高矩形系数带通滤波器的仿真与实现

孙书良,李春辉,路 敏

(1.中国电子科技集团公司第五十四研究所,河北石家庄050081;2.河北电力建设第二工程公司,河北石家庄050041;3.电子科技大学,四川成都610054)

0 引言

带通滤波器是一种具有选频特性的器件,随着通信的发展,频带日益紧张,这就使得对带通滤波器的指标要求越来越高。尤其是在接收机前端,带通滤波器性能的优劣直接影响到接收机整体性能的好坏。要使得对带外信号及噪声抑制度高,就要求带通滤波器的矩形系数高,即40 dB带宽与3 dB带宽比值要求小。交指型带通滤波器的适用范围非常广泛,相对带宽从窄带的1%变到宽带的70%以上甚至更宽,其频带的变化范围可以从UHF到C波段,同时采用腔体结构的交指型带通滤波器具有较高的品质因数,结构紧凑,在微波系统中应用十分广泛。

滤波器的理论设计繁琐且精度有限,调试难度大。近年来随着EDA工具的发展,一系列的电磁仿真软件涌现,比如HFSS、CST和 AWR等。HFSS软件是Ansoft公司推出的三维电磁仿真软件,HFSS是基于电磁场有限元法的三维电磁仿真软件,具有高仿真精度、可靠性和快捷的仿真速度等特点。HFSS是世界上第一个商业化的三维结构电磁场仿真软件,业界公认的三维电磁场设计和分析的电子设计工业标准。

1 带通滤波器的理论设计

带通滤波器通常采用网络综合法进行理论设计,依据技术指标要求从低通原型转化到带通模型,从而计算出集总参数,进而转化为分布参数。带通滤波器的技术指标包括:

①中心频率 :2.095 GHz;

②驻波:≤1.3∶1;

③矩形系数≤1.3;

④插损≤1 dB;

⑤1 dB带宽:160 MHz。

网络综合法设计微波带通滤波器是由集总参数低通滤波器,引入导抗变换器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,进而采用分布参数实现微波带通滤波器。

为了满足矩形系数要求,同时考虑到阻带抑制,设计选用等波纹切比雪夫响应的交指型带通滤波器模型。根据矩形系数要求得知滤波器在小于1.991 GHz、大于2.119 GHz处抑制大于 40 dB,滤波器的阶数n由以下公式进行计算得出:

式中,ω0为带通滤波器的中心频率;ω1为下带边频率;ω2为上带边频率。

通过计算滤波器阶数n取11。通带波纹选择0.01 dB,因此可知归一化的低通元件值为:

从而计算出每个杆的归一单位长自电容及相邻杆间的归一单位长互电容。该设计采用 t/b=0.25,最终选择t=2 mm,b=8 mm,进而求得带通滤波器的各尺寸如下:

①谐振杆长度:33.7 mm;

②谐振杆宽度:3 mm;

③抽头位置:距短路端4.443 mm;

④S1,2=S10,11=5.783 mm;

⑤S2,3=S9,10=6.728 mm;

⑥S3,4=S8,9=6.968 mm;

⑦S4,5=S7,8=7.054 mm;

⑧S5,6=S6,7=7.086 mm;

2 HFSS软件仿真及优化

由低通到带通的频率变化通过下式进行:

HFSS是基于电磁场有限元法(FEM)的三维电磁仿真软件,具有高仿真精度、高可靠性和快捷的仿真速度等特点。通过三维电磁场仿真验证能够达到事半功倍的效果。

2.1 HFSS软件建模及仿真

按照网络综合法理论计算的带通滤波器的初始尺寸在HFSS软件中建立3D模型。HFSS软件建立的滤波器3D模如图1所示。

图1 HFSS中11阶交指带通滤波器模型

HFSS解决方案设置为驱动终端,仿真中心频率设置为2.095GHz,扫描起止频率分别为1.925GHz、2.265GHz,扫描点数设置为451。确认模型建立及仿真设置正确后进行S参数仿真,S参数仿真结果如图2所示。

图2 S参数仿真结果

由图2可见,采用网络综合法理论计算出来的带通滤波器插入损耗大、回波损耗差,因此需要进行优化仿真。

2.2 HFSS软件优化仿真

一般带通滤波器的抽头位置影响输入和输出阻抗,因此需要对抽头的位置进行优化仿真。另外第一谐振杆和最后的谐振杆长度对滤波器性能也有影响,因此它们的长度是第2个优化参量。首先对抽头位置进行步进扫描,起止位置分别为3 mm和8 mm,步进1 mm,仿真结束后选择相对比较理想的抽头位置从新划分起止点进行小步进扫描,以达到性能最优化。同理对第2个优化参量进行优化仿真。经过优化后的抽头位置更改为7.05 mm,第一谐振杆和最后谐振杆的长度更改为35.02 mm。

优化仿真后的S参数特性曲线及电场分布图如图3所示。从图3可见,优化后的仿真结果是比较理想的,基本符合设计要求。

图3 优化后的S参数特性曲线及电场分布

3 加工及性能测试

按优化后的仿真结果尺寸进行加工,为了提高导磁率及光洁度进而减小带通滤波器插入损耗,金属表面镀银,金属可以选择黄铜和铝。为了降低成本及减轻重量,该设计采用铝制型材。同时为了提高设计可靠性,需要在开路端及谐振杆间加入调谐螺钉。

由于加工误差,滤波器指标难免会偏离设计结果,简单的调试是必不可少的。尤其是当抽头式交指型带通滤波器的阶数多、复杂度高的情况下,一味地追求免调试是毫无意义的。

通过简单调试后的滤波器测试采用Agilent矢量网络分析仪8362B进行,S参数测试曲线如图4所示。

图4 S参数测试曲线

从图4可见,S参数测试曲线与HFSS软件仿真的S参数特性曲线非常吻合。

11阶抽头式交指型带通滤波器最终实现的指标如下:

①矩形系数:Band40dB/Band3dB=1.26;

②插损:0.7 dB;

③1 dB带宽:163.6 MHz;

④回波损耗:≤-23 dB,

⑤驻波优于1.16∶1。

从以上测试结果可以看出,该抽头式交指型带通滤波器的性能很大程度上满足设计要求,但是1 dB带宽比指标要求略宽了3.6 MHz,其误差为2.25%。造成该误差主要原因是谐振杆间加入了调谐螺钉,导致杆间互电容加大,从而使耦合度加强,带宽展宽。另外加工误差也是该误差形成的一方面因素。在高精度测距链路中,往往对链路的群时延特性有较高的要求,群时延特性主要取决于链路中的选频带通滤波器特性,工程上选频滤波器在满足带外抑制的条件下,其1 dB带宽通常比信号带宽设计的略宽,从而使其带内群时延特性最优化。工程实际应用表明,采用理论计算与软件仿真相结合设计的11阶抽头式交指型带通滤波器性能完全满足系统需求。

4 结束语

采用网络综合法与HFSS软件仿真相结合的交指型带通滤波器的设计方法具有通用性,该方法能够灵活地设计出多种形状的滤波器产品。实例表明,通过该方法设计的滤波器产品具有性能指标高、研制周期短、成品率高、设计成本低和性能可靠等特点。同时通过实例验证也体现了HFSS软件三维电磁仿真的优异性能。对于比较苛刻的性能指标,能够做到预先仿真,从而减少了工程反复,降低了设计成本。同时滤波器采用铝制型材加工,价格低廉,具有较高的工程应用价值,适于工程广泛应用。

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