10.7-12.75GHz梳状线腔体滤波器设计

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    10.7-12.75GHz 梳状线腔体滤波器设计
    作者:Stone 时间:2020.2.13 (CHENGDU FILTER TECHNOLOGY CO.,LTD CHENGDU 610052)
    摘要:微波滤波器在如今通信系统中起着举足轻重的作用,如何减少微波滤波器在初期评估和设计的时 间,提高设计效率和设计精度一直是设计师最关心的问题。本文介绍了一种快速设计微波腔体梳状线滤波器 的方法,结合 HFSS 的三维场仿真和 ADS 的电路仿真,能极大的减少设计滤波器的时间。利用此种方法已设 计了许多梳状线和交指型滤波器及双工器等无源器件。
    关键字:梳状线滤波器;耦合系数;抽头时延;HFSS;ADS;
    由于腔体滤波器在高频器件中有着许多优点,如体积小、重量轻、插损小、矩形系数高等特点,现已在 通信系统中大量使用。传统的滤波器设计方法一般依靠等效电路原型计算出滤波器初值,不仅计算量大,而 且相对不准确,这样就大大延长了滤波器的设计周期,增加了设计成本。本文就阐述一种快速利用 HFSS 建 模,然后在 ADS 中使用电路优化的设计方法,如图 1 所示:
    图 1 场仿真与电路仿真结合思路
    如果直接在 HFSS 中使用优化功能来整体仿真,不仅需要设计者具备强大的实际调试能力,还需要花费 大量的时间来修改参数进行反复仿真,速度极慢,此种方法只需要 HFSS 仿真一次,然后在电路中进行优化 即可,这样就大大节省了许多时间,同时此种方法在精度上也能够保证。
    设计目标: -Frequency Range: 10700-12750MHz -Insertion Loss: 0.7dB max -Return Loss: 16dB min -Rejection: >55dB@9800MHz; >55dB@13300MHz -Power : 5W max

    1 从低通原型得到的设计初值:N(滤波器级数),Q(单腔 Q 值),K(耦合系数系数)
    分析设计指标可得:N=10,单腔 Q 值和耦合系数系数见表 1,理论曲线如图 2 所示。这里一般使用 CoupleFil 软件来进行初步分析。

    Q 2000

    K12 0.142

    K23 0.102

    K34 0.095

    K45 0.093

    K56 0.092

    表 1 单腔 Q 值与耦合系数

    图 2 理论曲线
    这里使用 CoupleFil 软件来分析设计指标,在一定程度上是没有问题的。但是在分析高频数据时,显现 的波形不具备多大的参考性。因为在高频时我们必须考虑腔体调试对指标的影响,高度越高电长度越在,滤 波器波形会呈现不对称性。标准电长度(Elct.Lng)一般取 40-50deg,波形会完全对称,如下图 3 所示:

    图 3 Elect.Lng 为 45deg 时滤波器响应曲线
    这里如果我们使用标准 45deg,那么这时的腔体高度为 3.2mm,这里可以使用 Appcad 软件的计算值来 参考,如下图 4 的所示:
    图 4 Elect Lng 为 45deg 时腔体高度

    2 端口高度和耦合系数的实现
    端口高度的实现主要是利用抽头时延来确定,这里利用 S11 群时延的方法来计算,建模如图 5 所示。
    图 5 抽头时延的确定
    调整谐振杆的高度使其在中心频率(Fc)11725MHz 处谐振,并使时延值为 3.1ns,调试好后的波形如 下图 6 所示。
    图 6 确定抽头高度确定后的波形

    耦合系数确定利用如下公式: 建立如图 7 所示的模型,扫描谐振杆之间的距离得表 2 的数值。
    图 7 耦合系数模型
    图 8 杆距与耦合系数关系

    耦合系数 K 杆距

    K12=0.142 2.15mm

    K23=0.102 3.1mm

    K34=0.095 3.3mm

    表 2 耦合系数与杆距对应关系

    K45=0.093 3.4mm

    3 整体建模仿真
    滤波器的各个参数已得到,建立如下图 9 模型进行整体仿真。

    K56=0.092 3.5mm

    图 9 整体仿真模型

    图 10 初步仿真曲线

    从波形可以看出 S11 回波不满足设计指标,如何优化的方法,优化变量越多,时间越长。这里我们使用 到 ADS 里面进行电路优化。在 ADS 中建模如下图 11 所示。
    图 11 ADS 中优化模型
    在 ADS 中无论是使用手动调试还是自动优化,都可以快速准确的看出波形的变化,并通过变量反馈到 HFSS 中进行模型修改,通过几次迭代后 ADS 中优化的波形如图 12 所示。
    图 12 ADS 中优化后波形

    最后回到 HFSS 中进行参数修改,最终 HFSS 中仿真好的波形如图 13 所示。
    图 13 HFSS 最终仿真曲线