一种高效设计同轴腔滤波器的方法

http://www.paper.edu.cn - 1 - 一种高效设计同轴腔滤波器的 方法 快递客服问题件处理详细方法山木方法pdf计算方法pdf华与华方法下载八字理论方法下载 丁勇，胡皓全 电子科技大学，成都（610054） E-mail: dingyong66@msn.com 摘 要：通过 K、Qe 值或反射群时延值，用三维电磁场仿真软件设计微波带通滤波器是一 种非常精确快捷的方法，在众多滤波器设计中得到广泛应用。同轴腔滤波器由于具有高 Q 的谐振器，在使用以上方法设计时运算量大、对计算机的配置要求高，限制了它的应用。如 何高效精确的设计同轴腔滤波器，减少调试量，一直是众多滤波器设计工程师追求的目标。 本文介绍了一种高效精确设计同轴腔滤波器的方法。并通过实验验证了这种方法的精确性。 关键词：同轴腔，带通滤波器，反射群时延，K，Qe 1. 引言 通信技术和雷达技术迅猛的发展，可用频谱越来越拥挤，对滤波器和双工器提出了更严 格的要求。要求滤波器具有带外高抑制度、低损耗、高功率容量的特性，同轴腔带通滤波器 由于具有高品质因素（Q）、大功率容量以及灵活多变的外形特点得到了广泛的应用。如何 高效、精确的设计这种滤波器成为众多滤波器设计工程师追求的目标。设计带通滤波器的方 法有很多种，通过耦合系数（K），和外部加载品质因素（Qe）设计微波带通滤波器是一种 较经典的设计方法。由于这种方法设计步骤简单、设计结果精确，因而得到了广泛的应用。 目前市面上出现了多款商用三维电磁场仿真软件，其中以有限元法（FEM）为基础的 Ansoft 公司的 HFSS、和以有限积分技术（FIT）为基础的 CST公司的 CST Microwave Studio最具 代 表 关于同志近三年现实表现材料材料类招标技术评分表图表与交易pdf视力表打印pdf用图表说话 pdf 性。通过三维电磁场仿真软件提取滤波器物理模型的 K、Qe 值，使得设计腔体滤波器 的准确性得到了很大提高。但是对于高 Q值的同轴腔滤波器不管是 FEM还是 FIT，运算量 都非常大，对计算机的硬件配置要求很高。仿真时间远远大于其它低 Q 值的腔体滤波器。 为了提高设计的效率和准确度，本文提出了一种高效准确的设计同轴腔滤波器的方法。并在 最后以实验验证了此方法的准确性。 2. 理论 低通—带通—变换器耦合谐振器，这样一个过程是设计微波滤波器的一个很常用的设计 流程 快递问题件怎么处理流程河南自建厂房流程下载关于规范招聘需求审批流程制作流程表下载邮件下载流程设计 。对于窄带和中等带宽滤波器而言，耦合谐振器实现精确的响应有成熟的数学和实践基 础[1]。一旦谐振腔选定，要产生滤波器的响应仅仅需要确定耦合值。对于在非相邻谐振器间 使用交叉耦合、线性相位和广义切比雪夫响应的滤波器耦合值也可以提取。因此同步调谐谐 振腔获取适当的耦合可以实现大多数的滤波器特性需求，甚至是非常苛刻的指标。 K、Qe与低通原型的 g值的关系可以由以下 公式 小学单位换算公式大全免费下载公式下载行测公式大全下载excel公式下载逻辑回归公式下载 表示： ω ω ∆= 010ggQe1 （1） ω ω ∆= + 01NNggQe2 （2） ( ) 211nn01n,n ggK ++ ∆= ω ω n=1,2,… N-1 （3） 其中 ω∆ 、 0ω 、 ng 更别为滤波器的带宽、带通滤波器的中心频率、对应的低通原型值。 http://www.paper.edu.cn - 2 - Qe和 1, +nnK 也可以在三维电磁仿真软件中由谐振器的反射信号 S11的群时延确定。 中心频率处 0ωω = 0 e d 4Q)( 1 ωω =Γ （4） 2 1,2e0 d KQ 4 2 ω=Γ （5） 2 2,30 2 1,2e dd K K4Q 13 ω+Γ=Γ 2 3,4 2 1,2e0 2 2,3 dd KKQ 4K 24 ω+Γ=Γ 2 4,5 2 2,30 2 3,4 2 1,2e dd KK KK4Q 35 ω+Γ=Γ 2 5,6 2 3,4 2 1,2e0 2 2,3 2 4,5 dd KKKQ K4K 46 ω+Γ=Γ … Qe和 1, +nnK 还可以表示成耦合带宽（CBW）的形式 e1 0 1,0 Q CBW ω= e2 0 1N,N Q CBW ω=+ 01n,n1n,n KCBW ω++ = n=1,2,… N-1 以上三种表示方式对于设计一个带通滤波器来说都是非常合适的，后面的两种方式在 EDA 软件和网络分析仪里面都可以方便的测量，对于使用第一种表示方式设计同轴腔滤波 器的方法，在很多文献和 书 关于书的成语关于读书的排比句社区图书漂流公约怎么写关于读书的小报汉书pdf 籍里都有详细的介绍。基本思路是:通过商用化的电磁场仿真软 件的本征模分析（本文以 HFSS软件为例），提取相邻谐振器模型对称面分别为理想电壁和 理想磁壁时的谐振频率 ef 和 mf ，由公式 22 22 me me ff ffK + −±= 计算对应的耦合系数。通过设置 良好的外部加载，用本征模分析提取模型的谐振频率的实部 ( )fRe 和虚部 ( )fIm ，由公式 ( ) )f(2Im )f(ImfRe Qe 22 += 求得对应的 Qe。本文的设计方法将主要以后两种表示方式为主。 下面通过举例来说明。 一个常规的切比雪夫同轴腔带通滤波器需要一下特性： 中心频率：6.35GHz 带宽： 140MHz 通带回波损耗：25dB 谐振器数： 7 http://www.paper.edu.cn - 3 - 由上述滤波器指标通过公式可以得到以下设计参数： 表 1切比雪夫滤波器的设计值 谐振器 Qe或 1, +nnK 反射群时延 dΓ （ns） 耦合带宽（MHz） 1 37.9 3.8 167.51 1，2 0.02033 6.4 129.09 2，3 0.01391 11.91 88.35 3，4 0.01290 13.84 81.92 由于属于对称结构，则 Qe2=Qe1， 2,16,7 KK = ， 3,25,6 KK = ， 4,34,5 KK = 。 接下来构造这个滤波器的物理模型。首先根据尺寸要求、最大无载品质因数 Q 和谐振 器谐振频率调谐范围来选择合适的同轴谐振器，由于这个滤波器并未对插入损耗作严格要 求，在考虑满足小尺寸要求和减小加工调试难度的情况下，我们选择了直径为 8mm、高为 8mm的圆同轴腔，谐振杆外直径 3.5mm、内直径 2.5mm、高 6mm，谐振频率通过谐振杆开 路端的M1.6螺钉来调整。其次确定耦合机构，在这里我们选择了常用的耦合窗口来耦合能 量，这种耦合机构属于电磁混合耦合，以磁耦合占主导，可以很方便的控制耦合量的大小。 在这个例子里相邻两腔中心距离为 8mm，耦合窗口深 8mm，通过改变窗口的宽度来改变耦 合量的大小。滤波器的输入输出为从谐振器 1和 7的谐振杆直接抽头形式，通过调整抽头距 短路面的高度来调整抽头的强弱。考虑到此滤波器的对称性，整个滤波器需要确定的尺寸有 4处：抽头距短路面的高度 tap、谐振器 1-2、2-3、3-4之间分别对应的耦合窗口宽度 W1、 W2、W3。 使用上面常用的本征模提取 K值法可以得到，如图一的曲线。 图 1 本征模提取的窗口宽度W对应于耦合系数 K的曲线 由图一可以读出，对应的耦合窗口宽度分别为：W1=4.2mm 、W2=3.3mm 、W3=3.2mm。 但必须注意的是这个曲线是在仅仅变化耦合窗口宽度的情况下得到的耦合系数曲线，而实际 情况是：随着耦合窗口的增大，中心频率 2 me ff + 随着减小。即以上方式得到的 K值与我们 所需要的 K 值有一定的差异。为了得到精确的耦合系数，必须同时调整两个谐振器的螺钉 长度，使得中心频率 2 me ff + 等于滤波器的中心频率。同样提取 Qe时也需要做这样的调整。 http://www.paper.edu.cn - 4 - 但这样的调整非常耗时，大大降低了效率。 为了改变这种局面，我们使用滤波器的反射群时延和耦合带宽这两个参数来修正这种误 差。 根据上一步提取的数据我们在 HFSS里面建立了滤波器的整体模型[3]，如图二所示。 图 2 7阶切比雪夫同轴腔滤波器的整体模型 将图二的谐振杆全部短路并做全波分析，导入电路仿真软件 Ansoft Designer 里做协同 仿真，如图三所示。 图 3 Designer里的协同仿真电路图 根据 John B.Ness的调试理论[2]，将图三里除 C1外的电容全部短路后，计算其电路端口 1（Port1）的反射群时延 GD11，并调整 C1和滤波器的输入输出抽头高度，使得 GD11的值 在中心频率 6.35GHz处为 3.8ns。如图四所示。得到抽头高度 tap=1.65mm 图 4 谐振器 1对应的反射群时延值 http://www.paper.edu.cn - 5 - 接下来再将除 C1、C2外的电容全部短路后，计算其电路端口 1（Port1）的反射群时延 GD11，并调整 C1、C2、W1使得 GD11的值在中心频率 6.35GHz处为 6.4ns。如图五所示。 得到W1=4.89mm。 图 5 谐振器 1-2对应的反射群时延值 在接下来调整谐振器 2-3 的反射群时延中，由于需要同时调整 C1、C2、C3、W2 来使 得反射群时延曲线关于中心频率对称，并使其值为 11.91ns。由于变量的增加使得调整起来 更加繁琐，对此我们采用一种确定耦合系数的新方法，只需要调整两个变量即可达到。对图 三的电路做如下修改：在子电路的 3、4端口处添加高阻微波端口 Port3和 Port4，见图六。 图 6 修改后的电路图 分析图六的电路，得到 S34参数，调整 C2、C3、W3参数使得 S34曲线关于中心频率 6.35GHz 对称（在这里，由于属于同步调谐，因此 C2=C3），并使 S34 的两个谐振峰的频 率差值为 88.35MHz。如图七所示。得到W2=3.85mm。 http://www.paper.edu.cn - 6 - 图 7 谐振器 2-3之间的耦合带宽 使用相同的方法求得谐振器 3-4之间的耦合窗口W3=3.72mm。如图八所示。 图 8 谐振器 3-4之间的耦合带宽 至此整个滤波器的全部尺寸参数得到确定：tap=1.65mm、W1=4.89mm、W2=3.85mm、 W3=3.72mm。将这些尺寸值代入滤波器模型中，并整体仿真得到如图九的曲线。 图 9 7阶切比雪夫同轴腔滤波器仿真曲线 由图九可以看出，带宽、回波损耗和设计值吻合得很好。由此证明这种设计方法的精确 性。 http://www.paper.edu.cn - 7 - 据上述方法设计制作了两种滤波器测试曲线如下图所示 图 10 7阶切比雪夫同轴腔带通滤波器 S参数测试曲线 http://www.paper.edu.cn - 8 - 图 11 7阶切比雪夫同轴腔带通滤波器 S参数测试曲线 图 12 7阶切比雪夫同轴腔带阻滤波器 S参数测试曲线 3. 结论 通过电磁场仿真软件的本征模分析,提取相邻谐振器模型对称面分别为理想电壁和理想 磁壁时的谐振频率，计算得到耦合系数值。然后用本征模分析提取模型的谐振频率的实部和 虚部，计算得到外加品质因素值。本文通过一个同轴腔滤波器的设计实例验证了该方法的高 效和精确性。通过矢量网络分析仪的测量，可以看到结果和设计非常的吻合。 参考文献 [1] 甘本袚，吴万春，《现代微波滤波器的结构与设计》1972.7. [2] John B. Ness,“A Unified Approach to the Design, Measurement, and Tuning of Coupled-Resonator Filter,”IEEE Trans. Microwave Theory Tech, vol.46, No.4,Apr. 1998. [3] Dr. B. Mayer and Dr. M.H. Vogel, “Efficient Design of Chebychev Band-Pass Filters with Ansoft HFSS and Serenade,”Ansoft Corporation Tutorial. http://www.paper.edu.cn - 9 - A High Efficient Approach to the Design of Coaxial Filters Ding Yong, Hu Haoquan University of Electronic Science and Technology of China, Chengdu (610054) Abstract Though caculating K, Qe or feflected group declay value, using three-dimensional electromagnetic field emulation software to design microwave band-pass filters is very precise and high-efficient method, which has been widely applied. In terms of coaxial filters containing high Q value resonators, using the method mentioned above have heavy computation and the requirement of high performance cmupter is needed. Accordingly, the application of this method have been limited. How to design the coaxial filters precisely and high-efficiently, and reducing the tuning workload have always been the target of many engineers who have been engaged in this field. This paper has shown a high efficient and precise approach to the design of coaxial filters and the accuracy have been verified at the same time. Keywords: coaxial cavity,band-pass filter,reflected group delay,coulping coefficient(K),external quality factor(Qe) << /ASCII85EncodePages false /AllowTransparency false /AutoPositionEPSFiles true /AutoRotatePages /All /Binding /Left /CalGrayProfile (Dot Gain 20%) /CalRGBProfile (sRGB IEC61966-2.1) /CalCMYKProfile (U.S. Web Coated \050SWOP\051 v2) /sRGBProfile (sRGB IEC61966-2.1) /CannotEmbedFontPolicy /Warning /CompatibilityLevel 1.4 /CompressObjects /Tags /CompressPages true /ConvertImagesToIndexed true /PassThroughJPEGImages true /CreateJDFFile false /CreateJobTicket false /DefaultRenderingIntent /Default /DetectBlends true /ColorConversionStrategy /LeaveColorUnchanged /DoThumbnails false /EmbedAllFonts true /EmbedJobOptions true /DSCReportingLevel 0 /EmitDSCWarnings false /EndPage -1 /ImageMemory 1048576 /LockDistillerParams false /MaxSubsetPct 100 /Optimize true /OPM 1 /ParseDSCComments true /ParseDSCCommentsForDocInfo true /PreserveCopyPage true /PreserveEPSInfo true /PreserveHalftoneInfo false /PreserveOPIComments false /PreserveOverprintSettings true /StartPage 1 /SubsetFonts true /TransferFunctionInfo /Apply /UCRandBGInfo /Preserve /UsePrologue false /ColorSettingsFile () /AlwaysEmbed [ true ] /NeverEmbed [ true ] /AntiAliasColorImages false /DownsampleColorImages true /ColorImageDownsampleType /Bicubic /ColorImageResolution 300 /ColorImageDepth -1 /ColorImageDownsampleThreshold 1.50000 /EncodeColorImages true /ColorImageFilter /DCTEncode /AutoFilterColorImages true /ColorImageAutoFilterStrategy /JPEG /ColorACSImageDict << /QFactor 0.15 /HSamples [1 1 1 1] /VSamples [1 1 1 1] >> /ColorImageDict << /QFactor 0.15 /HSamples [1 1 1 1] /VSamples [1 1 1 1] >> /JPEG2000ColorACSImageDict << /TileWidth 256 /TileHeight 256 /Quality 30 >> /JPEG2000ColorImageDict << /TileWidth 256 /TileHeight 256 /Quality 30 >> /AntiAliasGrayImages false /DownsampleGrayImages true /GrayImageDownsampleType /Bicubic /GrayImageResolution 300 /GrayImageDepth -1 /GrayImageDownsampleThreshold 1.50000 /EncodeGrayImages true /GrayImageFilter /DCTEncode /AutoFilterGrayImages true /GrayImageAutoFilterStrategy /JPEG /GrayACSImageDict << /QFactor 0.15 /HSamples [1 1 1 1] /VSamples [1 1 1 1] >> /GrayImageDict << /QFactor 0.15 /HSamples [1 1 1 1] /VSamples [1 1 1 1] >> /JPEG2000GrayACSImageDict << /TileWidth 256 /TileHeight 256 /Quality 30 >> /JPEG2000GrayImageDict << /TileWidth 256 /TileHeight 256 /Quality 30 >> /AntiAliasMonoImages false /DownsampleMonoImages true /MonoImageDownsampleType /Bicubic /MonoImageResolution 1200 /MonoImageDepth -1 /MonoImageDownsampleThreshold 1.50000 /EncodeMonoImages true /MonoImageFilter /CCITTFaxEncode /MonoImageDict << /K -1 >> /AllowPSXObjects false /PDFX1aCheck false /PDFX3Check false /PDFXCompliantPDFOnly false /PDFXNoTrimBoxError true /PDFXTrimBoxToMediaBoxOffset [ 0.00000 0.00000 0.00000 0.00000 ] /PDFXSetBleedBoxToMediaBox true /PDFXBleedBoxToTrimBoxOffset [ 0.00000 0.00000 0.00000 0.00000 ] /PDFXOutputIntentProfile () /PDFXOutputCondition () /PDFXRegistryName (http://www.color.org) /PDFXTrapped /Unknown /Description << /FRA /ENU (Use these settings to create PDF documents with higher image resolution for improved printing quality. 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