腔体滤波器的仿真、优化及测试

X波段腔体带通滤波器的设计与实现夏丹;李光灿;杜勇【摘要】In this paper, the coupling coefficient technique is adopted to design a cavity band-pass filter of three different center frequencies in X-band, which has a relatively high center frequency and ten cavities. The filter is simulated with HFSS. And then the time domain debugging method is used to debug the filter. The design method can shorten product manufacturing cycle. The test results show that all filters have the advantages of low insertion loss in band and high rejection out of hand.%通过耦合系数法设计滤波器,并通过HFSS进行精确仿真,采用时域调试法完成调试,大大缩短了研制周期,实现了X波段内三个不同中心频率的腔体带通滤波器,具有相对较高的中心频率且腔数多达10.经测试表明,所有滤波器均具有较低的通带插入损耗和较高的带外抑制.【期刊名称】《现代电子技术》【年(卷),期】2012(035)013【总页数】3页(P173-175)【关键词】X波段;带通滤波器;耦合系数法;时域调试法【作者】夏丹;李光灿;杜勇【作者单位】贵州航天计量测试技术研究所,贵州贵阳 550009;贵州航天计量测试技术研究所,贵州贵阳 550009;贵州航天计量测试技术研究所,贵州贵阳 550009【正文语种】中文【中图分类】TN954-340 引言在X波段雷达目标模拟器、信号源系统中，需要使用带通滤波器来抑制杂散和分离信号，要求滤波器具有体积小、低插损、高带外抑制的性能特点。

实验一交叉耦合滤波器设计与仿真一、实验目的1.设计一个交叉耦合滤波器2.查看并分析该交叉耦合滤波器的S参数二、实验设备装有HFSS 13.0软件的笔记本电脑一台三、实验原理具有带外有限传输零点的滤波器，常常采用谐振腔多耦合的形式实现。

这种形式的特点是在谐振腔级联的基础上，非相邻腔之间可以相互耦合即“交叉耦合”，甚至可以采用源与负载也向多腔耦合，以及源与负载之间的耦合。

交叉耦合带通滤波器的等效电路如下图所示。

在等效电路模型中，e1表示激励电压源，R1、R2分别为电源内阻和负载电阻，ik （k=1,2,3,…,N）表示各谐振腔的回路电流，Mij表示第i个谐振腔与第k个谐振腔之间的互耦合系数(i,j=1,2,…,N，且i≠j)。

在这里取ω0=1，即各谐振回路的电感L和电容C均取单位值。

Mkk（k=1,2,3,…,N）表示各谐振腔的自耦合系数。

n 腔交叉耦合带通滤波器等效电路如下图所示:这个电路的回路方程可以写为一般来讲，频率都归一成1，即ω≈ω0=1,则其中E为电压矩阵，I为电流矩阵，Z为阻抗矩阵，U0是N×N阶单位矩阵。

M是耦合矩阵，它是一个N×N阶方阵，形式如下：其中对角线上的元素代表每一个谐振腔回路的自耦合，表示每一个谐振腔的谐振频率fi与中心频率f0之间的偏差。

（在同步调谐滤波器中，认为它们的值都取零）。

R矩阵是N ×N阶方阵，除R(1,1)=R1，R (N,N)=R2为非零量以外，其它元素值都等于零。

那么，这个电路的传输函数可以写为其中，D(cofZ1N)表示Z矩阵第一行、第N列元素的代数余子式，D(Z)表示Z矩阵的行列式。

相应地,通带增益频响特性为取 n =3，可得 3×3 阶耦合矩阵M：3阶椭圆函数滤波器的低通增益函数修正为：其中上述方法中的等波纹系数也必须进行修正，修正方法有下列两种：(1)(－1，1)内各点的最大值α，有：(2)令标准椭圆函数与修正后的椭圆函数在边带上的衰减相等，从而求得修正后的纹波系数：四、实验内容设计一个交叉耦合滤波器，其指标要求如下：中心频率：910MHz带宽：40MHz带内反射：< 20dB带外抑制：在MHz处>20dB此滤波器通过三腔微带结构(环形谐振器)实现。

腔体滤波器功率容量分析和应用1气体击穿现象任何气体都由原子和分子组成，它们都是中性粒子。

而且，由于宇宙射线电离或其他现象（例如光电效应），气体里面都会存在少量的电子和带电粒子（离子①）。

由于电场作用，气体中的电子和带电粒子会沿电场方向加速运动，与路径上的中性粒子或容器边沿发生碰撞。

其中电子碰撞起主要作用。

离子越重，加速越慢，则碰撞机会越少，因此碰撞中远不及电子赋予的能量。

1.1粒子碰撞根据空气动力学经典理论（布朗运动：分子永不停息地做无规则的运动。

），气体中的电子、原子、分子、离子可以视为随机状态下小范围自由运动的刚性小球，且这些球之间有相互碰撞。

呈现出碰撞的类型有两种：弹性碰撞和非弹性碰撞。

1)在弹性碰撞中，电子或离子从原子中弹出，只和原子交换能量，而不改变原子的状态。

转移给靶原子的能量不能激发靶原子内的电子时，所转移的能量就使靶原子作为整体而反冲。

2)非弹性碰撞中，电子的能量足够高，它们消耗自身的能量改变原子内部的状态。

碰撞后被激发的原子通常会很快回到它的基态能级，原子得到的能量会被辐射出来。

如果电场足够高，一些电子在碰撞中就会从原子电离出其他电子，产生二次电子和正离子。

1.2扩散在气体媒质中，粒子浓度或速度的梯度会导致沿梯度降低方向产生粒子流，这个粒子流称为扩散。

在电离气体中，电子被原子和分子沿外加电场的方向散射，散射的电子被气体容器表面吸收。

这些电子的损失被认为是扩散作用的结果。

虽然扩散的主要因素是电子的自由扩散，但扩散速率取决于电子浓度、场梯度、电子产生率、几何特征、尺寸及容器的表面条件等。

此外，扩散速率还依赖于电子和离子的相互作用。

1.3吸附效应电子可能被吸附在气体的中性粒子上。

一旦被吸附，被吸附的电子在离子化过程中不会再发挥任何作用，这是因为中性粒子的重量是电子的2000倍以上。

因此，中性粒子的速度比自由电子慢得多，它与失去的电子等价。

必须注意，这里失去的电子和扩散过程中的不一样，扩散过程的电子运动是场作用的结果。

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。

微带低通滤波器的仿真设计陕西理工学院毕业设计微带低通滤波器的仿真设计王艳磊(陕西理工学院电信工程系电子信息工程专业 2007级5班陕西汉中723000)指导教师:贾建科[摘要] 在实际的应用中～射频信号的频率范围非常广～通常所用的有用信号只是在很小的频段内～因此需要通过滤波器来实现。

滤波器是用来选择性地通过或抑制某一频段信号的装置。

在高频是滤波器通常由分布参数元件构成～因为其成本低且有较高的可重复性～而绝大部分分布参数滤波器都是用微带线设计的～通过在电路板上构成电路回路来实现滤波特性。

本文简要介绍了采用高低阻抗微带线实现分布参数低通滤波器的方法～并且着重通过一个具体设计实例给出微带滤波器的整个设计过程和AWR 仿真结果。

[关键词] 微带低通滤波器 AWR 仿真Design and Simulation of Microstrip Low-pass FilterWang Yan lei(Grade 07,Class 5,Major electronics and information engineering ，Electronics and informationengineering Dept.，Shaanxi University of Technology，Hanzhong 723000，Shaanxi)Tutor: Jia Jian Ke[Abstract]: In practical projects, the range of frequency is very wide. Useful signal is usually used only in a narrow band, so it needs filters. Filter is a device which is used to select frequency required. At high frequency, the filter is normallycomposed of distributed parameter components because of low cost and high repeatability. Most distributed parameter filters are designed by the microstrip line and achieve performance by constituting loop on the circuit board. This article briefly describes the method of achieving low-pass filter of distribution parameters with Stepped-Impedance, L-C Ladder Type Low-pass Filters and mainly gives the entire design process and the AWR simulation results based on a specific example.[Key words]: Microstrip Low-pass Filter AWR simulation陕西理工学院毕业设计目录第一章引言 (1)1.1研究的意义 (1)1.2滤波器的发展史 (1)国内外的研究动态 ........................................... 2 1.31.4 本设计主要完成的任务 (4)第二章微波滤波器及微带电路的基本理论 ......................... 5 2.1 微波网络 ................................................... 5 2.1.1 二端口网络 ............................................... 5 2.2 滤波器的传输函数 ........................................... 6 2.2.1 Butterworth响应 (7)Chebyshev2.2.2 响应 (7)Elliptical2.2.3 Function响应 ......................................8 2.3微波滤波器的参数 (9)2.4微带线的基本理论 ............................................ 9 第三章归一化原型滤波器设计 ................................. 12 3.1归一化低通原型滤波器 ....................................... 12 3.2切比雪夫低通原型 ........................................... 13 第四章微带低通滤波器的设计与仿真............................ 15 4.1 理论计算各元件的真实值 .................................... 15 4.2 理论计算微带低通滤波器的实际尺寸 .......................... 15 4.3 AWR软件的介绍 ............................................. 16 4.4仿真与实验结果 ............................................. 16 小结 ........................................................ 21 致谢 ........................................................ 22 [参考文献] (REFERENCES) . (23)陕西理工学院毕业设计附录(A)英文文献 (24)附录(B)英文文献的中文翻译 (30)陕西理工学院毕业设计第一章引言1.1研究的意义无线通信业务的迅猛发展，在给人们的沟通和生活带来方便的同时，无线通信系统也对无线电频谱资源的需求不断增加，使得目前适宜于无线通信的频谱资源变得越来越紧张。

腔体滤波器1、研究背景及意义近些年来随着毫米波、微波技术的迅速发展，无线通信得到了空前的发展，微波频带出现了相对拥挤的状况。

所以，能够选频的微波滤波器越来越受到研究者的重视。

而微波滤波器作为一种频率选择装置，是现代毫米波、微波通信系统中一个非常重要的组成部分，是微波、毫米波系统中不可缺少的器件之一，其性能的优劣可以影响到整个系统的质量。

微波滤波器是无线通讯系统的重要组成部分，可以用于过滤或分离不同频率信号的一种元器件；其主要功能是只让需要的信号通过，抑制不需要的信号，使其不能通过滤波器。

从而有效地解决了当前急剧发展的无线通信信号所带来的有限频谱资源不足和紧缺的问题。

对于这些滤波器我们的要求也越来越苛刻。

差损小、功率大、体积小、重量轻等，另外在实际应用中，滤波器的生产周期也变得非常短，这就需要设计人员迅速而精确的设计出相应的滤波器。

滤波器种类很多，不同的场景和频段使用的滤波器不同。

腔体滤波器就是众多滤波器的一种。

它具有性能稳定、Q值高、功率大等特点，往往是同类型中最优秀的，所以具有非常高的研究价值。

滤波器设计的方法很多，可以概括如下：分布参数法影像参数法集总参数法网络综合法分析参数法，是根据插入相移函数和插入衰减函数，再应用波导或传输线理论，从而就可以得到微波滤波器的元件结构。

但我们使用最多的还是集总参数法，其中，影像参数法是以影像参数为基础，通过微波结构来模拟等效电路中的各个元件；网络综合法是以相移和衰减函数为基础，利用网络综合理论，先得出集总元件低通原型电路，再将集总元件原型电路中的各元件用微波结构来实现。

现在主要采用网络综合法，使滤波器的设计流程得到了简化。

随着计算机技术的发展，我们也可以通过电磁仿真软件进行仿真。

电磁仿真软件使设计滤波器的网络综合法得到不断的改进，这也极大的促进了滤波器设计技术的发展。

2、腔体滤波器的发展历史1901年，马可尼使用800kHz中波信号进行了横跨大西洋的无线电报试验，开创了人类通信的新纪元。

金属腔体滤波器原理金属腔体滤波器是指由一组金属壳体构成的滤波器。

在这个滤波器中，电磁波通过金属壳体后，会受到反射和透射的作用，从而达到滤波的效果。

下面分步骤阐述金属腔体滤波器的原理。

第一步：介绍金属壳体金属壳体是指用金属材料制成的外壳，它可以反射和吸收电磁波。

在金属壳体中，电磁波的能量受到金属的吸收，并转化为热能。

如果金属壳体的厚度足够，它可以完全阻挡电磁波的传播，防止电磁波的泄漏。

第二步：介绍金属腔体金属腔体是指由多个金属壳体构成的空腔，它可以把电磁波限制在它的中心区域。

在金属腔体中，金属壳体之间的距离通常是电磁波的波长的几个倍数。

这种设置可以形成多个谐振腔，形成滤波的效果。

第三步：谐振腔的工作原理谐振腔是指金属腔体中的一段金属壳体之间的距离与电磁波的波长相等，从而滤波器能够选择某一频率范围内的信号进行传输。

当电磁波进入金属腔体后，实现了反射和透射，使得电磁波在谐振腔内形成了驻波，从而实现了信号的选择和滤波。

谐振腔的频率选择取决于谐振腔之间的距离以及金属壳体的厚度等因素。

第四步：金属腔体滤波器的优缺点金属腔体滤波器的优点是过滤精度高，可以实现高质量的信号传输，能够有效地隔离干扰信号。

但是，金属腔体滤波器的缺点是在高频范围内过滤的效果不佳，因为电磁波的波长太短，难以在金属腔体中形成谐振，因此金属腔体滤波器的使用范围有一定的限制。

综上所述，金属腔体滤波器的原理是通过金属壳体和谐振腔的组合实现信号的选择和滤波。

虽然金属腔体滤波器存在一些缺点，但它依然是一种高精度的信号滤波器，被广泛应用于无线通信、太赫兹成像等领域。