影响的参数是外部品质因数 Qex，常见的三种抽头结构如图 8 所示。图 8 三种抽头结构这三种抽头结构分别为直接耦合、感性耦合和容性耦合。由于后两种耦合方式结构复杂，难以在如此小的腔体中实现。所以这里采用直接耦合方式来完成设计。直接耦合结构是通过 s 调节抽头高度来调整其 Qex的6。Qex与抽头高度的关系如图 9 所示。图 9 抽头结构 Qex与抽头高度的关系从图 9 中可以看出：对于抽头结构，Qex与抽头高度成负相关。找到 Qex=7.05 对应的抽头高度约为 1.2mm。3.4 完整滤波器仿真将 7 个谐振腔按照计算出的腔体间距 d 进行组合，并在头尾两腔安装抽头，得出完整腔体模型：图 10 完整滤波器模型抽头外侧是 50 欧姆同轴线，内外导体间采用特氟龙材质，还能起到支撑效果，谐振柱顶部是 M1.6 调谐螺丝。可以通过调整上下两侧调谐螺钉长度，优化仿真结果。上述模型经过仿真的到了 S 参数如图 11 所示。图 11 滤波器 S 参数仿真结果经测试，模型的通带回波损耗大于 14dB，满足工程需求的 9.55dB，且满足在 39GHz 大于 85dB 的阻带衰减。4 结束语本文阐述了微波滤波器的理论依据，并依据理论通过仿真软件设计了一款宽带交指腔体滤波器。在 HFSS 仿真中：滤波器模型已经能达到 26-30GHz 通带内回波损耗大于 14dB、39GHz 阻带衰减大于 85dB 的结果。（下转第 127 页）科技论坛2022.241273.3 自动评分模块的设计自动评分模块是模拟练习系统的核心部分，其实创建题库和自动评分类似，都是读取文件的设置值，因此将读取标准答案和自动评分合成在一个模块中。但自动评分模块更加复杂，因学生水平不同，操作完成情况不同，在设计评分条件时，就需要考虑学生提交的文件里出现的各种可能性，只有尽可能考虑全面，才能正确判断学生的操作是否正确完成。例如试题要求删除一个文件夹，创建题库时只需要设置条件为同名文件夹不存在，但是在评分时，还需要考虑是不是学生没有删除文件夹，而是将文件夹重命名。因此自动评分模块的设计思路是正确评分的关键。在整个系统中除自动评分模块外，其他模块是通用的，如果将来计算机等级考试大纲发生变化，或计算机教材发生变化，那只需额外设计相应的评分模块，系统即可正常使用。对应计算机等级考试 MS OFFICE 一级的五个操作模块，分别设计五个子模块来一一处理。Windows模块:系统读取考生文件夹内的文件夹（文件），判断文件夹（文件）是否存在、名称或属性是否正确。Word、Excel、PowerPoint 模 块：从 2007 Microsoft Office System 开始，Word、Excel 和 PowerPoint 均采用了基于 Open XML 的文件格式。利用 OXML 文档的结构，系统可对Word、Excel 和 PowerPoint 文档进行读取处理，如果正确完成某步操作，则文档中有对应的 XML 元素，因此可利用文档中是否存在指定的 XML 元素来判断操作是否正确完成。学生在完成操作后，一定先将对应的软件关闭，系统会在考生文件夹内寻找指定的文件，然后从数据库中读取出本道试题的评分标准，根据评分标准，读取考生文件内的 XML 元素并进行真假判断，循环判断完所有的评分点，最后给学生展示出该题每项要求的得分，及时给学生反馈操作的完成情况。Internet 模块：Internet 部分主要考核两个方面，一是网络浏览器的使用，二是电子邮件的收发。根据计算机等级考试