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1800M Hz同轴谐振微波介质滤波器的结构设计及其仿真①樊 鹏 周东祥 赵 俊 黄 川(华中科技大学电子科学与技术系 武汉 430074)摘 要研究1800MHz的微波介质滤波器的设计原理和计算方法,同时使用高频结构仿真软件对所设计的滤波器进行了仿真分析。
所要求的滤波器的参数指标为:中心频率f0=1800MHz,插入损耗IL<2.5dB,3dB带宽BW=45MHz,带内波动A p <1.5dB,100MHz处带外抑制A s>25dB。
关键词:介质滤波器 HFSS 仿真中图分类号:TP39119Structure Design and Simulation of a1800M H z Microw ave Dielectric Filter Using Coaxial R esonatorsF an Peng Zhou Dongxiang Zhao Jun H u ang Chu an(Dept.of Electronic Science and Technology,HUST,Wuhan 430074)Abstract:This paper introduces the design principle and calculating method of a1800MHz microwave dielectric filter consist2 ing of coaxial resonator,and uses High Frequency Structure Simulation(HFSS)software to simulate the design.The required pa2 rameters of the microwave band pass dielectric filter:center frequency f0=1800MHz,insertion loss IL>2.5dB,3dB band BW= 45MHz,ripple in the band A p<1.5dB,the attenuation in the stopband A s>25dB.K ey w ord:dielectric filter,HFSS,simulationClass number:TP391.91 引言介质滤波器是由介质谐振器构成的滤波器。
目录摘要—————————————————————————————2前言—————————————————————————————2一、微波概论—————————————————————————31.微波————————————————————————————32.微波的特点和应用——————————————————————42.1 微波波长段易于实现定向辐射————————————————42.2 频率高、频带宽、信号容量大————————————————52.3 视距传播能穿透电离层———————————————————52.4 微波的热效应和微波能的应用————————————————6二、滤波器原理———————————————————————61.滤波器的基本概念——————————————————————62. 滤波器设计的两种出发点——————————————————103.滤波器原型————————————————————————11 3.1 最平坦低通原型滤波器———————————————————11 3.2 切比雪夫低通原型滤波器—————————————————123.3 椭圆函数低通原型————————————————————13三、微波传输线———————————————————————141.微波传输线—————————————————————————142.微带线———————————————————————————14 2.1微带传输线的构成——————————————————————142.2微带线的特性阻抗——————————————————————153.微带线的特点与应用—————————————————————18四、直接耦合短截线带通滤波器的设计与仿真———————————191.两种短截线滤波器——————————————————————192.设计步骤——————————————————————————213.仿真运行与优化———————————————————————24五、总结———————————————————————————28六、参考文献—————————————————————————29[摘要]本文对微波理论及微波滤波器作了详细的介绍。
Telecom Power Technology设计应用技术一种腔体滤波器全腔仿真的方法孟弼慧，孙雷，刘志军（京信射频技术（广州）有限公司，广东腔体滤波器的应用十分广泛，然而目前的腔体滤波器的仿真设计与实物加工往往存在较大偏差。
该背景下，介绍了一种腔体滤波器仿真方法，采用导纳矩阵提取滤波器的耦合矩阵及谐振频率，通过优化和迭代从而达到腔体滤波器全腔精确仿真的目的。
通过实例分析与样品制作，验证该方法可行，仿真效率耦合矩阵；谐振频率；腔体滤波器A Full Cavity Simulation Method for Cavity FilterMENG Bihui, SUN Lei, LIU Zhijun(Jingxin Radio Frequency Technology (Guangzhou) Co., Ltd., GuangzhouAbstract: During the construction of mobile communication networks, cavity filters are widely used, but theresimulation design and physicalthis context, the article introduces a simulation method for cavity filters, which uses admittance matrix to extract the 2023年7月10日第40卷第13期· 29 ·Telecom Power TechnologyJul. 10, 2023, Vol.40 No.13孟弼慧，等：一种腔体滤波器 全腔仿真的方法（1）多端口导纳矩阵谐振频率提取的方法。
根据滤波器设计理论，对于一个无功率损耗的谐振器，其谐振时实部与虚部为0。
各谐振器的谐振频率计算公式为()(){}n3n,3n ωIm 0y ω =（2）式中：ω表示角频率，ω=2πf ；f 表示谐振频率；ωn 表示第n 个谐振器的角频率；y (3n,3n)(ω)表示第n 个谐振器对应的导纳矩阵中的Y 参数。
微波滤波器设计与仿真一、实验原理：二、实验步骤：一、低通滤波器设计与仿真：。
三、实验结果：m1m22.8 2.93.0 3.1 3.2 3.32.7 3.4-60-50-40-30-20-10-700f req, GHzd B (S (1,2))m2freq=dB(S(1,2))=-1.2173.050GHz 2.82.93.03.13.23.32.73.4-60-50-40-30-20-10-700f req, GHzd B (S (2,1))2.82.93.03.13.23.32.73.4-30-25-20-15-10-5-350f req, GHz d B (S (2,2))2.8 2.93.0 3.1 3.2 3.32.73.4-30-25-20-15-10-5-350f req, GHzd B (S (1,1))m1freq=dB(S(1,1))=-20.83.0GHz四、实验思考题：（1）如果仿真中发现微带带通滤波器通带的中心频率偏高50MHz ，则应当增加还是减小耦合线的长度，才能使通带移到正确的频率？ 答：因为耦合线节的长L 约为四分之一波长。
如果测试中发现滤波器通带的中心频率偏高50MHz ，则说明波长变小，则耦合线节的长L 偏小。
所以应该增加耦合线节的长度，使波长变长，从而使频率降低。
（2）在优化仿真中加大S 参数仿真的频率范围，微带带通滤波器的寄生通带将会出现在什么频率上。
答：微带带通滤波器的寄生通带将会出现在12GHZ 附近。
（3）信号通过滤波器时产生的衰减可能来自哪几个方面？答：1、阻抗不匹配造成的反射，可通过匹配削弱2、导体损耗可选择合适的谐导体材料。
3、介质损耗选择损耗角正切小的介质。
五、实验心得：本次实验是设计集总参数微波滤波器和分布参数滤波器，个人觉得集总参数滤波器的设计过程简单，具体功能容易实现，分布参数所调配的参数相对较难，花了比较就久的时间才得了结果。
第２２卷第４期２００６年８月微波学报ＪＯＵＲＮＡＬ０ＦＭＩＣＲＯＷＡＶＥＳＶ０１．２２Ｎｏ．４Ａｕｇ．２００６文章编号：１００５－６１２２（２００６）０４ＪＤ０５３舭微波腔体滤波器的快速设计及仿真＋邓贤进１’２李家胤２张健１（】．中国工程物理研究院电子工程研究所，绵阳６２１９００；２．电子科技大学，成都６１０Ｑ５４）摘要：经典的微波腔体滤波器设计往往需要大量的复杂公式计算和繁琐的曲线查找。
快速设计方法正是为了避免这样的过程。
以梳状线带通滤波器为例，通过计算几个典型的归一化杆径和归一化间距，绘制出分别以相对带宽为横坐标，归一化杆径和归一化间距为纵坐标的快速简便的设计曲线。
用ＡＮｓＯＦｒ．ＨＦｓｓ仿真软件对用该方法设计出的微波带通滤波器进行结构仿真，最后得到满意的结构设计尺寸，实验测试结果达到了技术指标要求，验证了该方法的正确性。
关键词：微波腔体滤波器，相对带宽，结构仿真ＦａｓｔＤｅｓｉｇｎａｎｄＳｉｍｌｌｌａｔｉｏｎｆｏｒＭｉｃｒｏｗａＶｅＣａＶｉｔｙＦｉｌｔｅｒＤＥＮＧＸｉａｎ．ｊｉｎｌ”，ＵＪｊａ－ｙｉｎ９１，ＺＨＡＮＧＪｊ柚２（１．风ｆ．旷Ｅｚｅ以ｒＤｎ如魄ｉ聊ｅ＾ｎｇ，ｃＡＥＰ，批，咿昭６２１９００，ｍｉ加；２．咖如ｅ倦渺旷Ｅｋ￡ｒＤ疵＆如ｎｃｅ口，ｌｄ‰ｌＩｌ加研旷吼ｉＭ，ｃｋ，ｌｇｄｕ６１００５４，吼ｉ№）Ａｂｓｔｒａｃｔ：ＴｈｅｄｅｓｉｇｎｏｆＣｌ聃ｓｉｃａｌｍｉｃＩＤｗａｖｅｃａｖｉｔｙｆｉｌｔｅｒｒｅｑｕｉｒｅｓｌａｒｇｅｎｕｍｂｅｒｓｏｆｃｏｍｐｌｉｃａｔｅｄｆｏｎｎｕｌａｅａｎｄｎｕｍｅｒ．ｃｕｎ，ｅｓ．Ａｆａｓｔａｎｄｓｉｍｐｌｅｄｅｓｉｇｎｍｅｔｌｌｏｄａｖｏｉｄｔｌｌｅｓｅｐｒｏｃｅｓｓ．ＴａｋｉｎｇｐｅｃｔｉｎａｔｅｂａＩＩｄｐ嬲ｓｆｉｌｔｅｒｆｏｒｅｘａｍｐｌｅ，ｂｙｃａｌｃｕ—ｌａｔｉｎｇｓｏｍｅｔｙｐｉｃａｌｎｏ珊ａｌｉｚｅｄｄｉａｍｅｔｅｒｓａｎｄｓｐａｃｅｓｂｅｔｗｅｅｎｏｆｐｏｌｅｓ，ａｆ缸ｔａｎｄｓｉｍｐｌｅｄｅｓｉｇｎｉｓｏｂｔａｉｎｅｄｉｎｗｈｉｃｈ，Ｘ—ｃ００ｒｄｉｎａｔｅｉｓｆｏｒｒｅｌ砒ｉｖｅ诵ｄｅｂ蚰ｄ，Ｙ—ｃｏｏｒｄｉｎａｔｅｉｓｆｏｒｎ０咖ａｌｉｚｅｄｄｉａｍｅｔｅｒａｎｄｓｐａｃｅｂｅｔｗｅｅｎｏｆｐ０１ｅｒｅｓｐｅｃｔｉｖｅｌｙ．ＢｙｍｅａｎｓｏｆＡＮＳＯＦＴ—ＨＦＳＳ８０ｆｔｗａｒｅ，ｓｔｍｃｔｕｒｅｓｉｍｕｌａｔｉｏｎｆｏｒｔｌｌｉｓｍｉｃｒｏｗ“ｅｂａｎｄｐａｓｓｆｉｌｔｅｒｄｅｓｉｇｎｅｄｂｙｔｈｉｓｗａｙｓｂｅｃｈｉｅｖｅｄ．Ｆｉｎａｌｌｙ，Ａｓａｔｉｓｆａｃｔｏｒｙｓｔｍｃｔｕｒｅｓｉｚｅｉｓｏｂｔａｉｎｅｄ，ｗｈｉｃｈｍｅｅｔｓｔｈｅｓｐｅｃｉ６ｃａｔｉｏｎｓａｎｄｔｈｅｖａｌｉｄｉｔｙｉ８ｐｒｏｖｅｄｂｙｅｘｐｅｒｉ—ｍｅｎｔａｌｒｅｓｕｌｔ．Ｋｅｙｗｏｒｄｓ：Ｍｉｃｍｗａｖｅｃａｖｉｔｙ矗ｌｔｅｒ，Ｒｅｌａｔｉｖｅｂａｎｄｗｉｄｔｈ，Ｓｔｍｃｔｕｒｅｓｉｍｕｌａｔｉｏｎ引言由于现代微波滤波器的结构设计涉及到大量的公式计算和图表，要准确设计出所需的滤波器，需要大量的计算和曲线查找，特别是在设计圆杆型的滤波器时，需要一级一级地推算出滤波器的尺寸，工作量很大。
同时，在设计过程中，杆的电特性是用各杆对地的单位长自电容ｃ。
和相邻两杆的单位长互电容ｃ鼬＋，来表现的，忽略了相邻以外的边缘电容的影响，这样表示并不很准确…。
此外，在查曲线时也存在较大的误差。
所以，从滤波器的设计过程来看，不可能做到完全准确，都有一定的近似。
但这些不会影响滤波器的设计，因为我们可以在调试时通收稿日期：２００５国７—１３；定稿日期：２００５一１１＿０１基金项目：“十五”国防预研课题（４２１０１０９－３）过改变可调螺钉的位置来弥补这些近似。
这正是快速设计方法的依据。
从经典的滤波器计算公式和图表曲线可以看出，滤波器的级数ｎ和相对带宽是影响滤波器各种尺寸大小的重要因素，随着相对带宽的增大，带通滤波器的归一化杆径和归一化间距减小。
滤波器设计好后，可以通过改变集总电容的大小和调整调谐螺钉的位置来改变滤波器的中心频率。
所以滤波器可以在较宽的频率范围滑动，这样就可以把滤波器的频率调整到所需要的中心频率上。
正因为如此，为了避免繁琐的计算和复杂的设计步骤，可以以滤波器的相对带宽为横坐标，归一化杆径和归一化间距为纵坐标绘制出快速简便的微波带通滤波器的设计曲线。
从该曲线可以方便快速地５４微波学报２００６年８月设计出相对带宽不同的滤波器。
本文以圆杆梳状带通滤波器为例，通过该方法设计了一个相对带宽为２％，中心频率为５．２５ＧＨｚ，阶数ｎ＝４，取接地板问的间距６为１６ｍｍ的０．１ｄＢ切比雪夫波纹的带通滤波器。
将所设计出的尺寸作为初值，用ＡＮＳＯＦＴ·ＨＦＳＳ软件对滤波器进行了结构仿真，并做进一步调整，最后设计出了满意的滤波器。
１微波梳状带通滤波器的简要原理以梳状线带通滤波器的设计为例，它是一种能够得到宽阻带的带通结构，谐振器是由一端短路，一端经过一集总电容Ｃ，。
接地的一些平行耦合线所组成，图１为其示意图。
图中线ｌ到ｎ，及与其相关联的集总电容ｃ。
到ｃ。
构成了谐振器，而线０和忍＋１不是谐振器，只是末端阻抗变换段的一部分。
在这种形式滤波器中，谐振器之间的耦合是用谐振线之间的边缘场来得到的。
由于集总电容ｃ，６的存在，谐振线将小于谐振处的Ａ。
／４（其中Ａ。
是频带中心处传输媒质中的波长），谐振器之间的耦合主要是磁耦合效应¨１。
图ｌ梳状线带通滤波器示意图２快速设计曲线的绘制利用滤波器的设计公式求出滤波器所需的归一线电容后，再利用滤波器设计图表（此处略），在指定６（谐振腔的宽度）和￡（谐振器的宽度）后，就可以算出每个谐振线与地的归一单位长自电容和相邻谐振线间的归一单位长互电容。
由于在推导这种耦合圆杆的设计公式时，忽略了相邻以外的边缘电容的影响，因而可用两个沿结构传输的ＴＥＭ正交模来描述，即奇模和偶模。
这两个，Ｉ’ＥＭ模具有不同的特性阻抗，它们与圆杆对地的静电容有关，而静电容又与圆杆的单位长自电容ｃ。
和两圆杆间单位长互电容Ｃ。
有关。
所以，要用圆杆结构来实现滤波器的设计，第一步是要用归一互电容ｃ。
／８＝ｃ“＋ｌ／占在归一互电容Ｃ。
几与归一半间距１／２（ｓ／６）的关系曲线上画出相应的水平线，即常ｃ。
店线。
然后读出各常ｃ。
／ｓ线与一族常ｄ／６线的交点［１／２（ｓ／６），∥６］，把交点用光滑曲线联接起来，得到常Ｃ。
如曲线（本文未给出）。
然后，把滤波器结构分成许多小节，每个小节由归一自电容及其左右两边的归一互电容所组成。
再利用曲线和线性内插法一级一级地求出滤波器的归一直径和间距ｐ·。
另外，从滤波器的计算公式和图表曲线，以及设计中用到的方法（线性内插法）可以发现，归一互电容ｃ。
店与归一半间距ｌ／２（ｓ／６）的关系曲线在归一半间距１／２（ｓ／６）较小的地方变化较快，曲线变化较陡，而在归一半间距１／２（ｓ／６）较大的地方变化较慢，曲线变化平缓。
于是在设计的快速简便的滤波器设计曲线中也应该有这一大的趋势，即归一杆径在相对带宽较小的地方变化较快，曲线变化较陡，而在相对带宽较大的地方变化较慢，曲线变化平缓。
基于此，我们可以设计几个已知点，确定滤波器简便的设计曲线。
这里以设计相对带宽埘＝ｏ．５％，１％，５％，７％和１０％，阶数ｎ＝４的滤波器为例，分别用上面介绍的方法算出它们的归一杆径和归一间距（这里计算过程从略），并列表于表１中。
以相对带宽为横坐标，分别以归一化杆径和归一化间距为纵坐标建立平面坐标系。
把表ｌ中数据所对应的点标于坐标系中，并用光滑的曲线把这些点连接起来，就得到快速简便的滤波器设计曲线。
如图２、图３所示。
表１相对带宽与归一化杆径和归一化间距什点：Ｔ几惮ｈｗ‰矗～工甜甜吖：工赳廿 第２２卷第４期邓贤进等：微波腔体滤波器的快速设计及仿真５５［＼、—～—Ｌ｝ｔ｝ｉ：：：！三釜篷兰：三二：：图２归一化杆径快速设计图图３归一化间距快速设计图３曲线的应用设计一圆杆梳状带通滤波器，其相对带宽为２％，中心频率为５．２５ＧＨｚ，阶数ｎ＝４，取接地板间的间距６为１６ｍｍ，ｔ为３．２ｍｍ的０．１ｄＢ切比雪夫波纹的带通滤波器。
查图２、图３中Ａ。
，Ａ，，Ａ：和玩，曰。
，Ｂ：曲线，得到尺寸数据如下：圆杆直径：ｄｏ／６＝ｄ５／６＝０．５３８，贝０ｄｏ＝以＝０．５３８×１６＝８．６ｌｍｍｄ。
／６＝出／６＝０．３９，贝Ⅱｄ１＝也＝Ｏ．３９×１６＝６．２４ｍｍｄ２／６＝ｄ３／６＝０．３６６，贝９ｄｌ＝以＝０．３６６×１６＝５．８６ｍｍ轴线间距：ｓｊｌ／６＝．ｓ乞／６＝ｏ．８０，则ｓ：１＝ｓ４５＝ｏ．８０×１６＝１２．９６ｍｍｓ：２／６＝ｓ二／６＝１．５５，贝ｑｓ：：＝ｓ：。
＝１．５５×１６＝２４．８ｍｍｓ：３／６＝１．７０，则５：３＝１．７０×１６＝２７．２ｍｍ４ＡＮＳｏＦＴ－ＨＦＳＳ结构仿真本文采用一种支持结构仿真的软件Ａｎｓｏｆｔ－ＨＦ—Ｓｓ来进行滤波器仿真。
Ａｎｓｏｆｔ—ＨＦｓｓ软件是一种功能强大的三维电磁仿真分析软件，它具有强大的场分析功能，具有很高的精度。
特别是在设计微波电路方面有很大的用处。
根据上述尺寸在Ａｎｓｏｆｔ－ＨＦｓＳ中建立滤波器的仿真模型，设置好各种参数，然后进行结构仿真。
根据快速设计曲线查出的尺寸在进行仿真时，有可能出现仿真结果波纹较大，带外抑制不是太好的情况，需要进一步调整。
从经典滤波器的设计来看，圆杆Ｏ、圆杆１和圆杆４、圆杆５间的距离特别影响滤波器波纹的大小。
所以，这里调整＆，与文，的距离，使其从原来的１２．９６逐渐减小。
另外，如果在整个通带内的电压驻波比都非常低，只在频带中心处有一定的峰值，则需调整ｓ：：和ｓ二的大小，直到电压驻波比的峰值在整个通带内接近拉平。
通过多次的仿真，最终得到调整后的滤波器腔体内设计尺寸如图４所示（为了清楚地表示尺寸关系，图中将圆杆Ｏ、圆杆５与其他圆杆画在了同一侧面上）。
仿真结果如图５所示。
圆杆直径：ｄｏ＝ｄ５＝８．５８ｍｍ，ｄ１＝ｄ４＝６．１２ｍｍ，ｄ２＝ｄ３＝５．８６ｍｍ轴线间距：ｓ：１＝．ｓ４５＝１２．８６ｍｍ，．ｓ１２＝ｓ３４＝２４．５４ｍｍ，ｓ：３＝２６．８０ｍｍＯ．５．１０．１５—２０．３５—３０．３５．４０４５．５０４图４滤波器腔体内设计尺寸图５滤波器仿真结果根据上面的尺寸加工出了腔体滤波器产品，经过用Ａｇｉｌｅｎｔ的Ｎ８９７４Ａ测出的实际结果如图６所示，插损和纹波都较小，带宽也较准确，达到了满意的设计效果。
该产品已得到了成功的应用。
５结论从上面的设计方法可以看出，ｃＡＤ工具对滤波器的设计起着非常重要的作用。
由于ＨＦＳＳ软件占用的资源大，仿真运行所花费的时间较长，所以，初值的获得很重要。
