一种基于协同仿真C频段大功率带通滤波器设计

韩来辉

(中国电子科技集团公司第二十七研究所，河南 郑州 450047)

0 引言

随着我国综合国力的增加和科技水平的不断进步[1-3]，微波技术也的到了快速地发展，大功率容量微波滤波器作为微波工程的重要组成部分，在保证发射机输出频谱纯度上发挥着重要的作用[4-5]，大功率滤波器不仅使发射机载波低损耗通过，同时抑制发射机寄生输出的干扰。大功率滤波器设计与其他滤波器又有所不同，矩形波导因其传输功率容量大常常作为大功率滤波器的传输介质，通带的插入损耗和回波损耗指标要求高，否则容易引起发射机功率下降、传输介质发热和系统性能变坏等问题。在满足以上要求的同时，阻带抑制度的高低体现了滤波器的价值。因此研制具有高传输功率、低传输损耗、低回波损耗以及高阻带抑制的大功率滤波器成为发射机研制的关键技术之一[6-7]。大功率容量微波滤波器在航天测控、卫星通信、雷达以及电子对抗等系统中都有着广泛的应用[8-10]。如何快速、准确、高效地设计满足要求的滤波器对工程师提出了更高的要求。滤波器传统设计方法需要大量理论计算和繁琐的调试过程，本文介绍了一种场路协同设计滤波器的方法，并基于此方法研制了一种C频段大功率波导带通滤波器。

1 设计原理及传统设计方法

低通原型滤波器作为设计微波滤波器的基础，它是由集总参数原件组成的二端口网络。常见的低通滤波器原型主要有最平坦型(巴特沃尔斯Butterworth型)、等波纹型(切比雪夫Tchebyscheff型)以及椭圆函数型(考尔Cauer型)等[11-12]。根据选择的低通原型滤波器类型采用现代网络综合的方法，通过频率变换将各种特性滤波器(低通、高通、带通、带阻)转化为低通原型滤波器，经过综合设计获得低通原型滤波器的归一化元件值再次通过频率变换求出实际所需特性滤波器的归一化元件数值，最后反归一化求出真实的元件数值，集总元件原型电路中各元件用微波结构来实现。

滤波器设计首先根据滤波器的主要技术指标如通带损耗、阻带的抑制度等，选择低通滤波器的原型，然后通过计算或者查表确定滤波器的阶数N，根据所选低通滤波器原型可计算滤波器的阶数N如下：

① 最平坦型滤波器阶数N：

(1)

式中，LAs为归一化截止频率Ωs时滤波器的阻带数衰减值。

② 切比雪夫型滤波器阶数N：

(2)

式中，LAp为通带波纹。

③ 椭圆函数型滤波器阶数N：

(3)

式中，

(4)

(5)

(6)

式中，Ωp为归一化通带频率；LAp为通带波纹；LAs为阻带衰减。

查表低通原型滤波器归一化元件值，得到归一化元件值g1,…,gn。

由式(7)计算阻抗倒置器的归一化特性阻抗：

(7)

(k=1～(N-1))，

(8)

利用式(9)可分别计算出各并联膜片的归一化感抗值：

(9)

谐振腔体的电长度为：

(10)

式(10)已体现了半波长波导谐振腔的电长度部分抵消了电感倒置器相邻波导的负电长度。故谐振腔体的实际长度为：

(11)

最后根据矩形波导对称电感膜片的电抗图，即可计算出电感膜片的尺寸。

2 Designer和HFSS协同仿真带通滤波器设计

最平坦型低通滤波器的一般设计过程为：首先，确定采用低通滤波器原型，如：最平坦型、等波纹型或椭圆函数型等；其次，根据低通滤波器原型电路，结合具体的设计技术指标要求利用理论计算和公式推导得到设计滤波器阶数N和初始元件值g，计算阻抗倒置器的归一化特性阻抗和并联膜片的归一化感抗，最后，得到谐振腔的长度和电感膜片的尺寸。

传统的最平坦型低通滤波器设计方法需要进行大量理论计算和公式推算，使滤波器的整个设计过程十分繁琐。本文利用电路仿真软件ANSYS Designer和电磁仿真软件ANSYS HFSS(High Frequency Structure)[6]的场路结合、协同工作，该设计方法既机充分了利用电路仿真电路速度，又发挥了三维电磁场仿真的精度，优化了滤波器整个仿真设计流程，实现了复杂结构滤波器设计的高效性，同时又保证了设计的准确性。

ANSYS Designer和ANSYS HFSS是ANSYS公司开发的一款成熟的电路和电磁场仿真设计软件，能够辅助设计包含电路和三维电磁场的仿真。本文利用ANSYS Designer 8.0和ANSYS HFSS 14.0场路结合、协同工作的方法，采用并联电感耦合波导结构，并联电感作为阻抗倒置变换器，半波长波导作为串联谐振腔形式，设计了一种C频段波导大功率带通滤波器。

3 C频段高功率带通滤波器设计与实现

3.1 C频段带通滤波器的技术要求

根据某工程总体技术要求，为了发射机在工作的过程中寄生输出频谱不能提高接收机接收频带内的噪声温度，需研制一种C频段带通滤波器[13]，同时根据发射机正常工作条件决定了该滤波器通带工作频带应具有高功率、低传输和回波损耗，阻带频带具有高抑制度的要求[14]。本文设计的大功率波导带通滤波器的主要技术指标为：

通带工作频率：5 650～5 950 MHz；

通带插入损耗：≤0.2 dB；

通带回波损耗：≤-20 dB；

阻带抑制度：≥45 dB@5 000～5 100 MHz；

功率容量：≥1 500 W(CW)。

3.2 C频段带通滤波器具体设计

首先依据滤波器技术指标中工作频率和功率容量的要求[15]，确定采用宽边a为47.55 mm，窄边b为22.15 mm的标准BJ48波导作为传输介质。

根据所选择的并联电感膜片耦合的波导结构滤波器的模型如图1所示，利用ANSYS HFSS进行基本单元的建模和仿真。基本单元的模型如图2所示。

图1 并联电感膜片耦合波导滤波器的结构Fig.1 Structure chart of Parallel Inductive diaphragm coupled waveguide filter

图2 滤波器基本单元Fig.2 Bandpass filter basic unit

建立ANSYS Designer与ANSYS HFSS间的动态链接，将ANSYS HFSS 中的模型导入到ANSYS Designer中，通过ANSYS HFSS中基本单元、端口建立完成电路原理图，设置扫描频率、参数变量和结果，建立滤波器优化目标。在ANSYS Designer中得到趋近目标的结果，如图3所示。

图3 带通滤波器原理图和结果Fig.3 Principle diagram and Simulation results of bandpass filter

最后将ANSYS Designer中优化后的滤波器导出到ANSYS HFSS中，对电路仿真的结果在三维电磁场HFSS中进行仿真验证，三维模型和仿真结果如图4和图5所示。

图4 带通滤波器三维仿真模型Fig.4 Simulation modeling of bandpass filter

图5 带通滤波器仿真结果Fig.5 HFSS software simulation results

4 C频段带通滤波器加工及实测

基于ANSYS Designer和ANSYS HFSS对C频段带通滤波器进行了场路协同仿真，得到了比较理想的结果，并对该波导带通滤波器进行了实物加工、装配和测试，实物照片如图6所示，尺寸约240 mm×88.9 mm×63.5 mm。实测曲线如图7所示。

图6 带通滤波器实物Fig.6 Physical chart of bandpass filter

图7 带通滤波器实测Fig.7 Test results of bandpass filter

该大功率波导带通滤波器实测数据如下：

插入损耗：≤0.2 dB@5.65～5.95 GHz；

回波损耗：≤-29 dB@5.65～5.95 GHz；

抑制度：≥50 dB@5～5.1 GHz。

从测试结果可以看出，该大功率带通滤波器的实测曲线与仿真结果相近，插入损耗、回波损耗和阻带抑制特性均满足技术指标要求，而且该滤波器结构简单、装配容易。

5 结束语

本文利用ANSYS Designer仿真的方式得到滤波器初值，通过ANSYS HFSS仿真优化，设计了一种C频段大功率带通滤波器功率容量大、带内插入损耗小、回波损耗小，具有高的阻带抑制特性。利用ANSYS Designer和ANSYS HFSS联合仿真辅助设计滤波器简单快捷，根据结果进行样件的加工，完全可以满足工程设计要求。同时进行了小批量加工，经过工程应用，满足要求。

综上所述，传统滤波器设计方法与场路协同仿真方法相比，场路协同设计滤波器不需要大量理论计算与公式推演和调试过程，具有设计方法简单、快速、准确的优点，避免因计算引入误差需后期繁琐调试的问题。场路协同仿真方法为滤波器设计提供一种新的途径，在其他类型无源器件的设计中有着很好的借鉴作用。