一种小型化K波段腔体滤波器设计

孙书良，高景涛

(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.中国人民解放军31401部队，辽宁 大连 116021)

0 引言

滤波器在微波毫米波通信系统中应用广泛，其性能直接影响通信系统信号质量，以往设备采用机箱形式，空间足够，带外指标要求不是很高，容易实现。现代通信设备集成度高，要求整个K波段上变频器采用PXI板卡结构，占用1个槽位，空间有限，而且带外抑制指标较以往设备有很大提高，对滤波器的性能以及尺寸提出了很严格的要求。星间链路采用K频段通信，收发同频分时工作，所以设计一款K波段滤波器可以同时应用于收发链路。

HFSS是ANSOFT 公司开发的一个基于物理原型的EDA 设计软件。使用HFSS 建立结构模型进行3D 全波场分析，可以计算端口特征阻抗和传输常数参数；相应端口阻抗的归一化S参数；结构的本征模或谐振解。依靠其对电磁场精确分析的性能，使用户能够方便快速地建立产品虚拟样机，以便在物理样机制造之前，准确有效地把握产品特性，被广泛应用于滤波器设计当中。

1 滤波器设计

K波段滤波器[1]设计指标如下：

① 中心频率：22.587 84 GHz；② 带宽200 MHz；③ 对f0±1 GHz信号抑制：≥80 dB；④ 驻波：≤1.3∶1；⑤ 插损：≤2.5 dB。

腔间耦合系数ki，i+1的理论值为：

式中，W为带通滤波器的相对带宽；gigi+1为归一化的低通元件值(i= 1，2，3，…，n)；ki，i+1需要通过HFSS仿真，得到合适的结构形状和尺寸，计算公式为：

式中，f1，f2为双腔本征模仿真时2 种模式的频率值(设定f2>f1)。

根据以上技术指标要求，通过计算确定滤波器设计参数如下：

① 滤波器谐振杆数：5；

② Q值：2 600；

③ 耦合系数[2]：

k1，2= 0.011 492 857 51，

k2，3= 0.008 443 308 749，

k3，4= 0.008 443 308 749，

k4，5= 0.011 492 857 51，

External Q：73.27；

④ 回波损耗[3-5]：20 dB。

2 应用HFSS设计腔体滤波器

用HFSS 设计腔体滤波器一般分为以下步骤：

① 通过HFSS 单腔模型仿真来确定谐振腔频率及Q值；

② 通过HFSS两腔模型本征模仿真确定腔间耦合结构的形状和尺寸满足耦合系数要求；

③ 通过HFSS单腔加激励端口确定输入输出耦合的形式和大小，以满足外界Q值。

2.1 确定谐振腔及谐振杆的基本尺寸

在HFSS软件中建立谐振腔模型如图1所示。

图1 谐振腔仿真模型Fig.1 Cavity simulation model

谐振腔尺寸如下：

① 谐振腔长：6.5 mm；② 谐振腔宽：6.5 mm；③ 谐振腔高：4 mm；④ 调谐螺杆直径：1.6 mm；⑤ 调谐螺杆下沉深度[6]：2 mm。

通过仿真得出以下结果：

① 谐振频率：22.210 9 GHz；② Q值：3 078.52。

从以上仿真结果可以看出，该设计满足指标要求。

2.2 确定耦合系数

建立耦合系数仿真模型[7-10]如图2所示。

图2 耦合系数仿真模型Fig.2 Coupling coefficient simulation model

设置槽长：2.4 mm，槽宽从3～4 mm步进0.5 mm进行方向系数扫描，得到的结果如图3所示。

图3 K值仿真结果Fig.3 K value simulation results

由以上仿真结果，确定腔1～腔2之间槽宽3.8 mm，腔2～腔3之间的槽宽3.5 mm，频率调谐螺杆下沉1.93 mm，耦合度调节螺杆下沉2 mm。

2.3 External Q值仿真

External Q值仿真模型如图4所示。

图4 External Q值仿真模型Fig.4 External Q value simulation model

GD11=4*Q(External Q)/(2*3.141 5*F0(GHz))

设置抽头长度ZL为变量，在0.3～1 mm进行参数扫描，步进0.1 mm，得到仿真结果如图5所示。

图5 External Q值仿真结果Fig.5 External Q value simulation results

从仿真结果中可以确定ZL取值1 mm。

3 滤波器加工与调试

通过以上计算，形成滤波器的尺寸为48 mm×14.5 mm×7 mm，接头采用玻珠形式，这样既可以在板卡内部与其他电路焊接集成又方便调试与测试。调试过程为：先调节第1，5谐振腔的调谐螺杆，调出S11/S22特性曲线，然后调节第2，4，3谐振腔调谐螺杆，调出S21特性曲线，最后调节耦合度调节螺栓用于调试带宽及优化各特性曲线。调试完成的滤波器，测试性能曲线如图6所示，实物如图7所示。

图6 测试结果Fig.6 Test result

图7 实物Fig.7 Real device

由图6可以看出，该滤波器的损耗较设计结果偏大(不影响工程应用)，驻波及带外抑制等指标合格。经分析，造成插入损耗较大的原因可能有以下几点：① 加工精度误差；② 腔体表面平整度不够[1]；③ 腔体内部光洁度不够；④ 接头损耗；⑤ 软件计算误差。

4 调试过程中发现的问题及改进措施

在进行抽头焊接的过程中发现，原来在盒底部开的用于固定竖针的2 mm的口相对于0.38 mm竖针来说尺寸过大，导致焊接难度相当大，改进措施是将2 mm直接改为1 mm。

在滤波器调试完毕点胶与调节螺杆裁剪的过程中发现，点胶不宜过多，否则会导致形变及滤波器特性改变；裁剪调谐螺杆同样会导致滤波器特性改变，通过加工合适长度尺寸的调谐螺杆，避免对调谐螺杆的裁剪，解决该问题。

5 结束语

滤波器的应用能够改善微波通信系统信号质量，腔体滤波器因为具有高Q值特性，所以在微波、毫米波领域应用非常广泛。针对星间链路设计的腔体滤波器，以其体积小，带外抑制高，能够同时应用于收发链路，对于工程有着非常实用价值。