29.5-31GHz梳状线腔体滤波器设计

发布时间：2022-07-07 13:00:30

来源：RF技术社区 (https://rf.eefocus.com)

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随着射频通信技术的不断进步，微波滤波器也越来越受到重视，她也成了射频技术中经常用到的设备。如何减少微波滤波器在初期评估和设计的时间，提高设计效率和设计精度一直是设计师关心的问题。今天给大家分享一种设计微波腔体滤波器的方法，在结合 Ansoft HFSS 的三维场仿真和 Designer 或者ADS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,如图 1 所示。

图 1 场仿真与电路仿真结合思路

如果在 HFSS 中使用优化调谐螺钉来整体仿真，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：

-Frequency Range: 29500-31000MHz

-Insetion Loss: <1.0dB max

-Return Loss: >15dB

-Rejection: >30dB @ 28600MHz, >30dB @ 31900MHz

-Power Handling: 5W max

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（单腔Q 值）

分析设计指标经计算可得：N=7，单腔 Q 值和耦合系数见表 1，理论曲线如图 2所示。

这里常用CoupleFil软件来分析指标，但只能做参考，具体的还需要依据整体仿真出来的波形做来回修正。

表 1 端口 Q 值和耦合系数

图 2 CoupleFil理论曲线

2 端口和耦合系数的三维实现。

它主要利用 HFSS 的强大的场计算功能，Designer或者使用ADS 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＝30.25GHz ，谐振杆电长度取 50 度，这是由于高端与低端都需要相同抑制，尽量让波形对称，但这里遇到一个问题：如果按照设计电长度取50度则谐振杆高度只有1.4mm高，这显然不符合实际工程应用。这里我们把腔体高度设置为3mm,在 HFSS 中建模如图 3。

图 3 HFSS 中耦合模型

可以根据耦合计算公式得出

这样就可以得出K12, K23,K34,K45,K56,K67 对应的距离 L12,L23,L34,L45,L56,L67，见表 2

表2 耦合系数与杆距扫描结果

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 的群时延的计算，建模如图 5。

图 5 端口和 K12 就利用 S11 的群时延来计算

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

调整谐振杆高度与抽头高度，使频率谐振在29.5GHz，并且群时延值为 0.42ns。H=1.9mm 时，时延为0.4ns左右时波形如图6：

图 6 群时延值为 0.42ns

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 7 所示。

图 7 在 HFSS 建整体模型验证

仿真后得出一个曲线如下图8：

图 8 HFSS 中整体仿真曲线

观察这个曲线与我们所需求的指标相差远，这里如果继续在HFSS里优化，会需要很多时间。

导入 ADS中用电容加载验证，如图9 :

图9 ADS中加载电容模型

优化各个电容值 C1－C7，即相当于调谐螺钉。最后得出的图像如图 10。

图10 ADS仿真优化后曲线

这里选用ADS来做电路仿真是因为在ADS里面使用手调会比Designer快很多，会节省很多时间。当然我们也可以再到Designer中进行验证，如图11：

图11 Designer中加载电容模型

优化后波形如下图12：

图12 Designer中优化后曲线

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