【干货】快速设计梳状线腔体滤波器的一种新方法

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微波滤波器对于通信系统的价值是举足轻重的,怎样减少微波滤波器的设计时间和成本,提高设计精度一直是设计师关心的问题。本文介绍了一种新型,快速,准确设计微波腔体滤波器的方法,结合 Ansoft HFSS 的三维场仿真和 Designer 的路仿真,能极大的减小设计微波滤波器的时间和成本

由于腔体滤波器在高频器件中体现出许多优点 , 如体积小 , 重量轻 ,  插损小 , 现已在通信系统中大量使用。传统的方法都是依靠等效电路原型来计算出初步尺寸,计算量大,而且不准确,这样就大大的延长了设计的周期,提高了设计的成本。本文就阐述了一种快速利用 HFSS 建模,在 designer 中优化的设计方式 , 由于 Ansoft 公司 HFSS与 Designer 软件的良好接口,充分利用 HFSS 的场计算和 designer 的路计算 [4-5] , 如图 1 所示。

1

在 HFSS 中使用调谐螺钉整体仿真,优化,速度极慢,所以忽略螺钉对邻近谐振杆的影响,在 Designer 中用电容代替,这样就大大的节省了时间,同时保证了较高的准确度。

具体的分析如下,我们的设计目标是:

 

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1. 从低通原型得到设计的基本值:N(滤波器节数),K(相邻两腔的耦合系数),Q(外部端口的有载 Q 值)

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2. 端口和耦合系数的三维实现

此部分是关键所在,它主要利用 HFSS 的强大的场计算功能, Designer 的路的计算功能和优化功能。

 

2.1 谐振杆之间距离的确定

CF = 9.2GHz  ,谐振杆电长度取 61.8 度(高端抑制的需要),物理尺寸就是 5.6mm ,用圆杆,比起方杆具有容易加工的优势。直径取 2mm 。

在 HFSS 中建模如图 3 :

 

两端的谐振杆均短路,可以模拟不邻近腔之间的耦合效应 [1-2] 。中间的两个谐振杆一端短路,一端加上端口( waveport ),这样方便导入 designer 中加电容。谐振杆 2 和 3 的距离为 L ,在 HFSS 中扫描 L ( 2.5mm 至 3.5mm ,步长 0.05mm ),大概需要 10 分钟。将扫描数据保存,将该文件保存。

然后在 Designer 中建模如图 4 。

加载电容用来调谐振频率,相当于实物中的螺钉。 HFSS 模块是从 HFSS 中导入的。高阻端口,为了实现端口匹配。

3

调整电容值,使其谐振在中心频率 9.2GHz ,如图 5 :设两个谐振峰的值为 f2 和 f1 ,可以根据耦合计算公式得出

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这样就可以得出 K23 , K34 , K45 对应的距离 L23 , L34 , L45 ,见表 2

5

 

因 K12=K78 易受端口的影响,故在下一环节计算。

 

2.2 端口抽头高度(端口匹配)的确定和 K12 确定

端口和 K12 就利用 S11 的群时延来计算,建模如图 6 。

6

扫描抽头高度和谐振杆 1 和 2 的距离 L12 。利用群时延的公式 [3] 求得 S11 端口的群时延为:

7

 

然后导入 Designer 中,见图 7 所示。

8

在图 7 的左边电路中,将谐振杆 2 接地,调节 H 和电容值使 S11 的 Group delay 图像的中心频率在9.2GHz ,群时延值等于 0.53ns ,如图 8 。在右边电路中调节两个谐振杆的加载电容使图像关于中心频率对称,并且群时延值为 0.89ns ,见图 8 。 H=2.68mm 时, L12=1.8mm 时得到准确的群时延值 .

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3 .整体建模优化,验证

滤波器的全部主要尺寸已经得到,在 HFSS 建整体模型验证,如图 9 所示。

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导入 Designer 中用电容加载验证,如图 10 。

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优化各个电容值 C1 - C8 ,即相当于调谐螺钉。最后得出的图像如图 11 。

12

 

可见指标完全达到了要求。在 HFSS 中加螺钉粗略验证,如图 12 所示。

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可见得到了较好的图形,在实际调试中,回波应该可以调得更好。

 

参考文献

[1] Daniel G.Swanson Jr. and Rbert J.Wenzel. “Fast analysis and optimization of combine filter using FEM” 2001

[2] Dishal. “A small design procedure for small percentage bandwidth round-rod interdigital filter ” 1965

[3] Ness. “A unified Approach to the design, measurement and tuning of coupled resonator filters.” 1998

 

 

 

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