CN105024131A - 一种微波腔体带通滤波器的设计方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种微波腔体带通滤波器的设计方法，涉及到微波技术领域。具体步骤是：一、根据性能指标要求，确定滤波器的腔数n；二、根据滤波器设计理论得出滤波器的归一化低通元件值，计算出输入输出外界Q值以及腔间耦合带宽；三、根据选定的滤波器结构形式，在三维仿真软件HFSS中分别建立输入输出以及腔间耦合的结构模型，将仿真结果与理论数据对比，当两者的差值绝对值小于一定量级时，得出结构初值；四、依据初值数据，在三维仿真软件中建立完整的滤波器模型，进行整体优化。本发明通过滤波器设计理论与三维电磁场仿真软件HFSS的结合应用，提高了微波腔体带通滤波器的设计效率和准确度，从而缩短研制周期，降低成本。

Description

一种微波腔体带通滤波器的设计方法

技术领域

本发明涉及到微波技术领域，特别适用于通信系统中射频前端腔体固定或可调带通滤波器的设计方法。

背景技术

设计微波腔体带通滤波器的传统方法为网络综合法。网络综合法设计微波带通滤波器首先要从集总参数低通滤波器开始研究，引入导抗变换器后可以使其变换成只用一种电抗元件的低通原型，然后根据频率变换，转化为集总元件带通滤波器，一般情况下把导抗变换器看成耦合器，形成集总参数带通滤波器。然后考虑在通带频率附近如何用分布参数来实现它，从而完成整个直接耦合微波带通滤波器的设计。

但是，网络综合法设计微波腔体带通滤波器只适用于固定频率滤波器的设计；滤波器的结构形式不同对应的设计公式不同，设计过程复杂；设计精度不够，往往需要多次加工，反复调整参数才能达到目标要求，研制周期长。

发明内容

本发明的目的是通过滤波器设计理论与三维电磁场仿真软件HFSS的结合应用，方便快捷的设计微波腔体带通滤波器。而且通过耦合带宽的设计，该方法不仅适用于设计固定频率带通滤波器，而且可方便的用于设计可调腔体带通滤波器。

一种微波腔体带通滤波器的设计方法，包括以下步骤：

(1)根据滤波器性能指标的要求，通过最大平坦型或切比雪夫原型的设计公式确定滤波器的节数n、归一化低通元件值和腔体结构形式；其中n为大于2的整数；

(2)根据归一化低通元件值，计算得出滤波器的输入输出外界Q值的理论值和腔间耦合带宽的理论值；

(3)在三维电磁场仿真软件HFSS中建立输入输出结构模型，仿真计算得到输入输出外界Q值的仿真值；在三维电磁场仿真软件HFSS中建立腔间耦合结构模型，仿真计算得到腔间耦合带宽的仿真值；

(4)比较输入输出外界Q值的理论值与仿真值，调整输入输出结构尺寸直到两者差值的绝对值小于，记录此输入输出结构尺寸；比较腔间耦合带宽的理论值与仿真值，调整腔间耦合结构尺寸直到两者差值的绝对值小于1e-6，记录此腔间耦合结构尺寸；其中，1e-4＝1*10^-4，1e-6＝1*10^-6；

(5)根据输入输出结构模型的仿真结果得到第1腔和第n腔频率参数的结构尺寸；根据腔间耦合结构模型的仿真结果得到其余腔频率参数的结构尺寸；

(6)根据输入输出耦合结构尺寸、腔间耦合结构尺寸和各腔频率参数的结构尺寸在三维电磁场仿真软件HFSS中进行整体建模，优化仿真得到整个滤波器的优化后的输入输出耦合结构尺寸、腔间耦合结构尺寸和各腔频率参数的结构尺寸。

其中，步骤(3)中输入输出外界Q值的仿真值的计算公式为：

Q＝2πf₀τ_max/4

其中，τ_max是单端输入，单个谐振腔的群时延的最大峰值；f₀是τ_max对应的谐振频率。

其中，步骤(3)中腔间耦合带宽的仿真值的计算公式为：

B_i,i+1＝k_i,i+1×f₀

$k_{i,i+1}=|f_2^2-f_1^2|/(f_2^2+f_1^2)$

其中，B_i,i+1为第i腔和第i+1腔的腔间耦合带宽，k_i,i+1为第i腔和第i+1腔的腔间耦合系数，f₁,f₂是双腔本征模仿真时两种模式的频率值，f₀是中心频率。

本发明与现有技术相比有如下有益效果：

(1)适用范围更加广泛，可用于可调腔体带通滤波器的设计；

(2)设计的参数较为明确，操作简单；

(3)本方法在滤波器实际加工之前，通过理论计算，并且在HFSS仿真软件中构建模型进行数据比对和验证，提高了微波腔体带通滤波器的设计效率和准确度，从而缩短设计时间，降低研制成本。

附图说明：

图1为电容耦合的低通原型滤波器电路图；

图2为电感耦合的低通原型滤波器电路图。

具体实施方式：

下面，结合附图对本发明作进一步说明。

一种微波腔体带通滤波器的设计方法，用于通信系统中微波腔体带通滤波器的设计，包括以下步骤：

(1)滤波器的低通元件值的确定:根据滤波器性能指标的要求，通过最大平坦型或切比雪夫原型的设计公式确定滤波器的节数n、归一化低通元件值和腔体结构形式；其中n为大于2的整数；

实施例：(a)以最大平坦型为例，确定滤波器的节数n和归一化低通元件值；

最平坦响应的设计公式：

$L_A\left({\mathrm{\ω}}^{\′}\right)=10{\log }_{10}\[1+({10}^{L_{Ar}/10}-1){\left(\frac{{\mathrm{\ω}}^{\′}}{{{\mathrm{\ω}}_1}^{\′}}\right)}^{2n}\]---\left(dB\right)$

$g_0=g_{n+1}=1,g_k=2sin\[\frac{(2k-1)\mathrm{\π}}{2n}\],k=1,2,......n$

对最平坦滤波器而言，常选Lar＝3dB，则ω₁′就是它的3dB通道宽带(简称带宽)。

(b)以切比雪夫原型为例，确定滤波器的节数n和归一化低通元件值；

切比雪夫响应设计公式：

$\left.\begin{array}{cc}{L}_A\left({\mathrm{\ω}}^{\′}\right)=10{\log }_{10}\{1+({10}^{L_{Ar}/10}-1){\cos }^2\[{\mathrm{ncos}}^{-1}\left(\frac{{\mathrm{\ω}}^{\′}}{{{\mathrm{\ω}}_1}^{\′}}\right)\]\}& {\mathrm{\ω}}^{\′}\≤{{\mathrm{\ω}}_1}^{\′}\\ L_A\left({\mathrm{\ω}}^{\′}\right)=10{\log }_{10}\{1+({10}^{L_{Ar}/10}-1){\cosh }^2\[{\mathrm{ncosh}}^{-1}\left(\frac{{\mathrm{\ω}}^{\′}}{{{\mathrm{\ω}}_1}^{\′}}\right)\]\}& {\mathrm{\ω}}^{\′}\≥{{\mathrm{\ω}}_1}^{\′}\end{array}\right\}$

式中L_ar是通带内衰减最大值；式中的n，就是该电路的电抗元件数目。若n为偶数，则响应内La＝0的频率有n/2个；若n为奇数，则La＝0的频率有(n+1)/2个。

对于两端都接有电阻的双终端切比雪夫低通原型滤波器，设其通带波纹为L_ar，g₀＝1，ω₁′＝1(归一化)，则其它各元件数值可用下式来计算：

式中： $\mathrm{\β}=\ln \left(\coth \frac{L_{Ar}}{17.37}\right),\mathrm{\γ}=\sinh \left(\frac{\mathrm{\β}}{2n}\right)$

$a_k=sin\[\frac{(2k-1)\mathrm{\π}}{2n}\],k=1,2,......n$

$b_k={\mathrm{\γ}}^2+{\sin }^2\left(\frac{k\mathrm{\π}}{n}\right),k=1,2,......n$

(2)根据归一化低通元件值，计算得出滤波器的输入输出外界Q值的理论值和腔间耦合带宽的理论值；

其输入输出外界Q值的仿真值的计算公式为：

Q＝2πf₀τ_max/4

其中，τ_max是单端输入，单个谐振腔的群时延的最大峰值；f₀是τ_max对应的谐振频率。

其腔间耦合带宽的仿真值的计算公式为：

B_i,i+1＝k_i,i+1×f₀

$k_{i,i+1}=|f_2^2-f_1^2|/(f_2^2+f_1^2)$

其中，B_i,i+1为第i腔和第i+1腔的腔间耦合带宽，k_i,i+1为第i腔和第i+1腔的腔间耦合系数，f₁,f₂是双腔本征模仿真时两种模式的频率值。

(3)在三维电磁场仿真软件HFSS中建立输入输出结构模型，仿真计算得到输入输出外界Q值的仿真值；在三维电磁场仿真软件HFSS中建立腔间耦合结构模型，仿真计算得到腔间耦合带宽的仿真值；

(4)比较输入输出外界Q值的理论值与仿真值，调整输入输出结构尺寸直到两者差值的绝对值小于1e-4，记录此输入输出结构尺寸作为输入输出耦合结构数值；比较腔间耦合带宽的理论值与仿真值，调整腔间耦合结构尺寸直到两者差值的绝对值小于1e-6，记录此腔间耦合结构尺寸作为腔间耦合结构数值；

(5)根据输入输出结构模型的仿真结果得到第1腔和第n腔频率参数的结构尺寸；根据腔间耦合结构模型的仿真结果得到其余腔频率参数的结构尺寸；

(6)根据输入输出耦合结构数值、腔间耦合结构数值和各腔频率参数的结构尺寸在三维电磁场仿真软件HFSS中进行整体建模，优化仿真得到整个滤波器的最终设计数据。

Claims (3)

1.一种微波腔体带通滤波器的设计方法，其特征在于，包括以下步骤：

(1)根据滤波器性能指标的要求，通过最大平坦型或切比雪夫原型的设计公式确定滤波器的节数n、归一化低通元件值和腔体结构形式；其中n为大于2的整数；

(2)根据归一化低通元件值，计算得出滤波器的输入输出外界Q值的理论值和腔间耦合带宽的理论值；

(3)在三维电磁场仿真软件HFSS中建立输入输出结构模型，仿真计算得到输入输出外界Q值的仿真值；在三维电磁场仿真软件HFSS中建立腔间耦合结构模型，仿真计算得到腔间耦合带宽的仿真值；

(4)比较输入输出外界Q值的理论值与仿真值，调整输入输出结构尺寸直到两者差值的绝对值小于，记录此输入输出结构尺寸；比较腔间耦合带宽的理论值与仿真值，调整腔间耦合结构尺寸直到两者差值的绝对值小于1e-6，记录此腔间耦合结构尺寸；其中，1e-4＝1*10^-4，1e-6＝1*10^-6；

(5)根据输入输出结构模型的仿真结果得到第1腔和第n腔频率参数的结构尺寸；根据腔间耦合结构模型的仿真结果得到其余腔频率参数的结构尺寸；

(6)根据输入输出耦合结构尺寸、腔间耦合结构尺寸和各腔频率参数的结构尺寸在三维电磁场仿真软件HFSS中进行整体建模，优化仿真得到整个滤波器的优化后的输入输出耦合结构尺寸、腔间耦合结构尺寸和各腔频率参数的结构尺寸。

2.根据权利要求1所述的一种微波腔体带通滤波器的设计方法，其特征在于：步骤(3)中输入输出外界Q值的仿真值的计算公式为：

Q＝2πf₀τ_max/4

其中，τ_max是单端输入，单个谐振腔的群时延的最大峰值；f₀是τ_max对应的谐振频率。

3.根据权利要求1所述的一种微波腔体带通滤波器的设计方法，其特征在于：步骤(3)中腔间耦合带宽的仿真值的计算公式为：

B_i,i+1＝k_i,i+1×f₀

$k_{i,i+1}=|f_2^2-f_1^2|/(f_2^2+f_1^2)$

其中，B_i,i+1为第i腔和第i+1腔的腔间耦合带宽，k_i,i+1为第i腔和第i+1腔的腔间耦合系数，f₁,f₂是双腔本征模仿真时两种模式的频率值，f₀是中心频率。