一种腔体滤波器全腔仿真的方法

孟弼慧，孙 雷，刘志军

（京信射频技术（广州）有限公司，广东 广州 510663）

0 引 言

腔体滤波器属于无源器件，是现代通信系统的关键部件之一，多采用金属谐振器串联的连接方式，利用金属铝材铣加工或压铸而成[1]。产品设计过程中，设计人员需要将产品的电性能要求转化为特定结构形态的频率响应曲线，进一步计算出对应每个谐振器的谐振频率和谐振器之间的耦合系数[2,3]。已投入使用的腔体滤波器，其谐振频率和耦合系数的计算体现在仿真模型中对应的谐振柱高度、间距和耦合窗口大小的计算等方面。该计算过程枯燥且耗时，并且采用常规的简易双腔模型仿真无法消除全腔互耦合系数的影响，从而达不到预期的计算精度。文章利用高频结构仿真软件（High Frequency Structure Simulator，HFSS）建立腔体滤波器三维全腔模型，采用导纳矩阵提取法提取其全腔耦合矩阵和谐振频率，并将该数据与理论综合数据进行比对和迭代，再通过循环优化，从而达到腔体滤波器全腔精确仿真的目的。通过理论仿真与多款产品设计的实践，证明了使用该方法可使滤波器谐振频率和耦合量的计算过程变得更加快捷和精确，大幅缩短腔体滤波器的设计周期。

1 滤波器频率和耦合系数提取算法

腔体滤波器设计过程中，根据多端口导纳矩阵提取算法提取耦合矩阵及谐振频率[4]。实际设计过程中，通过建立全腔仿真模型，在每个谐振器上增加一个与其对应的激励端口，利用多端口导纳矩阵提取滤波器的耦合矩阵及谐振频率，其中导纳矩阵根据仿真软件自动生成。导纳矩阵提取有以下特点：一是多端口仿真，仿真速度快且提取误差小，对模型的尺寸精度要求不高，是一种高效且高精度的腔体滤波器仿真方法；二是提取程序简单，便于工程设计应用。通过多端口仿真模型提取的导纳矩阵及谐振频率，能够进一步计算出腔体滤波器所有谐振器之间的耦合系数，即耦合矩阵。

多端口导纳矩阵是滤波器理论中描述的谐振器电纳斜率参数，多端口导纳矩阵的模型如图1 所示。导纳矩阵模型所对应的导纳矩阵为

图1 多端口导纳矩阵的模型

多端口导纳矩阵的谐振频率和耦合矩阵提取原理如下。（1）多端口导纳矩阵谐振频率提取的方法。根据滤波器设计理论，对于一个无功率损耗的谐振器，其谐振时实部与虚部为0。各谐振器的谐振频率计算公式为

式中：ω表示角频率，ω=2πf；f表示谐振频率；ωn表示第n个谐振器的角频率；y(3n,3n)(ω)表示第n个谐振器对应的导纳矩阵中的Y参数。

（2）耦合矩阵提取的方法[5,6]。腔体滤波器的电路模型有多种，对于常见的并联谐振带通滤波器电路模型，其谐振器电纳参数的斜率计算公式为

导纳变换器参数的计算公式为

根据相邻谐振器耦合系数公式，可求得各个相邻谐振器间的耦合系数为

通过以上多端口参数提取的耦合矩阵及谐振频率，如果与设计要求拟合度高，则可进一步在全腔模型中自行增加输入输出端口设置。仿真完成后，导出多端口的“SNP”格式的文件，并将其导入电路仿真软件进行全腔优化仿真。

2 全腔模型建立

以常规的带通滤波器为例，滤波器指标要求如表1 所示。

表1 滤波器指标要求

建立HFSS 全腔模型前，需要先确定该滤波器的设计方案。根据表1 中的指标要求，该滤波器设计采用7个腔谐振腔和2 个传输零点的腔体方案，其滤波器电路仿真波形如图2 所示，各项指标均满足指标要求。

图2 电路仿真波形

在画图软件中绘制腔体滤波器二维排腔图，导入HFSS 仿真软件，生成的三维仿真模型如图3 所示。其中，在每个谐振柱顶面到腔体盖板面之间加入激励端口，激励端口如图4 所示。

图3 三维仿真模型

图4 激励端口

3 全腔仿真计算过程

对第2 章节中的全腔仿真模型，按照以下步骤进行计算处理。

步骤1：将每个谐振柱高度和相邻谐振腔耦合窗口宽度均设置为不同变量，使用“Driven model”模式对该模型进行仿真。

步骤2：仿真完成后，导出导纳矩阵数据，按照谐振频率和耦合矩阵的提取算法，从导纳矩阵中提取所有谐振腔对应的谐振频率和各腔之间的耦合系数。

步骤3：将提取的谐振频率和耦合系数与理论综合的数据进行比较，根据偏差大小进一步修正各谐振柱高度和耦合窗口的变量大小。

步骤4：重复步骤1 到步骤3，直到提取的谐振频率和耦合系数在预设值的误差范围内。

经过迭代优化后，得到优化后的全腔仿真模型如图5 所示。该模型谐振柱高度与耦合窗口大小尺寸均可直接用于绘图。按照该模型图纸进行实物加工后，经过样机实物调试，得到实物调试波形如图6 所示。通过导纳矩阵提取方法和全腔仿真设计方法设计腔体滤波器，可以达到预设的指标要求，并且样机实物调试波形与电路仿真波形拟合度很高，能够满足工程设计应用。

图6 实物调试波形

4 结 论

文章介绍了一种腔体滤波器全腔仿真设计方法，通过理论分析给出腔体滤波器设计关键参数（耦合系数和谐振频率）与导纳矩阵的关系，建立了全腔模型，提出了导纳矩阵的提取方法，进一步通过优化和迭代达到腔体滤波器全腔精确仿真的目的。同时，文章介绍的腔体滤波器全腔仿真方法已在多个工程设计中应用。该方法进一步通过导出仿真过程中生成的“SNP”格式的文件，得到腔体滤波器传输和反射响应曲线。应用该全腔仿真方法建立的三维仿真模型与实物更趋近一致，谐振频率和耦合系数与目标值的差值可以控制在范围内；应用该全腔仿真方法进行常规难度的滤波器设计，可以一版成型，各项指标达到设计要求，在开发过程中节省约30%的项目开发周期。