高性能小型化梳状腔体滤波器的仿真和设计分析
微波滤波器作为最重要的无源器件之一，在无线基站通信、卫星通信、雷达探测等系统中都有着不可替代的地位。滤波器的重要性使得其性能的优劣程度往往会影响到整个系统的质量。因此，随着各种微波系统对性能要求的日益提高，对滤波器也提出了越来越严苛的要求。本文从实际工程应用需求出发，以微波滤波器的基本理论为基础，研制了一种高性能、小型化梳状滤波器。
1 腔体滤波器的概述
1.1 腔体滤波器的仿真和设计理论
滤波器是无线电技术中许多设计问题的中心，几乎所有的微波接收机、发射机和微波实验装备都要求具有滤波的功能。工程上常用采用网络综合法，即以满足一定滤波器指标的衰减和相位特性的要求为基础，利用综合理论，求出集总元件低通原型电路的结构及各元件的参数，再经过适当的频率变化，转换到所需要的低通、高通、带通、带阻四种微波滤波器，最后将集总参数元件用具体的分布参数的物理结构来实现。相比于传统的分布参数法和影象参数法的设计方法，网络综合法具有计算相对简单，准确度良好，能导出最佳设计的优势。
腔体滤波器是由通过一定耦合方式将各个谐振器连接起来所组成的微波元器件，滤波器设计的一个重要环节就是谐振器和耦合结构选取和分析，特别对于腔体带通滤波器设计，对谐振器和耦合结构的分析是非常必要的一个环节，分析谐振器和耦合结构有助于确定谐振器和耦合结构大概尺寸，同时有助于分析谐振频率、Q值、高次模的影响和耦合系数。
微波谐振器具有储能和选频作用，是构成许多微波元器件如滤波器、振荡器等必不可少的部分。实际中谐振器将与其它电路耦合，进行一定的能量交换才能完成能量传输过程，实现选频和滤波的功能。微波谐振器主要的特性参数有谐振频率和品质因数。根据传输线的电容加载缩短理论可将谐振器长度减少，实现滤波器的小型化。
1.2 腔体滤波器的设计方法
由梳状线滤波器的等效电路和设计公式可以初步确定各线元的尺寸和距离，但是设计繁琐，精度不高。在实际工程设计中，为了提高滤波器设计周期和指标精度，通常在已有的微波滤波器设计理论基础之上，采用电磁仿真软件HFSS进行辅助设计。在借助HFSS设计滤波器之前，首先要根据滤波器指标要求（如中心频率、带宽和插入损耗等）确定出满足一定谐振频率和无载Q值的单腔谐振器的HFSS模型，然后分析谐振腔之间的耦合结构，对其尺寸初值进行选取。
2 腔体滤波器的仿真设计
2.1 腔体滤波器的主要指标
腔体滤波器的主要指标如下：
中心频率f0=5061MHz，带宽BW≥400MHz，驻波比小于1.5（回波损耗＞13.98dB），带内插入损耗≤1dB，带外抑制 LS≥45dB@1～2GHz，LS≥25dB@7～8GHz，外形尺寸：≤28mm×15mm×13mm。
2.2 ADS低频模型的分析
查切比雪夫滤波器的元件数值表，可得波纹系数为0.01的三阶切比雪夫响应的 g值为：g0=1，g1=0.6291，g3=0.6291，g4=1，以此建立 ADS 低频等效电路模型，用并联谐振电路代表每个谐振腔，不同谐振器中集总参数电容C0和电感值L0一样，腔体之间的耦合用的1/4波长传输线做导纳变换器，1/4波长传输线本身是K变换器，其K值与其特性阻抗相等，所以将其特性阻抗设为耦合系数的倒数，以实现J变换器的功能。
设计中主要计算的参数为耦合系数，其中输入输出和各腔之间的耦合系数分别为：
根据公式（1）可以算出滤波器的耦合系数如下
。
2.3 单谐振腔模型的仿真计算
首先在HFSS中建立一个单腔的模型，参数选择为：腔体长度L=6.5，腔体宽度W=5，墙体高度H=6.5，金属柱长度l=1.7，金属柱宽度w=1.7，金属柱高度h=5～6，金属板长度l1=4，金属板宽度w1=4，金属板高度h1=0.3（单位为mm）。
上述单腔模型没有端口，无激励源，采用本征模求解，只求解频率。将腔体设置为空气，边界条件设置为pefect E，并将谐振杆设置为良导体。
仿真后得到金属柱高度为5.8mm。此时的谐振频率为5232MHz，Q值为1547。由于腔体滤波器是由多个谐振腔耦合组成的，中心频率会比单个谐振腔有所下降，所以单谐振腔的中心频率要比实际的中心频率稍大。
2.4 耦合系数的腔体结构实现
在单谐振腔模型的基础上建立双谐振腔模型，并在耦合窗中建立一个调节耦合大小的调耦螺钉，并通过仿真获得滤波器耦合窗口的尺寸。
对此模型求解得：当调耦螺钉长度l=6.4mm时，耦合系数为0.10117。
由于3阶滤波器为对称结构，腔体间的耦合系数相同，所以谐振腔之间的耦合结构尺寸就能确定了。
2.5 腔体滤波器模型的仿真计算
根据直接耦合的方式，建立腔体滤波器的最终模型。
仿真后得出滤波器的1dB带宽为510MHz，插损约为0.3dB，回波损耗大于18.0329dB，在1GHz处的抑制为59.4636dB，在7GHz处得抑制为50.1739dB，以上指标均满足要求。
3 腔体滤波器的实物测试
根据腔体滤波器的三维模型，对其进行实物加工如图1所示。
图1 腔体滤波器的三维模型
测试腔体滤波器的S21、S11和驻波比，可以得到以下结果：
（1）插入损耗为0.56dB，1dB带宽为715MHz，1GHz处的抑制约为56.72dB，7GHz处的抑制约为48.63dB；
（2）4861MHz处回波损耗约为28.91dB，5261MHz处回波损耗约为31.22dB；
（3）中心频率5061MHz处的驻波比为1.019，在4751～5354MHz的范围内驻波比均小于1.3。
4 结论
本文在对腔体滤波器的设计中，采用的是仿真软件ADS和HFSS相结合的方法，分析数据主要依靠大量的电磁仿真。最终，加工的腔体滤波器实物满足了指标要求。
审核编辑：黄飞
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原文标题：小型化梳状腔体滤波器的设计与实现
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