同轴腔带通滤波器设计

金属同轴腔滤波器设计摘要近年来，随着移动通信、导航技术和电子对抗的快速发展，对现有微波元器件的需求和性能的改进都提出了很高的要求。

同轴腔体带通滤波器作为微波带通滤波器中应用最广的一种滤波器，具有功率容量大、插入损耗低、寄生通带远等特点,在现代无线通信、数字电视广播、卫星导航、遥测遥感和雷达等系统中得到了广泛的应用。

本文对同轴腔体带通滤波器做了详细的分析，分析讨论了同轴谐振腔的电磁特性，主要包括谐振频率、谐振腔的耦合结构和外部品质因数等。

利用响应函数得到腔体之间的耦合系数。

应用三维全波仿真软件,分析了腔体结构参数与耦合系数和耦合窗的关系。

最后论文给出了同轴腔滤波器设计实例，测试结果性能良好，符合设计指标要求。

关键词：微波滤波器带通滤波器同轴谐振腔全波仿真分析1ABSTRACTWith the rapid development of mobile communication system, the quality of microwave components is becoming more and more important. As a microwave band-pass filter, coaxial cavity filter is widely applied in modern wireless communication and radar systems, for its high power capacity, low insertion loss and far spurious pass-band.Based on the research of coaxial filter, the electromagnetic properties of coaxial cavity resonator are proposed in the paper, including resonant frequency, coupling structure and external Q of the cavities. The coupling coefficient of filter can be getting by utilizing response function. The width of coupling windows and in-put/out-put coupling lines are acquired by full wave simulation and optimization. At last, a coaxial cavity filter is designed and measured, which has perfect performances and is satisfied with the technical specifications.Key Words: microwave filter band-pass filter coaxial resonator full wave simulation目录一绪论 (1)1.1前言 (1)1.2常见的滤波器形式 (1)1.3国内外发展现状 (3)二滤波器的基本概念 (5)2.1滤波函数 (5)2.2微波滤波器参数 (7)2.3低通滤波器到带通滤波器的转换 (7)三同轴腔带通滤波器的设计 (8)3.1滤波器的设计步骤 (8)3.2滤波器的设计方法 (8)3.2.1前言 (8)3.2.2设计指标 (9)3.2.3参数计算 (9)3.3仿真与测试 (10)3.3.1仿真 (10)3.3.2 实物加工与测试 (13)总结 (14)参考文献 (16)一绪论1.1 前言随着通信、广播、雷达、测量、遥感、空间技术和电子对抗技术等的逐步发展，从米波段一直到毫米波段以至更广阔的波段上，微波滤波器在雷达、信号处理、通信等不同电路系统的传输、变换处理和收发中有广泛应用[1]。

同轴腔体带通滤波器的研究与设计杨永侠;刘方方;郭亮【摘要】为了抑制移动通信基站CDM800MHz上行频段噪声，设计了一款高抑制性能的同轴腔体带通滤波器．该滤波器采用交叉耦合结构、带外产生零点来实现带外的高抑制性能，设计过程采用HFSS和软件AWR的协同仿真．设计主要参数为：中心频率875MHz，插入损耗＜0．25dB，带外抑制＜－80dB＠825～835MHz，回波损耗＞－20dB．仿真设计结果表明：设计滤波器满足指标要求．利用Matlab仿真验证了其高抑制性能的有效性．%In order to suppress the uplink noise of the mobile communication base station in CDMA800M networks ,a coaxial cavity band pass filter with high suppression performance is designed . The high suppression performance out of the band is achieved by using the cross coupling structure in the filter and producing zero point .Both HFSS and AWR are used for coordination simulation .The major parameters of the filter are as follow s :the center frequency is 875 M Hz ,the insertion loss is below 0 .25 dB ,the out-of-band rejection is below -80dB@ 825~835 M Hz and the return loss is above -20 dB .T he simulation results show that the coaxial cavity band pass filter can meet the requirements .Finally , Matlab is also used to verify the effectiveness of its high suppression performance .【期刊名称】《西安工业大学学报》【年(卷),期】2015(000)007【总页数】6页(P521-526)【关键词】腔体滤波器;交叉耦合;耦合矩阵;高抑制【作者】杨永侠;刘方方;郭亮【作者单位】西安工业大学电子信息工程学院，西安 710021;西安工业大学电子信息工程学院，西安 710021;中国兵器工业集团公司第205研究所，西安710065【正文语种】中文【中图分类】TN911.7近年来，随着微波、毫米波技术的迅速发展，无线通信系统得到了蓬勃的发展．微波滤波器作为一种频率选择装置，是现代微波、毫米波通信系统中一个非常重要的组成部分，是不可缺少的器件之一．由于现在民用移动通信正处于三网融合的3G 时代甚至会渐渐步入4G时代，频段通常比较低，传统的空腔滤波器，体积较大；超导薄膜滤波器对工作环境要求太严格，而且价格昂贵；微带滤波器无法承受发射机的高功率而且插损也较大．同轴腔体具有Q值高、易于实现的特点，特别适用于通带窄、带内插损小、带外抑制高的场合．所以目前移动通信基站上的收发机使用的滤波器大多以铝铜等材料设计的腔体滤波器．并且这种性能优良、价格低廉、微型化的腔体滤波器已经成为移动通信行业中研究的重点［1］．抑制CDMA800MHz网络上行频段噪声的腔体滤波器，采用传统的方法进行设计，尺寸大、周期长、成本高是不可回避的．文中设计中引入交叉耦合产生零点．交叉耦合同轴腔体滤波器在现代射频、微波系统中得到了广泛的应用，其设计灵活，带外传输零点可以任意指定，最多可以实现和滤波器节数一样多的传输零点，传输零点的位置既可以放在通带外以提高阻带抑制，又可以放在通带内将滤波器的一个通带分成多个通带，传输零点不仅可以位于实轴来提高频率选择性，又可以位于虚轴来平坦滤波器的群时延．文中还利用二维电路仿真软件AWR和三维电磁仿真软件（High Frequency Structure Simulator，HFSS）的协同仿真进行设计，不但缩小了设计周期还节省了成本，提高了设计的有效性．1 带通滤波器的设计理论1．1 低通原型滤波器所有类型的滤波器，都是由低通滤波器原型变换来的．低通滤波器原型是网络综合法设计滤波器的基础，他是一种归一化的低通滤波器，即g0＝1，截止角频率Ωc ＝1［2］．1．2 倒置变换器文中利用J阻抗变换器和并联的谐振回路实现带通滤波器［2］．引入阻抗变换器之后，g0…gn，Jn，n＋1，耦合系数kn，n＋1，有载品质因数Qe 之间的数值关系推导如下：电纳斜率参数为在推导过程中发现耦合系数kn，n＋1的最终形式只与相对带宽W 和低通模型中gngn＋1有关，跟电纳斜率无关．所以在单个谐振网络中，不管电容电感怎么取值，只要谐振频率符合即可．2 设计与仿真2．1 设计指标滤波器的设计指标见表1．该滤波器工作于移动通信基站CDMA800MHz网络，中心频率f0在875MHz，工作带宽BW为10MHz，滤波器的回波损耗RL＞-20dB，插入损耗IL＜0．25dB，要求比较严格，所以滤波器可采用同轴谐振腔来实现［3］；滤波器要求对移动通信基站中在CDMA800 MHz网络的上行频段（825～835MHz）的抑制达到80dB，因此就要考虑引入交叉耦合来实现［4-5］．表1 滤波器的设计指标Tab．1 The design index of the filter中心频率／MHz 带宽BW／MHz 插入损耗IL／0．25回波损耗RL／dB 带内波动／dB 带外抑制／dB 875 10 ＜835 MHz＞-20 ＜0．2 ＜-80dB＠825～2．2 设计步骤腔体滤波器设计流程为：根据设计指标要求选择适合的滤波器模型，然后用AWR 软件优化计算得到k，q值，然后用HFSS实现其物理结构并对其完成单腔仿真，双腔仿真，和抽头仿真，分别来确定斜杠杆长度和尺寸，耦合窗的大小，和输入输出的位置，从而实现全腔仿真．最后对其进行调试使其达到设计要求．2．3 仿真结果①根据AWR理论电路结构的设计仿真并优化后，结果如图1所示，其带内插入损耗为-0．167 6dB；回波损耗为-30dB，在带外频率为0．832GHz时其带外抑制为-86．29dB，可以看出滤波器的各项指标都满足，并且留有余量．计算求取谐振器间耦合系数以及各谐振腔的谐振频率分别为图1 仿真优化结果Fig．1 The simulation optimization results②根据AWR中原理图的仿真基础，在HFSS软件中进行物理尺寸的确定［6-7］．首先在在单腔仿真中确定中心频率f0＝0．885 9GHz，品质因数Q＝4 463．谐振杆长度一般采用λ／4，最终确定谐振杆高度为27mm，半径2mm；单腔尺寸半径30mm，高38mm；谐振腔半径7．5mm，高30mm；其次根据AWR中确定的耦合系数确定HFSS中各腔体的尺寸以及谐振杆的大小；最后进行全腔仿真，建立了五腔体模型［8］如图2所示．图2 腔体滤波器设计流程Fig．2 The design process of the cavity filter通过S参数的仿真曲线来判断滤波器是否满足要求，实际仿真结果如图3所示：通带内回波损耗S11为-20．236 8dB，插入损耗S21为-0．252 2 dB，带外抑制为-98．695 8dB．可以看出在频率、插损和抑制度方面，滤波器均达到设计要求．最终设计尺寸见表2．2．4 影响滤波器性能参数的因素分析物理尺寸对滤波器性能起着决定性的作用，本文中设计了一个五腔体的滤波器，谐振杆的长度，双腔开窗的大小以及输入输出位置等决定着滤波器的性能是否达到要求，在此将做以简单介绍［9］．图3 仿真优化结果Fig．3 The simulation optimization results表2 滤波器的最终尺寸Tab．2 The final size of the filter谐振杆高度／mm 耦合杆高度／mm 交叉耦合窗大小／mm H1＝H5＝23．5 H12＝H23＝21 L＝15＝20 H2＝H4＝20．4 H13＝H35＝32 H＝16 H3＝19．7 H34＝H45＝20 W13＝W35①谐振杆长度的影响通过HFSS对单腔模型进行仿真，使得单腔谐振在中心频率附近，利用HFSS的本征模对同轴谐振腔的谐振杆高度进行扫描，可以得到无载品质因数Q0值以及谐振频率随谐振杆的高度的变化曲线．仿真结果如图4所示．在图4（a）中随着谐振杆高度的增大，谐振腔的无载品质因数随之增大，在谐振杆取27mm时，无载品质因数Q0达到最大值5 500左右，而Q0决定了滤波器的插入损耗，Q0越大，插入损耗越小；图4（b）中则是谐振频率随着谐振杆高度的变化曲线图，谐振杆越长，谐振频率越低，他们之间存在的反比关系．②耦合杆的长度以及窗口宽度的影响通过HFSS双腔仿真得到双腔间的耦合结构及耦合系数为例，如图5所示．如图5（a）所示随着耦合杆的增加，其腔间耦合系数随之增加．如图5（b）所示，窗口宽度增加时，耦合系数略有增加．对双模型中交叉耦合模型也进行了同样的扫描仿真，结果如图6～7所示，耦合杆越长，耦合系数越大；窗口宽度增大，耦合系数增大．图4 滤波器模型Fig．4 The filter model图5 双腔耦合的影响因数Fig．5 The influencing factors on double cavity coupling图6 交叉耦合系数的变化曲线Fig．6 The change curve of cross coupling coefficient③ 抽头位置对滤波器的影响在软件中对抽头位置进行扫描，得到S21以及S11的变化曲线如图89所示．图7 窗口宽度的影响变化Fig．7 The changes of window-width从仿真结果可以看出，当抽头位置改变时，图8（a）～（b）都可以看出滤波器的中心频率发生了偏移，同时图8（a）中的插入损耗S21随着抽头位置的增高而减小，图8（b）中的回波损耗S11则随之增大．图8 参数S的变化曲线Fig．8 The changing curves of parameters3 设计验证采用编程的思想，把耦合矩阵综合以及耦合矩阵的变换过程编写成了 Matlab程序［10］．在用Matlab综合耦合矩阵的过程中，只需要输入滤波器的设计指标，进行Matlab程序就可以得到耦合矩阵和外部品质因数．通过Matlab编程使得耦合矩阵综合过程大大的简化了，并且可以节省很多设计时间［10］．通过计算仿真得到如图9所示结果．图9 Matlab编程仿真的S曲线Fig．9 Matlab simulation of Scurve通过图9（a）所示的S21曲线可以看出，在通带内滤波器的插入损耗非常小，完全达到指标要求；同时在带外低频处通过产生的两个零点使得频率在825～835MHz的位置，其带外抑制度高达-120dB，这是理论上达到的效果，从图9（b）中所示的S11曲线可以看出，滤波器的带内回波损耗在通带内小于-15dB．4 结论通过比较三种仿软件的仿真结果可以看出：用两种方法设计的滤波器都可以达到技术指标的要求，中心频率都在875MHz，利用AWR和HFSS协调仿真设计的滤波器回波损耗为-20．54dB，插入损耗为-0．2522dB，其带外抑制为-98．69dB；运用Matlab仿真设计的滤波器其回波损耗为-15 dB，插入损耗为-0．08dB，其带外抑制高达-120 dB．实验结果证明了该滤波器具有在通带内插入损耗小，带外高性能抑制等优点，具有良好的应用前景．【相关文献】［1］甘本袚，吴万春．现代微波滤波器的结构与设计（上册）［M］．北京：科学出版社，1973．GAN Ben-bo，WU Wan-chun．Structure and Design of Modern Microwave Filter （I）［M］．Beijing：Science Press，1973．（in Chinese）［2］ CAMERON R J，KUDSIA C M，MANSOUR R 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带通滤波器设计1. 引言在信号处理中，滤波器是一种重要的工具，用于去除或改变信号的特定频率成分。

带通滤波器是一种常用的滤波器，它可以传递一定范围内的频率成分，而抑制其他频率成分。

本文将介绍带通滤波器的基本原理和设计方法。

2. 带通滤波器的原理带通滤波器是一种频率选择性滤波器，它可以传递一定范围内的频率信号，而将其他频率信号抑制。

其基本原理是利用滤波器的频率响应特性，对输入信号进行滤波处理。

带通滤波器通常由一个低通滤波器和一个高通滤波器级联连接而成。

低通滤波器用于抑制高于截止频率的频率成分，而高通滤波器用于抑制低于截止频率的频率成分，从而实现带通滤波效果。

3. 带通滤波器的设计方法带通滤波器的设计通常包括以下几个步骤：在设计带通滤波器之前，需要确定滤波器的一些规格参数，包括中心频率、通带宽度、阻带宽度等。

这些参数决定了滤波器的性能和应用范围。

步骤二：选择滤波器的类型常见的带通滤波器类型包括巴特沃斯滤波器、切比雪夫滤波器、椭圆滤波器等。

根据具体的应用要求和设计指标，选择适合的滤波器类型。

步骤三：计算滤波器的阶数滤波器的阶数决定了滤波器的陡峭程度和相频特性。

根据设计要求和滤波器类型，计算滤波器的阶数。

步骤四：确定滤波器的传输函数根据滤波器的类型和阶数，使用滤波器设计方法计算滤波器的传输函数。

常用的设计方法包括频率折叠法、零极点法等。

根据滤波器的传输函数，采用模拟滤波器的设计方法，设计滤波器的电路结构和参数。

常用的设计方法包括电压法、电流法等。

步骤六：数字滤波器的设计对于数字信号处理系统，需要将模拟滤波器转换为数字滤波器。

常用的设计方法包括脉冲响应法、频率采样法等。

根据系统的采样率和滤波器的性能要求设计数字滤波器。

4. 带通滤波器的应用带通滤波器在信号处理领域有着广泛的应用。

例如，音频处理中常用带通滤波器对音频信号进行频率选择性处理，去除噪声和杂音。

图像处理中常用带通滤波器对图像进行频率域滤波，增强或抑制特定频率成分，实现图像增强、去噪等功能。

带通滤波器毕业设计带通滤波器毕业设计引言：在现代电子技术的发展中，滤波器是一种非常重要的电子元件。

它可以对信号进行处理，去除杂波和干扰，从而提高信号的质量。

而在电子工程师的毕业设计中，设计一个带通滤波器是一项常见的任务。

本文将介绍带通滤波器的原理、设计方法以及实际应用。

一、带通滤波器的原理带通滤波器是一种能够通过一定频率范围内的信号，而削弱其他频率信号的电子元件。

其原理是利用电容、电感和电阻等元件的组合，形成一个能够选择性地通过一定频率范围内信号的电路。

带通滤波器可以分为主动滤波器和被动滤波器两种类型。

主动滤波器采用了运算放大器等主动元件，能够提供放大和反馈功能，从而实现更精确的频率选择。

被动滤波器则只采用了电容、电感和电阻等被动元件，其频率响应相对较简单。

二、带通滤波器的设计方法1. 确定设计要求：在设计带通滤波器时，首先需要明确设计要求，包括通带范围、阻带范围、通带衰减和阻带衰减等参数。

这些参数将决定滤波器的性能和适用场景。

2. 选择滤波器类型：根据设计要求，选择适合的滤波器类型。

常见的带通滤波器类型有Butterworth滤波器、Chebyshev滤波器和Elliptic滤波器等。

它们在通带和阻带的衰减特性、相位响应等方面有所不同，因此需要根据具体需求进行选择。

3. 计算元件数值：根据选择的滤波器类型和设计要求，计算滤波器中各个元件的数值。

这包括电容、电感和电阻等元件的数值选择，以及元件的连接方式和拓扑结构。

4. 仿真和优化：通过电子设计自动化软件，进行滤波器的仿真和优化。

根据仿真结果，对滤波器的性能进行评估和调整，以达到设计要求。

5. 实际制作和测试：根据设计结果，制作实际的滤波器电路，并进行测试和验证。

测试结果将反馈给设计者，以便对设计进行进一步改进和优化。

三、带通滤波器的应用带通滤波器在电子领域有着广泛的应用。

以下是几个常见的应用场景：1. 语音信号处理：在通信系统中，带通滤波器可以用于去除语音信号中的噪声和杂音，提高通信质量。

宽带同轴腔体滤波器的设计
宽带同轴腔体滤波器的设计：
宽带同轴腔体滤波器（wideband coaxial cavity filter）是一种用于过滤信号的电路，主要由多个同轴腔体组成。

它通常应用在射频（RF）和微波（microwave）系统之间，用于过滤掉某一特定频率以外的所有不需要的信号。

它能够有效地将某一特定范围内的信号通过，而抑制其他频率范围内的信号。

宽带同轴腔体滤波器的设计主要由以下几个步骤组成：
第一步：定义滤波器的频率范围。

根据不同的应用场景，需要选择恰当的频率范围。

第二步：选择合适的材料。

由于同轴腔体滤波器需要使用电磁相关的材料，因此需要根据应用场景选择合适的材料。

第三步：确定同轴腔体的尺寸。

根据滤波器的频率范围和材料性质，需要确定同轴腔体的尺寸和形状以满足该频率范围的电磁特性。

第四步：确定滤波器的工作电压和阻抗。

为了确保滤波器的正常工作，必须确定滤波器的工作电压和阻抗。

第五步：调整滤波器的特性。

调整滤波器的特性可以通过改变滤波器中的阻抗元件的参数来实现。

最后，宽带同轴腔体滤波器的设计需要充分考虑上述几个因素，以确保滤波器能够正常工作，并达到所需的性能要求。

同轴腔体滤波器设计入门-无交叉耦合结构同轴腔体滤波器设计入门（无交叉耦合结构）仿佛记得射频铁三角是功率、频率、和阻抗。

涉及射频电路设计，总是离不开这三个要素。

那么在滤波器的设计中最关键的因素是什么呢？答案是谐振和耦合。

无论什么样的滤波器，终归离不开谐振和耦合。

以通信系统中常见的同轴腔体带通滤波器为例，谐振就是单腔的谐振，对于对称结构而言，单腔的自耦合为零，换句话说，每一个腔体都谐振在该带通滤波器的中心频率上。

同轴腔体滤波器的单腔可以被看作是一个由同轴传输线和分布电容构成的并联谐振器。

那么很容易理解，在谐振频率的时候，并联谐振器的对地阻抗为无穷大，即满足Z0tan（Bd）=1/wC的条件。

此时，信号可以无衰减的从一个腔耦合到下一个腔。

什么又是耦合呢，耦合指的是谐振器之间电磁场的相互作用，耦合包括级间耦合和输入输出耦合。

对于无交叉耦合的结构来说，级间耦合仅仅包涵非相邻腔之间的耦合。

对于级间耦合，需要理解阻抗变换器的概念，我记得《现代微波滤波器的结构与设计》上有句话是这么描述的，一个理想的阻抗变换器，好像是工作在任意频率上的四分之一波长变换线一样。

换句话说，一个理想的级间耦合在任意频率上都是四分之一波长的。

并不依赖于频率而存在。

实际中的耦合当然不是这样，腔间主耦合常常是磁耦合，而交叉耦合滤波器有时会用到电耦合。

那么通过电路仿真会发现，电耦合和磁耦合对于带外抑制的影响是不同的。

地址：深圳市南山区西丽镇新光路工业区10栋4楼腔间耦合为磁耦合时，阻带高端的抑制度会优于阻带低端。

而电耦合时，恰恰相反。

这是因为磁耦合和电耦合都是依赖于频率的，它们仅仅通带的在中心频率处可等效为四分之一波长线。

而带外则稍有差异。

造成了抑制度的差异。

那么腔间的耦合如何识别呢。

在HFSS中可以通过电磁场来判断腔间耦合。

磁耦合的情况下，在对称面上磁场是连续的，电耦合的情况下呢，对称面上电场是连续的。

这是一种很简单的方法适合初学者。

而对于一个有经验的设计者对于常用的耦合都非常熟悉，可以凭经验判断出耦合的方式。

带通滤波器设计流程滤波器是具有频率选择性的双端口器件。

由于谐振器的频率选择性，所以规定的频率信号能够通过器件，而规定频率信号以外的能量被反射，从而实现频率选择的功能。

滤波器从物理结构上，就是由一些不同的单个谐振器按相应的耦合系数组合而成，最后达到规定频率的信号从输出端通过的目的。

1. 滤波器技术指标1.1工作频率范围: 1060MHz±100MHz 1.2插入损耗： 0.5dB max 1.3驻波比: 1.2 max1.4带外抑制： ＞20dB@f0±200MHz＞35dB@f0±300MHz ＞60dB@f0±500MHz1.5寄生通带： f ＞3500MHz 以上，对衰减不作要求1.6工作温度: -55°Cto+85°C 1.7最大输入脉冲功率：400W ； 最大输入平均功率：20W2.滤波器设计原理图1 滤波器原理图3.滤波器结构选择 3.1物理结构选择根据以上技术指标选择腔体交指型带通滤波器，主要的原因是因为它有着良好的带通滤波特性，而且它结构紧凑、结实；且容易制造；谐振杆端口2的长度近似约为λ/４（波长），故第二通带在３倍fo上，其间不会有寄生响应。

它用较粗谐振杆作自行支撑而不用介质，谐振杆做成圆杆，还可用集总电容加载的方法来减小体积和增加电场强度，而且它适用于各种带宽和各种精度的设计。

3.2电路结构的选择根据以上技术指标选择交指点接触形式，主要的原因是它的谐振杆的，载ＴＥ一端是开路，一端是短路（即和接地板接连在一起），长约λ/４0Ｍ(电磁波)模，杆１到杆n都用作谐振器，同时杆１和杆n也起着阻抗变换作用。

4.电路仿真设计如图2模型选择。

采用An soft公司的Serenade设计，根据具体的技术指标、体积要求和功率容量的考虑，此滤波器采用腔体交指滤波器类型,使用切比雪夫原型来设计，用圆杆结构的物理方式来实现。

图2模型选择如图3滤波器综合指标选择。

第30卷　第2期2007年4月电子器件Chinese J ournal Of Elect ron DevicesVol.30　No.2Ap r.2007Design of Coaxial Filters B ased On HFSSL I U Pen g 2y u1,2,Z H A N G Yu 2hu 2,S H EN H ai 2gen11.School of Elect ronic I nf ormation and Elect ric Engineering ,S hanghai J iao Tong Universit y ,S hanghai 200240,China;2.S hanghai S pacef li ght I nstit ute of T T &C and Telecommuniation ,S hanghai 200086,Chi naAbstract :Coaxial filters is widly used in microwave circuit s.we research how to analysis and design coaxial filters used by a 3D f ull 2wave field solver ,HFSS.The 3D f ull -wave field analysis includes t he effect s of t uning screw ,interstage coupling apert ure and inp ut/outp ut coaxial excitation.Base on t hess analysises ,we work out a S -band coaxial filter aided by simulating and optimizing in HFSS.The result of t he experi 2mentation matched well wit h t he result of simulation ,and f ulfiled technic target s.The coaxial filter has been used in a spaceflight project successf ully.The way of combining t he t raditional t heory wit h t he ad 2vanced comp uter technology has great practical value ,it can save much time and co st .K ey w ords :microwave filters ;coaxial resonator ;coupling apert ure ;HFSS EEACC :1320基于HFSS 设计同轴腔滤波器刘鹏宇1,2,张玉虎2,沈海根1(1.上海交通大学电子信息与电气工程学院,上海200240;2.上海航天测控通信研究所,上海200086)收稿日期:2006204217作者简介:刘鹏宇(19782),男,工作于上海航天测控通信研究所,工程师,主要研究方向为射频与微波电路设计,pengyu_liu @ ;摘　要:同轴腔滤波器在微波电路中有着广泛的应用,在此研究如何利用3D 全波场分析软件HFSS 分析设计同轴腔滤波器.该分析包括谐振腔调谐螺钉、腔间耦合孔及输入输出激励的影响效应.基于上述分析,借助HFSS 仿真优化得到一S 波段滤波器.其实测结果与仿真相符,满足指标要求,并已成功应用于某航天工程中.这种结合传统理论和先进计算机技术的方法可以大大节省研制周期和生产成本,具有非常大的实用价值.关键词:微波滤波器;同轴谐振腔;耦合孔;HFSS 中图分类号:TN 713 文献标识码:A 文章编号:100529490(2007)022******* 传统的微波滤波器设计方法已经非常成熟,但其中一些参数需要反复试验来获得.这势必要增加产品的设计周期,对于当前研制周期紧、产品数量大的要求是一个制约.利用仿真工具进行辅助设计成为目前一种非常有效的解决途径.本文即介绍如何借助H FSS 设计同轴腔滤波器.1　HFSS 简介HFSS 是ANSO F T 公司开发的一个基于物理原型的EDA 设计软件.使用H FSS 建立结构模型进行3D 全波场分析,可以计算.①基本电磁场数值解和开边界问题,近远场辐射问题;②端口特征阻抗和传输常数;③S 参数和相应端口阻抗的归一化S 参数;④结构的本征模或谐振解.依靠其对电磁场精确分析的性能,使用户能够方便快速地建立产品虚拟样机,以便在物理样机制造之前,准确有效地把握产品特性,被广泛应用于射频和微波器件、天线和馈源、高速IC 芯片等产品设计中.H FSS 有本征模解(Eigenmode Solution )和激励解(Driven Solution )两种求解方式.选择Eigen 2mode Solution 用于计算某一结构的谐振频率以及谐振频率点的场值和腔的空载Q0值.选择Driven Solution用于计算无源高频结构的S参数和特性端口阻抗、传播常数等.本课题的研究中,将用到本征模解求解单同轴腔特性和腔间耦合系数;激励解求解有载品质因数Q L值和滤波器响应特性.2　同轴腔滤波器工作原理及设计2.1　工作原理同轴腔滤波器主要用于米波、分米波段.传输TEM模,无色散、场结构简单稳定、空载品质因数高[1].其基本结构由谐振腔、腔间耦合、输入输出激励组成,如图1所示即为一个三腔同轴滤波器.输入信号通过闭合圆环耦合到谐振腔中产生谐振,能量在谐振腔之间由耦合孔进行逐级耦合,再经图1　三腔同轴滤波器结构模型(a=3.25mm,b=9mm,l=29mm,l1=l2=14mm)过输出端的闭合圆环耦合输出.各腔均工作在同一谐振频率附近,只有该谐振频率附近的电磁波有效传输,形成一带通滤波器.2.2　集总参数网络设计下面以S波段滤波器设计为例,主要技术指标见表1.表1　滤波器技术指标技术参数工作频率f0插入损耗L A带宽(4f3dB)通带波动L Ar阻带抑制L As(f0±15M Hz)输入输出阻抗Z o指标要求2.0～2.15GHz≤2dB≥8M Hz≤±0.3dB≥25dB50Ω 利用网络综合法[2],选取切比雪夫函数作为逼近函数,查表或计算[3]确定滤波器阶数n=3,对应的低通原型参数:g0=g4=1,g1=g3=1.0316,g2=1.1474,由此得到腔间耦合系数K ij和外部品质因数Q L.K ij=bwg i・g j=0.0036(i=1,j=2;i=2,j=3)(1)Q L=g1bw=266.3(2)2.3　微波结构设计2.3.1　同轴腔为减小体积和便于安装,本滤波器采用内圆外方的1/4λ缩短电容同轴腔结构.依据谐振腔结构尺寸参数选取三个原则[1]:①避免高次模,(a+b)≤λmin/π;②满足功率容量,b/a=1.65时功率容量最大;③损耗要小,b/a=3.6时Q0值最高,损耗最小.b/a一般选择在2.0～3.6之间.在此选取内导体半径a=3.25mm,外导体内半径b=9mm.内导体长度l、调谐螺钉最大调谐距离t的设计既要考虑能够满足所需的调谐范围,同时还要考虑到内导体缩短会降低Q0值[4]的因素,一般选择内导体长度为1/4λ的65%以上,在此选取l=29mm,t=3mm.谐振腔的调谐范围将通过HFSS进行仿真验算.2.3.2　耦合考虑到本滤波器属于窄带滤波器,腔间耦合[5]采用圆孔实现,输入输出耦合采用闭合半圆环实现.耦合圆孔、半圆环需要确定的参数是中心位置和半径大小.滤波器带宽基本上由级间耦合决定.设计一个在某个频率范围内可调谐的滤波器时,若要保持固定的带宽,则必须控制带宽对频率的敏感性,即要保持d(Δf)/d f=0.Cohn[6]研究得出,当耦合孔中心离腔短路端距离l1在中心频率电长度36°附近时,耦合带宽最大且随频率变化缓慢.则取l1=14mm.半圆环的几何位置通常与耦合孔保持一致,所以也取l2=14mm.关于耦合孔径的大小,下面通过HFSS仿真腔间耦合系数K ij和外部品质因数Q L获取.3　HFSS仿真分析3.1　单谐振腔仿真根据选定的结构尺寸(a=3.25mm,b=9mm, l=29mm),在H FSS中对单谐振腔建模(图2),不需要加载激励,进行Eigenmode分析,获取在不同间距t的加载电容下对应的谐振频率.仿真结果(图3)得出,当t在0.25～3mm之间调整,对应谐振频率范围在1619～2171M Hz之间变化,可以满足要求.图2　单谐振腔模型　图3　谐振频率与加载电容关系3.2　腔间耦合系数K ij仿真腔间耦合的电性能用耦合系数K ij表示.当两134第2期刘鹏宇,张玉虎等:基于H FSS设计同轴腔滤波器个相邻的谐振腔耦合在一起、并且对源和负载具有非常小的耦合时,K ij 与相邻腔谐振频率f 1、f 2存在如下关系[7]:K 12=2(f 2-f 1)/(f 2+f 1)(3)因此,对两个相邻谐振腔在不接源和负载(图4)情况下进行Eigenmode 分析(modes =2),得到在不同圆孔半径下对应的谐振频率f 1、f 2,从而绘制出对应的腔间耦合系数曲线(图5).结果表明耦合孔越大,耦合越强.图4　腔间耦合系数仿真模型图5　耦合圆孔与耦合系数关系3.3　有载品质因数Q L 仿真当单个谐振腔耦合源和负载时,有载品质因数Q L 与谐振频率f o 及3dB 带宽Δf 3dB 存在如下关系[7]:Q L =f o /Δf 3dB(4)建立模型对单谐振腔加载源和负载(图6),进图6　有载品质因数　图7　耦合圆环与有载品质仿真模型因数关系行Driven Terminal 分析,得到在不同耦合圆环半径下对应的有载品质因数Q L 曲线(图7).耦合环越大,耦合越强,Q L 值越低. 根据公式(1)、(2)中计算结果,对照以上仿真分析图表,即可选取适当的结构参数,在H FSS 中完成整个滤波器的建模(图1),经过进一步优化,获取理想的特性曲线,确定最终的结构尺寸:r _apert ure =3.18mm ,r _loop =2.6mm .4　实测结果与分析综合上述设计及优化结果,并考虑到为实物调试时留有一定的调整余量,耦合孔和耦合环半径均取的略小一些,确定最终的加工尺寸见表2.表2　同轴腔滤波器结构加工尺寸结构参数a bltl 1l 2r _loop r _aperture尺寸/mm 3.25929314142.53 按照表2结构尺寸机械加工,进行适当的谐振频率和耦合调整,获得了满意的特性曲线(图8),达到技术指标要求(表3).结果表明,插入损耗、带外抑制实测结果比与仿真结果要差一些.这是可以理解的,因为HFSS 仿真是在理想边界条件下进行的,而滤波器实物是由三个单谐振腔和输入输出端口组合在一起的,,还有腔体内部镀银表面不光滑,这些都会引入损耗[8],导致Q 0值降低,使得插损、带外抑制指标略有变差.图8　实测(粗线)与仿真(细线)滤波器响应表3　滤波器测试数据技术参数工作频率f 0插入损耗L A带宽(Δf 3dB )通带波动L Ar 阻带抑制L A s(f 0±15M Hz )驻波比指标要求2.065GHz 1.75dB8.5M Hz 0.15dB33.6dB1.345　结束语本文利用ANSO F T HFSS 仿真软件对同轴腔滤波器中的谐振腔、腔间耦合及输入输出激励进行了优化设计,确定了滤波器实际结构尺寸,测试结果与仿真一致.该方法可以有效并准确地替代传统试验方法,也可以应用在其它的微波滤波器设计中.参考文献:[1]　廖承恩,陈达章.微波技术基础[M].北京:国防工业出版社,1979.[2]　甘本,吴万春.现代微波滤波器的结构与设计[M].北京:科学技术出版社,1973.[3]　Hong Jia 2Sheng.Microstrip Filters for RF/Microwave Applications ,ncaster C opyrightc 2001John W illy &S ons ,Inc.pp.29261.[4]　K urzrok R.M.Design of C omb 2Line Band 2Pass Filters (C orrespon 2dence )[J ].T ransactions on Microwave Theory and T echniques ,Jul.1966,T 2MTT 214(7):3512353.[5]　姚毅,黄尚锐.调谐滤波器的腔间耦合结构研究[J ].微波学报,1994(1):16222.[6]　K urzrok R M.Design of Interstate C oupling Apertures for Narrow 2Band T unable C oaxial F ilters[J ].(C orrespondence )IRE T rans.on M i 2crowave ’Theory and T echniques ,March ,1961,MTT 210:1432144.[7]　Randall W.Rhea ,HF Filter Design and Computer Simulation[M ].Mc Graw 2Hill ,Inc.,1995.[8]　高葆新.波导带通滤波器的设计[J ].国外电子测量技术,2001(1):34237.234电　子　器　件第30卷。

求同轴腔体滤波器设计举例发布: 2009-4-01 20:37 | 作者: champion888 | 来源: 微网- 国内最大的微波论坛社区给定参数，怎样确定腔数，单腔尺寸，相邻腔间开口尺寸，端口耦合形式怎么确定？参数例如中心频率：2G 3db带宽：150M 40db带宽不大于240M 插损：不大于3db 也许参数设立的不好，就是想要了解下设计的步骤elex (2009-4-01 23:35:36)以下过程是耦合谐振滤波器的设计过程。

其他类型的滤波器可能不适用。

1.先从巴特沃斯函数或者切比雪夫函数出发，（我一般采用切比雪夫），选定阶数和波纹，可以查表或者计算得到g0，g1，g2，...，gn+1。

计算很简单，按照函数定义写过小程序就能完成，就不用随手放着滤波器手册里。

或者你有Ansoft Designer的话，用它的滤波器综合工具，也可以很容易得到g值，并可以看到滤波器综合的效果。

如果感觉性能不达标，还可以马上修改参数。

2.通过g值和相对带宽可以计算出滤波器的外部Q值和耦合系数。

相对带宽dw=bw/f0，bw是绝对带宽，f0是中心频率。

Qe=g0*g1/dw，kij=dw/sqrt(gi*gj)。

Qe是外部Q值，kij是第i腔和第j腔之间的耦合系数。

外部Q值与首尾两个腔的对外耦合机构有关，耦合系数是两个腔体之间耦合强弱的度量。

至于怎么测量，或者仿真Qe和k值，看《Microstrip Filters for RF Microwave Applications》一书。

3.将第2步确定的各个单腔组合起来，形成完整的滤波器。

但是这时候的滤波器指标肯定是很差的，因为单腔或者两腔仿真时忽略了多个腔之间的影响。

剩下的事情就是耐心的调整滤波器的各个物理参数，以求达到设计指标了。

这个是最花时间的。

由参数到同轴腔体滤波器的设计步骤发布: 2009-3-27 23:03 | 作者: champion888 | 来源: 微网- 国内最大的微波论坛社区毕设在做同轴腔体滤波器设计，刚刚接触，现在看了一些资料，但是各知识点是杂散的，没有形成一套体系！！还不能由参数求出腔体的腔数，单腔的尺寸，耦合系数，腔与腔之间开口大小~~~本人菜鸟，跪求一同轴腔体例题的设计步骤，越详细越好wangjiafu1985 (2009-3-27 23:50:41)不知对楼主是否有用,只百度到了这一个可用的信息还只能在快照里看.以下来源于百度快照:/c?m=9d78d ... e2933645&user=baidu同轴腔体滤波器的设计陆思明2008 年8 月一、滤波器的分类二、滤波器的应用三、滤波器的主要指标四、滤波器的设计五、设计举例1 、按其幅度频率特性可分为LPF HPF BPF BEF2 、按处理的信号形式可分为、和等。

金属同轴腔滤波器设计金属同轴腔滤波器设计摘要近年来随着移动通信导航技术和电子对抗的快速发展对现有微波元器件的需求和性能的改进都提出了很高的要求同轴腔体带通滤波器作为微波带通滤波器中应用最广的一种滤波器具有功率容量大插入损耗低寄生通带远等特点在现代无线通信数字电视广播卫星导航遥测遥感和雷达等系统中得到了广泛的应用本文对同轴腔体带通滤波器做了详细的分析分析讨论了同轴谐振腔的电磁特性主要包括谐振频率谐振腔的耦合结构和外部品质因数等利用响应函数得到腔体之间的耦合系数应用三维全波仿真软件分析了腔体结构参数与耦合系数和耦合窗的关系最后论文给出了同轴腔滤波器设计实例测试结果性能良好符合设计指标要求关键词微波滤波器带通滤波器同轴谐振腔全波仿真分析With the rapid development of mobile communication system the quality of microwave components is becoming more and more important As a microwave band-pass filter coaxial cavity filter is widely applied in modern wireless communication and radar systems for its high power capacity low insertion loss and far spurious pass-bandBased on the research of coaxial filter the electromagnetic properties of coaxial cavity resonator are proposed in the paper including resonant frequency coupling structure and external Q of the cavities The coupling coefficient of filter can be getting by utilizing response function The width of coupling windows and in-putout-put coupling lines are acquired by full wave simulation and optimization At last a coaxial cavity filter is designed and measured which has perfect performances and is satisfied with the technical specificationsKey Words microwave filter band-pass filter coaxial resonator full wave simulation一绪论 111 前言 112 常见的滤波器形式 113 国内外发展现状 3二滤波器的基本概念521 滤波函数 522 微波滤波器参数 623 低通滤波器到带通滤波器的转换7 三同轴腔带通滤波器的设计831 滤波器的设计步骤832 滤波器的设计方法8com 前言8com 设计指标9com 参数计算933 仿真与测试10com 仿真10com 实物加工与测试12总结14参考文献15一绪论11 前言随着通信广播雷达测量遥感空间技术和电子对抗技术等的逐步发展从米波段一直到毫米波段以至更广阔的波段上微波滤波器在雷达信号处理通信等不同电路系统的传输变换处理和收发中有广泛应用[1]随着导航技术和移动通信电子对抗的快速发展同时对改善现有器件的性能和对未开发的微波元器件提出更高更严谨的需求是必要的尤其是在无线电通信频率资源日益紧张的今天不同通信系统能够获得的频率范围越来越窄从而使得对于无源器件尤其是那些前端使用毫米波微波收发信机的器件的性能优劣提出了更高层次的要求为的是前端系统降低对信号的衰减使不同的干扰信号得到抑制另外由于新工艺新材料的逐步发展以及迅速发展的半导体先进技术新的RF模块不断不出现使得研制毫米波微波RF有源电路的周期渐渐缩短且高度集成小体积的电路正在逐步发展[2]因此研制小体积高性能的无源器件减少设计无源器件的周期是目前毫米波微波通信等相关领域的重要步骤之一1915年在德国 K W Wagner 创新发明了一种以新的滤波器设计方法--瓦特纳滤波器与此同时在美国G A Canbell则开创了另一种知名的设计方法--图像参数法间隔两年LC滤波器在两国分别由两位科学家发明出来1918年第一个多路复用系统在美国问世自此以后科研人员便开始积系统而全面的对使用集总元件电容和电感的滤波器进行理论研究随着滤波器的设计理论不断的深入研究材料领域的不断发展以及工作频率的日益升高使得由原先的集总参数元件滤波器的设计逐渐扩展到分布参数元件滤波器的设计[3]1939年P D Richtmeyer报道了介电滤波器因为当时材质的温度稳定性不够高这样就导致该种滤波器不足以应用于实际直到1970年左右因为陶瓷材料有较快的发展介电滤波器在实际中应用也随即得到了较快的发展目前20世纪年代出现的高温度临界超导材料被认为很大可能应用于设计出极小尺寸和极低损耗的新颖滤波器并且现在已经在商业和军事领域使用[4]12 常见的滤波器形式在现代无线电系统中包括各种移动通信电子对抗雷达系统等的发展同时促进了微波器件的发展其中微波滤波器是现代毫米波微波通信技术中一个极其重要的部分[5]是毫米波微波系统中不可缺少的器件其性能的优劣往往会直接影响整个通信系统的质量近年来随着滤波器结构的不断发展与更新因为应用环境的不同伴随出现了各种不同结构的滤波器1 集总参数滤波器根据滤波器原型电路最简单最直接的结构是采用集总参数的电感电容元件直接搭建滤波器电路可以采用分立元件也可以采用集成电路集总参数滤波器的元件Q值较低[6]在10GHz频段的Q值大约为100-200这比较适合于低频信号的滤波由于现代移动通讯频率都比较高所以很少采用这类滤波器2 微带线带状线滤波器众所周知布参数传输线可以等效为电感或电容因此选用合理尺寸的传输线组合可以构成滤波器电路最为常用的是微带线和带状线结构可以很方便地制成印制板造成本低廉[7]在结构设计上主要有三种方式梳状线线卡线这类滤波器的特点是结构紧凑阻带宽容易制造缺点是Q值低10GHz时Q值为150-200插入损耗大滤波特性一般适用于小功率滤波场合一些小功率指标要求低的的干线放大器中有使用3 同轴腔体滤波器腔体滤波器因其通带插入损耗低阻带抑制性高承受较大功率调谐方便等特点在通信系统中也应用广泛[8]其中同轴腔体具有高Q值损耗特性电磁屏蔽和小尺寸等优异特点但是如果在10GHz以上使用时由于其物理尺寸很微小所以制作精度很难达到同轴腔形式的带通滤波器广泛应用于雷达通信等系统按照腔体结构不同一般分为标准同轴腔方腔同轴等4 波导滤波器波导型滤波器是一种经常使用的无源微波滤波器特别是在高频段大功率的天线馈电系统中波导型滤波器能够发挥巨大的作用波导腔体带通滤波器本质是一种选择频率电路应用在雷达电子战通信等设备的微波设备中它易于连接馈电装置适合应用于较高功率的情况下并且具有良好的性能在信号的电平较小时它一般都是用在8GHz到100GHz的范围内[9]这种滤波器的主要功能应用是在通频带插入损耗和失真较小的情况下使阻带的选择性能够得到足够的提供比如说在使用微波接收机时不需要的带外信号被带通滤波器滤除掉为了使前段噪声的特性得到保持在使用微波发射机时不需要的频率谱被滤波器减小使得发射机的噪声不能传递到接收机在不同的微波多工器上此种滤波器也得到应用但是它最大的缺点是其尺寸大小显然比其他可应用在微波段的谐振器大随着微波技术的迅猛发展天线系统日趋复杂对波导型滤波器的需求更大范围更广同时也对其性能提出更高要求5 介质滤波器介质滤波器分为两种一种TEM模式它和传输线型滤波器原理相同只不过尺寸更小在400NHz-5GHz频率范围内的Q值为200-800其插入损耗比较大滤波特性也比较差一般只在性能要求低的中频滤波中采用另一种为TE01δ模介质滤波器其Q值非常高10GHz的Q值可以达到10000以上900MHz时的Q值约为22000这种滤波器兼有小尺寸和低损耗的特点[10]直到现在TE01δ模介质滤波器仍然是国际学术界研究非常活跃的课题并且已经在卫星通讯移动通讯中获得了成功的应用随着技术的不断进步和工艺材料的不断改进TE01δ模介质滤波器在电气性能上远远超过了以往任何滤波器的水平在大容量移动通讯系统中为了充分利用频率资源相邻信道或收发通道频率间隔非常小如果采用传统滤波器其损耗大得难以接收如两个相邻CDMA载频的滤波合路则必须采用介质滤波合路方式才能做到既有效抑制相邻信号所谓干扰又能不增加太多的插入损耗可以预见在未来的3G系统中TE01δ模介质滤波器将会得到大量的应用在下一代移动通信的基站中对基站的重量和体积都有十分严格的控制因此必须减小滤波器的重量和体积与此同时不能降低滤波器的性能在工艺材料和微波技术发展至今的情况下制造这些微波滤波器选用高Q值低损耗具有一定介电常数的陶瓷材料加载介质谐振腔是一种必然经过理论和实践方面的长期努力和积累已经将这种介质谐振腔滤波器应用在移动通信系统中而且会有很好的前景伴着滤波器技术的不断完善其他各种新型滤波器如SAW滤波器陶瓷介质滤波器SIR滤波器微波有源器件等也开始应用于各种通信系统中[11]13 国内外发展现状20年代初出现的载波电话系统使得在电信领域内引发了一场伟大的技术革命从而迎来了电信历史的新纪元它的快速发展促成了在检出信号和特定频带提取的新兴技术的发展这种技术慢慢的发展成为现在的滤波器技术从电信早期的发展中可以看出电路中滤波器发挥着极其重要的作用而且随着通信技术不断的发展而取得进展早期耦合谐振器滤波器的综合理论基于Cohn的研究成果主要针对同步调谐的级联谐振器滤波器设计这种结构的传输零点在无限远处只能实现切比雪夫或巴特沃斯型响应并未涉及广义切比雪夫型响应1970年Atia和Wiiliams提出了可实现有限频率传输零点的耦合谐振器滤波器综合通用理论[12]根据该理论通过解析方法可以得到小于四阶的耦合谐振器滤波器耦合拓扑结构国外最早解决办法主要有以Cameron在1999年提出来的相似变换Amari在2000年提出的优化法为代表两条技术路径前者基于矩阵旋转理论通过一系列矩阵相似变换在保证耦合矩阵特征值和特征向量不变的前提下将不需要的矩阵元素消零但这种方法仅限于特定耦合拓扑结构折叠规范型后来一些学者在此基础上给出了常见的拓扑结构的耦合矩阵旋转方法该方法计算效率高精度高但是不同结构需要不同的旋转顺序和步骤并不能得到任意拓扑结构的耦合矩阵因此结合多种方法对滤波器拓扑结构进行综合已是大势所趋国内有报道采用遗传算法优化提取耦合谐振器滤波器的耦合矩阵近年来J S HongM J LancansterMing Yu等也在微波滤波器与双工器的综合方面做出非常重要的贡献[1314]七十年代初期我国的老一代微波专家甘本祓吴万春等在前人研究的基础上对微波滤波器的设计理论和方法进行了补充和完善为我国微波滤波器的研究奠定了良好的基础80年代中后期的研究相关文献报道较少90年代有见零星报道进入21世纪后这已经在国内成为研究热点中国空间技术研究院的吴须大研究员对同轴腔滤波器与微放电腔体滤波器与低气压放电等问题进行了细致的分析[15]电子科技大学的贾宝富西安电子科技大学的梁昌洪李刚等在微波滤波器双工器和多工器研制上做出了一些探索并取得了一系列的成果二滤波器的基本概念21 滤波函数理想的低通滤波器的衰减特性如图21 a 所示即在ω＝0到ω1的频率范围内衰减为零称为通带在ωω1的范围内频率衰减为∞称为阻频带Ω为角频率大小ω1称之为截止频率大小显而易见有限个元件数目的电抗网络的频率衰减特性必是一个连续函数必然不会在某一固定的频率上突变像这种理想的滤波特性是无法用有限个元件的电抗网络来实现而实际中的滤波器只能通过逼近函数来逼近理想滤波器的衰减特性所以在滤波器综合设计时第一步是要确定一个无限接近理想频率衰减特性的滤波函数然后再依据第一步得到的逼近函数综合出具体的电路结构实用中有三种滤波函数使用最广泛各对应的滤波器称为最平坦型切比雪夫型和椭圆函数型滤波器它们的衰减特性如图 21 b c d 所示理想特性 b 最大平坦型逼近c 切比雪夫型逼近d 椭圆函数型逼近图2-1 常用逼近函数最大平坦型响应最大平坦型低通原型滤波函数为2-1它有四个指标参数通带内的最大衰减用LAr表示截止频率ω1阻带内的最小衰减用LAs表示以及阻带的边频用ωs表示为了让获得的梯形电路通用于对各不相同的ω1和ωs的低通滤波器可以使用归一化的频率于是其衰减函数为 2-2综合低通滤波器过程为首先通过四个指标参数LArω1LAsωs确定常数ε和n从而可以求得需要的滤波函数再次根据第一步得到的这个函数利用前面介绍的网络综合法来确定低通滤波器原型的梯形电路各元件值和结构ε是当ω1时计算通带内的最大衰减LAr得到的即n可以通过带外最小衰减获得2-3切比雪夫型响应切比雪夫的低通原型滤波函数为2-4切比雪夫函数多项式为Tn ω在ω 01之间是余弦函数因此衰减在ω 01之间出现的时等波纹的变化在ω 1时Tn 1 1LAr达到其最大值即2-52-6LAr是波纹幅度ε是波纹的因数在通频带内最小的衰减频率为零而当ω 1时即阻带内时Tn ω是一个双曲余弦函数若在阻频带ωs上阻频带的衰减为LAs则有2-7椭圆函数响应由图21 d 可见由于椭圆函数滤波器的阻带衰减极点不全在无限远处因而用这种滤波器可得到很陡的截止率图中LAr是通带最大衰减LAs是阻带最小衰减ω1是通带带边频率ωs是阻带带边频率考虑n阶椭圆函数型低通变换器衰减特性得到2-8其中Fn是含有模为K的函数22 微波滤波器参数1带宽Bandwidth通带的3dB带宽flowfhigh2中心频率fc或f03截止频率下降沿3dB点频率4插入损耗insertion loss当滤波器与设计要求的负载连接通带中心衰减5带内波纹绝对衰减Absolute attenuation阻带中最大衰减dB6品质因数uality factor中心频率与3dB带宽之比7反射损耗Return loss23 低通滤波器到带通滤波器的转换要依据低通的滤波器设计出一个带通的滤波器它的截止频率是ω1和ω2频率需要进行较复杂的变换使低通原型滤波器的频率变量ω’与带通滤波器的频率变量ω符合下面公式2-9式中ω2是带通滤波器高端的截止频率ω1是其低端的截止频率ω0为中心频率通常令ω2-ω1称为该滤波器中的通频带ω2-ω1 ω0称为该滤波器中的相对通频带W2-10 根据母型低通滤波器换算带通滤波器电路元件变得更加复杂母型滤波器的电感应改为LC串联电路它的电感Lk和电容Ck与母型的电感保持以下关系2-11 2-12母型滤波器的电容应改为LC并联电路它的电容Ck1 和电感Lk1 与母型的电容保持以下关系2-13 和都可以从母型低通滤波器的元件表上查得三同轴腔带通滤波器的设计31 滤波器的设计步骤滤波器的设计步骤为1 确定滤波器的类型和实现方式根据技术指标要求确定滤波器的类型和实现方式包括低通高通带通还是带阻的确定使用何种逼近函数模型体实现形式选择用微带线同轴线还是用波导等实现2 确定滤波器的阶数n根据技术指标要求逼近函数模型确定滤波器的阶数n主要取决于带内插损带外抑制以及所选择的衰减逼近函数模型即元件数n是由衰减特性曲线决定的可以通过查表可以得到也可以通过一些公式计算得到3 查表得到低通滤波器原型的各元件值其余三种滤波器可以从低通滤波器原型通过函数转换得到一般滤波器都是对称设计的也就是说知道一半的元件值就可以了4 使用电路仿真软件仿真使用电路仿真软件仿真是为了优化电路各元件的值5 使用场仿真软件仿真场仿真和实际相差较小所以一般都会使用仿真软件来确定最终的设计6 实物加工与调试32 滤波器的设计方法com 前言滤波器的设计当前有两种不同的出发点一种出发点是镜象参数法这种方法是过去人们一直用来设计滤波器的经典办法此方法的好处是它理论依据很简单但在分析的过程中不会考虑到外接负载对滤波器的影响是它的缺点本文主要采用另外一种方法故镜象参数法不作详细介绍另一种出发点是综合法又称为插入损耗法此方法是近些年以来采用的很普遍的设计方法此方法的步骤是依据需求的技术参数得到插入损耗Li与频率ω的所决定的关系函数再依据这个关系函数推导出具体的相应的电路结构因此第二种方法是第一种方法的相反过程此方法应用网络理论推求出具体的电路反之镜象参数法是根据已知的电路参数拼凑出符合要求的电路结构设计准确是第二种方法的最突出优点并且设计时将外界负载时的影响已经考虑进去从而不用进行多次试探因为要用到比较难的网络理论这就使设计难度增大这是它的缺点尽管如此因为只要设计出满足指定参数要求的母型滤波器以后的设计步骤就成了简单的读图查表和使用数学方法数据将换算即可相比较镜象参数法综合法要比其更加实用com 设计指标设计指标通带频率1785-1800MHz fL--fU插入损耗≤20dB回波损耗≥15dB带外抑制1700-1755MHz 30dB1805-1830MHz≥20dB1830MHz≥30dB输入功率50W工作温度范围-3575℃接口类SMA F 特性阻抗50Ωcom 参数计算经过带通滤波器到低通原型的变换可以得到低通原型的带外抑制3-1由低通原型的带外抑制要求可以得到滤波器的级数n3-2根据技术指标由以上公式算得n 5由低通原型滤波器的级数n 求解其集总参数电路中各元件的归一化值根据公式算得元件的归一化值如表31所示表3-1 元件归一化值g0g1g2g3g4g5g610000137121146819750137121146810000由低通原型中各元件的归一化值求解同轴腔体之间各耦合系数以及端口的有载Q值根据公式由技术指标要求得到K12 K45 00067K23 K34 00051QL 13704由滤波器级数指标要求f0和耦合系数MR确定腔体物理结构以及耦合腔体开窗的尺寸33 仿真与测试com 仿真1单腔1 建立本征模求解模型图3-1 单腔模型图表3-2 单腔模型尺寸单位mm腔高腔宽腔长内圆柱半径外圆柱半径内圆柱高外圆柱高82627523759792 仿真图3-2 谐振频率与谐振柱高度关系曲线由图3-2可知当h 790mm时谐振频率f0 17925GHz 2双腔1 建立本征模求解模型图3-3 双腔模型图2 仿真图3-4 窗口宽度与耦合系数的关系曲线从图3-4得出w12 940时K12 00051w12 882时K12 00067 由仿真计算得到的数据如表3-3所示表3-3 尺寸图单位mm12腔L12W12H12X12K12w12R12r1227526830006788237223腔L23W23 H23 X23 K23 w23 R23 R23 275 2683 00051 940 37234腔L34 W34 H34 X34 K34 w34r34 275 2683 00051 940 37245腔L45 W45 H45 X45 K45 w45 R45 r45 275 26800067882372说明表3-3中LWH为单腔的长宽高X是腔与腔之间的壁厚rR分别是圆柱腔的内外半径com 实物加工与测试1 实物根据仿真结果加工制作了如图3-5所示的实物图3-5 滤波器实物图图3-5中1是滤波器输入端2是耦合窗口调谐螺钉3是腔体调谐螺钉4是固定螺钉5是滤波器输出端2根据加工的实物在网络分析仪上进行调试其测试结果如图3-6所示设计目标为通带17851800MHz内S21≥-20dB回波损耗IL≥15dB带外抑制18051830MHz≤-20dB17001755MHz或1830MHz≤-30dB实测结果为通带内S21为-12dB 回波损耗IL为18dB带外抑制18051830MHz为-25dB17001755MHz为-34dB1830MHz为-359dB经过以上分析可知实际测试结果完全符合设计目标要求总结滤波器是现代移动通信等领域不可或缺的基本器件其性能的优劣往往会直接影响整个通信系统的质量在采用各种形式的滤波器中带通滤波器是所有滤波器中使用最多最重要也是最难设计的一种滤波器本论文设计的是18GHz同轴腔带通滤波器前两章介绍了滤波器的研究现状和基本概念理论第三章详细阐述了同轴腔带通滤波器的设计步骤和方法通过参数计算得出了滤波器的阶数理论耦合系数和品质因数由Ansoft HFSS软件仿真出了和理论计算相对应的谐振频率f0和耦合窗口宽度w12等参数并由最终的仿真优化结果设计出了符合技术要求的同轴腔带通滤波器经过网络分析仪调试属于可以应用于实际的合格滤波器通过本次论文设计使我对滤波器的设计和HFSS软件的应用有了较深入的了解为以后在这方面的深入学习奠定了基础参考文献[1] 姚毅等调谐微波滤波器的腔间耦合结构研究[J]微波学报 1994 01 12-15[2] 姜宇等基于HFSS密度测量同轴谐振腔磁耦合环优化设计[J]哈尔滨商业大学学报2010 05 10-14[3] 吴微微波滤波器综合技术的研究[D]西安电子科技大学 2008211-220[4] 贾守礼同轴腔体带通滤波器的研究[D]大连海事大学 2011198-210[5] 姚毅腔体滤波器中侧面耦合孔的等效模型[J]四川轻化工学院学报1994 04 6-8[6] 薛欣同轴腔滤波器机电耦合研究及双圆极化天线设计[D]西安电子科技大201077-85[7] 杨皎皎TD-SCDMA准椭圆函数腔体带通滤波器的设计[D]西安电子科技大学 2007157-163[8] 熊莹霞可调腔体带通滤波器的研究与设计[D]华东师范大学200588-102[9] 王一凡等广义切比雪夫滤波器等效电路参数的提取[J]真空电子技术2007 01 10-13[10] 邓贤进等微波腔体滤波器的快速设计及仿真[J]微波学报2006 04 13-15[11] 郑泽国800MHZ同轴腔体双工器的研制[D]西安科技大学 201165-80[12] 吴边无线通信中微波滤波器的比较设计法与应用研究[D]西安电子科技大学20089208-214[13] 甘本袚等现代微波滤波器的结构与设计[M]上册北京科学出版社 1974[14] 甘本袚等现代微波滤波器的结构与设计[M]下册北京科学出版社 1974[15] 吴须大等同轴腔滤波器与微放电[J]空间电子技术20008 4 6-9。