微波腔体滤波器的快速设计及仿真

第 22卷第 4期 2006年 8』l】 微 波 学 报 JOURNAL OF MICROWAVES Vo1．22 No．4 Aug．2006 文章编号：1005-6122(2006)04-0053-04 微波腔体滤波器的快速 设计 领导形象设计圆作业设计ao工艺污水处理厂设计附属工程施工组织设计清扫机器人结构设计 及仿真 邓贤进 李家胤 张 健 (1．中国 工程 路基工程安全技术交底工程项目施工成本控制工程量增项单年度零星工程技术标正投影法基本原理 物理研究院电子工程研究所，绵阳 621900；2．电子科技大学，成都 610054) 摘 要： 经典的微波腔体滤波器设计往往需要大量的复杂公式计算和繁琐的曲线查找。快速设计办法正是 为r避免这样的过程。以梳状线带通滤波器为例，通过计算几个典型的归一化杆径和归一化间距，绘制出分别以相 对带宽为横坐标，归一化杆径和归一化间距为纵坐标的快速简便的设计曲线。用 ANSOFT—HFSS仿真软件对用该方 法没汁出的微波带通滤波器进行结构仿真，最后得到满意的结构设计尺寸，实验测试结果达到了技术指标要求，验 证 r该方法的正确性。 关键词： 微波腔体滤波器，相对带宽，结构仿真 Fast Design and Simulation for Microwave Cavity Filter DENG Xian-jin 一．Ll Jia．ying ．ZHANG Jian (1．1nst．ofElectronic Engineering，CAEP，Mianyang 621900，China； 2．University ofElectronic Science and Technology ofChina，Chengdu 610054，China) Abstract： The design of Classical microwave cavity filter requires large numbers of complicated formulae and numer- OUS curves．A fast and simple design method can avoid these process．Taking pectinate bandpass fiher for example，b ． v calcu— lating some typical normalized diameters and spaces between of poles，a fast and simple design Culwes is obtained in which， X—coordinate is for relative wideband，Y—coordinate is for normalized diameter and space between of pole respectively．By means of ANSOVF—HFSS software，structure simulation for this microwave bandpass filter designed by this ways can be a— thieved．Finally，A satisfactory structure size is obtained，which meets the specifications and the validity is proved by experi— mental result． Key words： Microwave cavity filter，Relative bandwidth，Structure simulation 引 言 『}1于现代微波滤波器的结构设计涉及到大量的 公式计算和图表，要准确设计出所需的滤波器，需要 大量的计算和曲线查找，特别是在设计圆杆型的滤 波器时，需要一级一级地推算出滤波器的尺寸，工作 量很大。同时，在设计过程中，杆的电特性是用各杆 对地的单位长自电容 c 和相邻两杆的单位长互电 容 C 来表现的，忽略了相邻以外的边缘电容的 影响，这样表示并不很准确⋯。此外，在查曲线时 也存在较大的误差。所以，从滤波器的设计过程来 看，不可能做到完全准确，都有一定的近似。但这些 不会影响滤波器的设计 ，因为我们可以在调试时通 收稿 日期 ：2005 7．13；定稿 日期：2005—114)1 基金项目：“十五”国防预研课题(4210109—3) 过改变可调螺钉的位置来弥补这些近似。这正足快 速设计方法的依据。从经典的滤波器计算公式和图 表曲线可以看出，滤波器的级数 n和相对带宽是影 响滤波器各种尺寸大小的重要因素，随着相对带宽 的增大，带通滤波器的归一化杆径和归一化问距减 小。滤波器设计好后，可以通过改变集总电容的大 小和调整调谐螺钉的位置来改变滤波器的q】心频 率。所以滤波器可以在较宽的频率范围滑动，这样 就可以把滤波器的频率调整到所需要的中心频率 上。正因为如此，为了避免繁琐的计算和复杂的设 计步骤，可以以滤波器的相对带宽为横坐标，fJI一化 杆径和归一化间距为纵坐标绘制出快速简便的微波 带通滤波器的设计曲线。从该曲线可以方便快速地 维普资讯 http://www.cqvip.com 54 微 波 学 报 设计出相对带宽不同的滤波器。本文以圆杆梳状带 通滤波器为例，通过该方法设计了一个相对带宽为 2％，中心频率为5．25GHz，阶数 n=4，取接地板间 的间距 b为 16mm的0．1dB切比雪夫波纹的带通滤 波器。将所设计 出的尺寸作为初值 ，用 ANSOFT- HFSS软件对滤波器进行了结构仿真，并做进一步调 整，最后设计出了满意的滤波器。 1 微波梳状带通滤波器的简要原理 以梳状线带通滤波器的设计为例，它是一种能 够得到宽阻带的带通结构，谐振器是由一端短路，一 端经过一集总电容 c 接地的一些平行耦合线所组 成，图 1为其示意图。图中线 1到 n，及与其相关联 的集总电容 C。。到 c 。构成了谐振器，而线 0和 n+ 1不是谐振器，只是末端阻抗变换段的一部分。在 这种形式滤波器中，谐振器之间的耦合是用谐振线 之间的边缘场来得到的。由于集总电容 c 。的存 在，谐振线将小于谐振处的A。／4(其中A。是频带中 心处传输媒质中的波长)，谐振器之间的耦合主要 是磁耦合效应 。 图 1 梳状线带通滤波器示意图 2 快速设计曲线的绘制 利用滤波器的设计公式求出滤波器所需的归一 线电容后，再利用滤波器设计图表(此处略)，在指 定b(谐振腔的宽度)和t(谐振器的宽度)后 ，就可 以算出每个谐振线与地的归一单位长自电容和相邻 谐振线间的归一单位长互电容。由于在推导这种耦 合圆杆的设计公式时，忽略了相邻以外的边缘电容 的影响，因而可用两个沿结构传输的TEM正交模来 描述，即奇模和偶模。这两个 TEM模具有不同的特 性阻抗，它们与圆杆对地的静电容有关， 静电容又 与圆杆的单位长自电容 c 和两圆杆问单位长互电 容 c 有关。所以，要用圆杆结构来实现滤波器的 设计，第一步是要用归一互电容 c ／e=C ／ 在 归一互电容 c ／ 与归一半间距 1／2(s／b)的关系曲 线上画出相应的水平线，即常 c ／ 线。然后读出 各常C ／ 线 与一族常d／b线的交点 [1／2(s／b)， d／b]，把交点用光滑曲线联接起来，得到常 C ／s曲 线(本文未给出)。然后，把滤波器结构分成许多小 节，每个小节由归一 自电容及其左右两边的归一瓦 电容所组成。再利用曲线和线性内插法一级一级地 求出滤波器的归一直径和间距 。 另外，从滤波器的计算公式和图表曲线，以及设 计中用到的方法(线性内插法)可以发现，归一互电 容 c ／ 与归一半问距 1／2(s／b)的关系曲线在归一 半间距 1／2(s／b)较小的地方变化较快，曲线变化较 陡，而在归一半间距 1／2(s／b)较大的地方变化较 慢，曲线变化平缓。于是在设计的快速简便的滤波 器设计曲线中也应该有这一大的趋势，即归一杆径 在相对带宽较小的地方变化较快，曲线变化较陡，而 在相对带宽较大的地方变化较慢 ，曲线变化平缓。 基于此，我们可以设计几个已知点，确定滤波器 简便的设计曲线。这里以设计相对带宽 W=0．5％， 1％，5％，7％和 10％，阶数 n=4的滤波器为例，分 别用上面介绍的方法算出它们的归一杆径和归一间 距(这里计算过程从略)，并列表于表 1中。 以相对带宽为横坐标，分别以归一化杆径和归 一 化间距为纵坐标建立平面坐标系。把表 1中数据 所对应的点标于坐标系中，并用光滑的曲线把这些 点连接起来，就得到快速简便的滤波器设计曲线。 如图2、图3所示。 表 1 相对带宽与归一化杆径和归一化间距 。 + ． J —T 一工卜[U==]上ll rj 一工卜[ U上ll s ～ 一 B 土p ： 土卜[ 口上lI 一工卜[ U上Il C 维普资讯 http://www.cqvip.com 第22卷第4期 邓贤进等：微波腔体滤波器的快速设计及仿真 55 图2 归一化杆径快速设计图 图3 归一化间距快速设计图 3 曲线的应用 设计一圆杆梳状带通滤波器，其相对带宽为 2％，中心频率为 5．25GHz，阶数 n=4，取接地板问 的间距b为 16mm，t为3．2mm的0．1dB切比雪夫波 纹的带通滤波器 。查图2、图3中A。，A．，A 和 ， B．，B 曲线，得到尺寸数据如下： 圆杆直径 ： d0／b=d5／b=0．538，贝0 d0=d5=0．538×16： 8．61mm dl／b=d4／b=0．39，则dl=d4=0．39×1 6= 6．24mm d2／b：d3／b=0．366，贝0 dl=d4=0．366×16= 5．86mm 轴线间距： sol／b=sl5／b=0．80，则s ：sl5=0．80×16： 12．96mm Sl2／b=$34／b：1．55，则 Sl2=S34=1．55×16= 24．8mm S23／b：1．70，则 S23=1．70×16=27．2mm 4 ANSOFT—HFSS结构仿真 本文采用一种支持结构仿真的软件 Ansoft．HF． ss来进行滤波器仿真。Ansof1．HFSS软件是一种功 能强大的三维电磁仿真分析软件，它具有强大的场 分析功能，具有很高的精度。特别是在设计微波电 路方面有很大的用处。 根据上述尺寸在 Ansofi-HFSS中建市滤波器的 仿真模型，设置好各种参数，然后进行结构仿真。 根据快速设计曲线查出的尺寸在进行仿真时， 有可能出现仿真结果波纹较大，带外抑制不是太好 的情况，需要进一步调整。从经典滤波器的设计来 看，圆杆0、圆杆 1和圆杆4、圆杆5间的距离特别影 响滤波器波纹的大小。所以，这里调整 S。．与S 的 距离，使其从原来的 12．96逐渐减小。另外，如果在 整个通带内的电压驻波比都非常低 ，只在频带中心 处有一定的峰值，则需调整 s 和 s 的大小，直到电 压驻波比的峰值在整个通带内接近拉平。通过多次 的仿真，最终得到调整后的滤波器腔体内设计尺寸 如图4所示(为了清楚地表示尺寸关系，图中将圆 杆0、圆杆5与其他圆杆画在了同一侧面上)。仿真 结果如图5所示。 圆杆直径：dn：d5=8．58mm，dl=d4=6．12ram， d2=d3=5．86ram 轴线问距：s0】=sl5=1 2．86 mm，s】2：s，4= 24．54ram，S23=26．80ram ，7( 门( ，7( ，7(厂夭 宣蓦 一， l l l l I I 一 10l 6 ～ l30 0 l38 O 0 — 5 一 l0 一 l 5 — 20 ． 35 ． 30 - 35 ．40 ．45 — 50 4 图4 滤波器腔体内设计尺寸 图5 滤波器仿真结果 根据上面的尺寸加工出了腔体滤波器产品，经 过用 Agilent的 N8974A测出的实际结果如图 6所 示，插损和纹波都较小，带宽也较准确，达到了满意 的设计效果。该产品已得到了成功的应用。 5 结论 从上面的设计方法可以看出，CAD [具对滤波 器的设计起着非常重要的作用。由于 HFSS软件占 用的资源大，仿真运行所花费的时间较长，所以，初 值的获得很重要。上述用快速曲线的方法能够快速 维普资讯 http://www.cqvip.com 56 微 波 学 报 GAlN 5colo／ 5 000 dB MkrI S 25GHz -0996 dB Mkr2 5 2055 GHz -0648 dB Mkr3 5 2905GHz 一0 547 dB 2006年 8 J] 差方面的要求 太『J 格，所以，利J1t快速【II1线的 ‘法 能够设计I叶J所需的滤波器。 (、enter 5 25000GHz BH 4MHz PointsIO0 Span 400 O0MH2 r1 ] Tcold 300 l 5 k RugsOff Ail0／-一dB LossOff Corr k- 图6 滤波器实测结果图 地获得滤波器设计初值。当然，通过多选点能得到 更加准确的设计曲线。有了这样的设计曲线，就能 快速地设计出不同带宽的滤波器。对于级数 凡值不 同的滤波器，也可以按此方法得出快速简便的设计 曲线。这种方法还适用于终端短路矩形杆交指型带 通滤波器以及终端短路圆杆交指型带通滤波器(此 两种滤波器的设计用此方法最为准确，只需稍加修 正即可)。这些滤波器用计算的方法和用本文介绍 的方法同样都存在着误差，但这些滤波器对尺寸公 [3] 参 考 文 献 甘本钹，吴乃奋．现代做波滤波 的结}勾 设汁．北 京：科学出版 ，1973 Cohn S B． Parallel—coupled transmission—line—resonator filters、IRE Frans MTT，1958，6(4)：223～231 黄席椿．波滤波器综合法设计 ．北 ：人民邮电 出版社，1978 邓贤进 1973年乍，男，助理研究员，1998年 、l 于两安电 子科技大学电f l 程专业，获学 j 学f{7_，现为电r科技大学 硕士研究生。长期从事微波滤波器、频率合成 、接收机的研 究，获车队科技进步 等奖 3项．． E—mail：dxjzmx@1 26 tom 李家胤 1944年 ，男，教授，博导． 家863 if 807氧 大专项专家组成贝 张 健 1965年牛、男，研究员，博导： 一 ，、“．'．_ ⋯ } · ·{一+ · ·‘I、·卡 ·+ ·+ ·+ ·t}·+ · ·夺 ·牵 ·+ · ：～ ·夺 ·÷ · · 一}h-1．1：⋯ ：一 J．1 ： ．t．_．_：，． · ll1．：⋯ -1．1：--：一 ：⋯ ：·：· (上接第48页) [2] [3] [4] [5] (6] 参 考 文 献 Dal A，Park J S，Kim C S，et a1．A design of the low— pass filter using the novel microstrip defected ground structure．IEEE Trans Microwave Theory Tech，2001，49 (5)：86～93 Lee Y T，Lim J K，Park J S，et a1．A novel phase noise reduction technique in oscillator using defected ground structure．IEEE Microwave Guided Wave Lett，2002，1 2 (2)：39～41 Lim J S，Kim H S，Ahn D，et a1．A power amplifier with efficiency improved using defected ground structure． IEEE Microwave Guided Wave Lett，2001，1 1(4)：170 ～ l72 Karmakar N C．Improved performance of photonic band— gap mierostripline structures with the use of Chebyshev distributions．Microwave Opt Tech Lett，2002，33(4)：1 ～ 5 Kim C S，Park J S，Dal A，et a1．A novel 1-D periodic defected ground structure for planar circuits．IEEE Micro— wave Guided Wave Lett，2000，10(4)：131—133 Kesler M P．Maloney J G．Shirley B L．Theoretical in— vestigations into binomial distributions of photonic [7] [8] bandgaps in microstripline structures． Mi(·rowave Opt Tech Lett，2002，33(5)：191～196 Lim Jong—Sik，Kim Chul—S 0(1，Lee Young—Tack，et a1． Design of lowpass filters using defected ground structure and compensated mierostrlp line． Electron I tt．2002． 38(10)：1357～1358 Lim J S，Kim C S，Lee Y T，et a1．Venicallv peritMic defected ground strut：ture fm’planar ransmission lines．E． 1ectron Lett，2002，38(8)：803～804 曹 毅 男，1977年 ，山西太原人，}l f】i『 卒 上程大学 导弹学院攻渎博 t学位．．．i 要研究方向：电磁散射 辐射 、天 线、电磁场数值计算 、PGB在微带电路叶1的研究 应用等。 E—mail：cao — top@ 1 26．con 王光明 男，1964年乍，安徽砀山人，教授，博I_I?t-导师， 要从事电磁辐射与敞射 、微波电路 系统研究和汁算电磁场 等。 梁建刚 男，1975"F4-，安徽肥东人，博t：， 要从事微波 电路与系统研究和汁算电磁场等 面的研究。 林圣国 男，1977年生，湖北火f J人，硕f：，i 耍从事超宽 带技术研究 维普资讯 http://www.cqvip.com