加厚膜片带通滤波器的仿真设计

！　獬　电子测量技术　ＥＩ　ＥＣＴＲＯＮＩＣ　ＭＥＡＳＵＲＥＭＥＮＴ　ＴＥＣＨＮＯＬＯＧＹ　第３Ｏ卷第８期　２００７年８月　

加厚膜片带通滤波器的仿真设计　

都兴强　宋冠群　杨　东　许家栋　

（西北工业大学电子信息学院　西安７１００７２）　

摘要：随着频率应用的提高，传统的电感膜片耦合波导式带通滤波器已经不能适应机加工的现有能力和精度要求。　

通过增加膜片的厚度可以降低对机加工能力的要求，同时也易于满足设计精度的要求。本文通过ＣＡＤ仿真设计，由　

传统的薄电感膜片带通滤波器设计原理演绎出加厚膜片带通滤波器的设计原理，并且通过对单节电感膜片和多级电　

感膜片级连滤波器电路特性的分析，得出了它们在滤波器中级联时对电性能贡献的共性。本文采用高频电磁场仿真　

进行计算，优化具体的电尺寸，给出了具体的设计实例。实测的结果和理论设计仿真的结果一致性较高。这种加厚膜　片的滤波器能够扩展到毫米波频段应用，而且易于加工；运用ｓ参数的等效性和高频电磁场仿真软件可以方便、准确　地设计出易于加工、性能良好的滤波器件。这种设计方法同样适用于其他微波器件的设计（如电感销钉滤波器等）。　

关键词：厚膜片；滤波器；仿真计算；ＨＦＳＳ　中图分类号：ＴＮ７１３　文献标识码：Ａ　

Ｓｉｍｕｌａｔｉｏｎ　ｄｅｓｉｇｎ　ｆｏｒ　ｂａｎｄ—ｐａｓｓ　ｆｉｌｔｅｒ　ｗｉｔｈ　ｔｈｉｃｋ－ｆｉｌｍ　

Ｅｂｕ　Ｘｉｎｇｑｉａｎｇ　Ｓｏｎｇ　Ｇｕａｎｑｕｎ　ｒａｎｇ　Ｄｏｎｇ　Ｘｕ　Ｊｉａｄｏｎｇ　（Ｎｏｒｔｈｗｅｓｔ　Ｐｏｌｙｔｅｃｈｎｉｃａｌ　Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ，Ｘｉ’ａｎ　７１００７２）　

Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｗｉｔｈ　ｔｈｅ　ｉｎｃｒｅａｓｉｎｇ　ａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎｓ　ｏｆ　ｈｉｇｈ－ｆｒｅｑｕｅｎｃｙ　ｂａｎ＆ｐａｓｓ　ｆｉｌｔｅｒｓ，ｔｈｅ　ｃｏｎｖｅｎｔｉｏｎａｌ　ｉｎｄｕｃｔｉｖｅ　ｔｈｉｃｋ－ｆｉｌｍ　

ｂａｎｄ　ｐａｓｓ　ｆｉｌｔｅｒ　ｃａｎｎｏｔ　ｍｅｅｔ　ｔｈｅ　ｃｕｒｒｅｎｔ　ｍａｎｕｆａｃｔｕｒｉｎｇ　ｃａｐａｂｉｌｉｔｙ　ａｎｄ　ａｃｃｕｒａｃｙ　ｒｅｑｕｉｒｅｍｅｎｔｓ．Ｂｙ　ｍａｋｉｎｇ　ｔｈｅ　ｆｉｌｍ　ｔｈｉｃｋｅｒ　ａｎｄ　ｍａｉｎｔａｉｎｉｎｇ　ｔｈｅ　ｅｑｕｉｖａｌｅｎｔ　ｅｌｅｃｔｒｉｃａｌ　ｃｈａｒａｃｔｅｒｉｓｔｉｃｓ，ｔｈｅ　ｒｅｑｕｉｒｅｍｅｎｔｓ　ｏｎ　ａｃｃｕｒａｃｙ　ａｎｄ　ｍａｎｕｆａｃｔｕｒｉｎｇ　

ｃａｐａｂｉｌｉｔｙ　ｃａｎ　ｂｅ　ｅａｓｉｌｙ　ｍｅｔ．Ｔｈｉｓ　ｐａｐｅｒ　ｄｅｓｃｒｉｂｅｓ　ｔｈｅ　ｄｅｓｉｇｎ　ｐｒｉｎｃｉｐｌｅ　ｏｆ　ｔｈｉｃｋ－ｆｉｌｍ　ｂａｎｄ—ｐａｓｓ　ｆｉｌｔｅｒ　ｄｅｒｉｖｅｄ　ｆｒｏｍ　ｔｈｅ　ｃｏｎｖｅｎｔｉｏｎａｌ　ｉｎｄｕｃｔｉｖｅ　ｔｈｉｎ－ｆｉｌｍ　ｂａｎ＆ｐａｓｓ　ｆｉｌｔｅｒ　ｄｅｓｉｇｎ　ｂｙ　ＣＡＤ　ｓｉｍｕｌａｔｉｏｎｓ．Ｔｈｅ　ｅｌｅｃｔｒｉｃ　ｃｈａｒａｃｔｅｒｉｓｔｉｃｓ　ｏｆ　ｓｉｎｇｌｅ－ｎｏｄｅ　

ｉｎｄｕｃｔａｎｃｅ　ｆｉｌｍ　ａｎｄ　ｍｕｌｔｉｓｔａｇｅ　ｉｎｄｕｃｔａｎｃｅ　ｆｉｌｍ　ｃａｓｃａｄｅ　ｆｉｌｔｅｒ　ｈａｖｅ　ｂｅｅｎ　ｃｏｍｐａｒｅｄ　ａｎｄ　ａｎａｌｙｚｅｄ．Ｔｈｅｉｒ　ｃｏｌｎｌｌｌＯｌｌ　ｃｏｎｔｒｉｂｕｔｉｏｎｓ　ｔｏ　ｔｈｅ　ｅｌｅｃｔｒｉｃａｌ　ｃｈａｒａｃｔｅｒｉｓｔｉｃｓ　ｏｆ　ｔｈｅ　ｆｉｌｔｅｒ　ｈａｖｅ　ｂｅｅｎ　ｖｅｒｉｆｉｅｄ．Ｔｈｅ　ＨＦＳＳ（ｈｉｇｈ　ｆｒｅｑｕｅｎｃｙ　ｓｉｍｕｌａｔｉｏｎ　ｓｙｓｔｅｍ）ｉｓ　ｕｓｅｄ　ａｓ　ａ　ｔｏｏｌ　ｆｏｒ　ｄｅｓｉｇｎ，ｓｉｍｕｌａｔｉｏｎ　ａｎｄ　ｏｐｔｉｍｉｚａｔｉｏｎ，ａｎｄ　ｔｈｅ　ｄｅｓｉｇｎ　ｅｘａｍｐｌｅ　ｉｓ　ａｌｓｏ　ｄｅｍｏｎｓｔｒａｔｅ＆Ｔｈｅ　ｍｅａｓｕｒｅｄ　ｒｅｓｕｌｔｓ　ａｒｅ　ｉｎ　ｃｏｎｓｉｓｔｅｎｔ　ｗｉｔｈ　ｔｈｅ　ｓｉｍｕｌａｔｉｏｎ　ｒｅｓｕｌｔｓ　ｖｅｒｙ　ｗｅｌ１．Ｔｈｉｓ　ｆｉｌｔｅｒ　ｄｅｓｉｇｎ　ｍａｋｅｓ　ｍａｎｕｆａｅｔｕｒｅ　ｅａｓｉｅｒ　ａｎｄ　ｉｍｐｒｏｖｅｓ　ｔｈｅ　ｐｅｒｆｏｒｍａｎｃｅ　ｏｆ　ｐｒｏｄｕｃｔ￣Ｔｈｅ　ｄｅｓｉｇｎ　ｐｒｉｎｃｉｐｌｅ　ｉｎｔｒｏｄｕｃｅｄ　ｉｎ　ｔｈｉｓ　ｐａｐｅｒ　ａｌｓｏ　ｃａｎ　ｂｅ　ａｐｐｌｉｅｄ　ｉｎｔｏ　ｍｉｌｌｉｍｅｔｅｒ　

ｗａｖｅ　ａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎｓ　ａｎｄ　ｕｓｅｄ｛ｏｒ　ｏｔｈｅｒ　ｍｉｃｒｏｗａｖｅ　ｃｏｍｐｏｎｅｎｔｓ．　Ｋｅｙｗｏｒｄｓ：ｔｈｉｃｋ　ｆｉｌｍ￣ｆｉｌｔｅｒ；ｅｍｕｌａｔｉｏｎ；ＨＦＳＳ　

０引　言　１设计原理　

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　频段以上（电尺寸较小）的滤波器　

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ｋｆｌ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。　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，就成为带通阻抗匹配网络，其等效阻抗　

匹配网络如图１所示。　

噬弼　

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　

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器用电感膜片来实现。　

Ｋ变换器的Ａ矩阵为：　

厂０　±ｉＫ７　ｌ＋ｊ／Ｋ　ｏ　Ｊ　（　）　

对于波导对称电感膜片按厚度不同分为　≈Ｏ和　＞Ｏ　

两种，等效电路如图２所示：　

图２两种不同厚度电感膜片的等效电路　

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都是相同的，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　

如图３所示。　

图３单节电感膜片等效电路　

１／４波长的波导段的Ａ矩阵为：　

ｒｏ　］　（２）　Ｌｊ　Ｏ．Ｊ　单节电感膜片的Ａ矩阵为：　

［一　］　一Ｚ　ｏＫ　０　Ｌ—ｉ　－Ｊ　

单节电感膜片的Ｓ矩阵为：　

１一　１＋　

—　１＋Ｋ０　２Ｋ　１＋　

１一　１＋　（３）　

（４）　

…１一Ｋ　ｊ２Ｋ　即：３１１一丽’　１２　１－４－Ｋｚ。　

根据各级Ｋ变换器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。　

２设计实例　

设计要求：通带：１２．２５～１２．７５　ＧＨｚ；阻带：１４．Ｏ～　

１４．５　ＧＨｚ；Ｌａｒ＜０．０２　ｄＢ｝Ｌａｓ＞５０　ｄＢ；ＶｓＷＲ＜１．２；波　

导：ＢＪ１２０　设计步骤如下：　

（１）设计低通原型　

低通模型参数如表１所示。　

表１低通模型参数　

可以求得：　＝０．０９３，Ｗ　／Ⅳ　一３．５１，按契比雪夫低　

通原型设计，取Ｌａｒ＝０．０１　ｄＢ，由低通阻带衰减特性可以　

查出：　一６，Ｌ　＝６７　ｄＢ。归一化元件值如表２所示。　

表２归一化元件值　

Ｇ０　ｇ１　ｇ２　ｇ３　ｇ　ｇ５　ｇｅ　ｇ１　１　０．７８１　３　１．３６０　１．６８９　６　１．５３５　１．４９７　０．７０９　ａ．１００　７　

（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：　

表３归一化阻抗值　

Ｓｌ１／ａＢ　Ｓ１２／ｄＢ　～３．２９　

——２．７５　～Ｏ．３５　

—１１．１２　一Ｏ．１６　

——１４．３８　——０．１４　

——１４．９　一Ｏ．１６　

——１４．３８　一Ｏ．３５　

—１１．１２　—３．２９　

——２．７５　

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（４）仿真建模进行优化：　

单节建模，模型如图４所示。　

图４单节膜片模型截面　

取膜片厚度为５　１ＴＬｒｎ，逐节计算各级尺寸使Ｓ　和Ｓ　。　

与３步计算相同；幅度确定膜片中间距离ｄｎ，Ｓ　和Ｓ　。的相　

位决定单节长度Ｌｎ。仿真结果（以第一节为例）如图５所　

示，每节计算结果如下；　

频￣／ＧＨｚ　（ｂ）幅度　

图５单节厚膜片电路仿真结果　

单级尺寸确定后再级联，并建立完整的滤波器模型，　

此时，可以考虑加工方法和加工误差的影响，例如腔体内　加工圆弧倒角、正负误差等因素，尽量使模型和实际加工　器件近似，这样可以提高仿真精度和可信性。考虑以上因　

素后建立的仿真模型和计算、优化后的结果如图６所示：　

表５仿真结果　

频率／ＧＨｚ　（ｂ）通带驻波　

频率，ＧＨｚ　（ｃ）阻带隔离　

图６六腔带通滤波器仿真计算结果　

与契比雪夫低通原型比较，通带驻波、阻带隔离均能　

达到初始设计要求。　

３实测性能　

实际加工采用对称切削腔体，定位焊接，较好的保证　

了加工精度。实物如图７所示，可以看到：器件没有任何　

调配螺钉。测试结果如图８所示。　

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