基于HFSS设计同轴腔滤波器

基于HFSS设计同轴腔滤波器

第30卷　第2期

2007年4月

电子器件

ChineseJournalOfElectronDevices

Vol.30　No.2Apr.2007

DesignofCoaxialFiltersBasedOnHFSS

LIUPeng2yu

1,2

,ZHANGYu2hu,SHENHai2gen

21

1.SchoolofElectronicInformationandElectricEngineering,ShanghaiJiaoTongUniversity,Shanghai200240,China;2.ShanghaiSpaceflightInstituteofTT&CandTelecommuniation,Shanghai200086,China

Abstract:Coaxialfiltersiswidlyusedinmicrowavecircuits.weresearchhowtoanalysisanddesigncoaxialfiltersusedbya3Dfull2wavefieldsolver,HFSS.The3Dfull-wavefieldanalysisincludestheeffectsoftuningscrew,interstagecouplingapertureandinput/outputcoaxialexcitation.Baseonthessanalysises,weworkoutaS-bandcoaxialfilteraidedbysimulatingandoptimizinginHFSS.Theresultoftheexperi2mentationmatchedwellwiththeresultofsimulation,andfulfiledtechnictargets.Thecoaxialfilterhasbeenusedinaspaceflightprojectsuccessfully.Thewayofcombiningthetraditionaltheorywiththead2vancedcomputertechnologyhasgreatpracticalvalue,itcansavemuchtimeandcost.Keywords:microwavefilters;coaxialresonator;couplingaperture;HFSSEEACC:1320

基于HFSS1,22(1.,上海200240;2.上海航天测控通信研究所,上海200086)

摘　要:,在此研究如何利用3D全波场分析软件HFSS分析设计同轴腔滤波

器.该分析包括谐振腔调谐螺钉、腔间耦合孔及输入输出激励的影响效应.基于上述分析,借助HFSS仿真优化得到一S波段滤波器.其实测结果与仿真相符,满足指标要求,并已成功应用于某航天工程中.这种结合传统理论和先进计算机技术的方法可以大大节省研制周期和生产成本,具有非常大的实用价值.

关键词:微波滤波器;同轴谐振腔;耦合孔;HFSS中图分类号:TN713　　

文献标识码:A　　文章编号:100529490(2007)0220430203

①基本电磁场数值解和开边界问题,近远场辐

射问题;②端口特征阻抗和传输常数;③S参数和相应端口阻抗的归一化S参数;④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,被广泛应用于射频和微波器件、天线和馈源、高速IC芯片等产品设计中.

HFSS有本征模解(EigenmodeSolution)和激励解(DrivenSolution)两种求解方式.选择Eigen2modeSolution用于计算某一结构的谐振频率以及

　　传统的微波滤波器设计方法已经非常成熟,但其中一些参数需要反复试验来获得.这势必要增加产品的设计周期,对于当前研制周期紧、产品数量大的要求是一个制约.利用仿真工具进行辅助设计成为目前一种非常有效的解决途径.本文即介绍如何借助HFSS设计同轴腔滤波器.

1　HFSS简介

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.

收稿日期:2006204217

作者简介:刘鹏宇(19782),男,工作于上海航天测控通信研究所,工程师,主要研究方向为射频与微波电路设计,

pengyu_liu@http://doc.guandang.net;

基于HFSS设计同轴腔滤波器

第2期刘鹏宇,张玉虎等:基于HFSS设计同轴腔滤波器431

谐振频率点的场值和腔的空载Q0值.选择DrivenSolution用于计算无源高频结构的S参数和特性端

口阻抗、传播常数等.

本课题的研究中,将用到本征模解求解单同轴腔特性和腔间耦合系数;激励解求解有载品质因数QL值和滤波器响应特性.

2　同轴腔滤波器工作原理及设计

2.1　工作原理

图1　三腔同轴滤波器结构模型

(a=3.25mm,b=9mm,l=29mm,l1=l2=14mm)

同轴腔滤波器主要用于米波、分米波段.传输TEM模,无色散、场结构简单稳定、空载品质因数高[1].其基本结构由谐振腔、腔间耦合、输入输出激励组成,如图1所示即为一个三腔同轴滤波器.

输入信号通过闭合圆环耦合到谐振腔中产生谐振,能量在谐振腔之间由耦合孔进行逐级耦合,

再经

技术参数指标要求

工作频率

2.0～2.15GHz

过输出端的闭合圆环耦合输出.各腔均工作在同一谐振频率附近,只有该谐振频率附近的电磁波有效传输,形成一带通滤波器.2.2　集总参数网络设计

下面以S波段滤波器设计为例,主要技术指标见表1.

阻带抑制(f0≥输入输出阻抗

插入损耗

≤2dB

表1　滤波器技术指标

带宽通带波动≥8MHz0.3LA50Ω

　　利用网络综合法[2],选取切比雪夫函数作为逼近

函数,查表或计算[3]确定滤波器阶数n=3,原型参数:g0=g4=1,g1=g1.6,2=.1474,.

Kij=

i gj

0.6

(1)(2)

.设计一,若要保持,,即要保持d(Δf)/df=0.

Cohn[6]研究得出,当耦合孔中心离腔短路端距离l1在中心频率电长度36°附近时,耦合带宽最大且随频率变化缓慢.则取l1=14mm.半圆环的几何位置通常与耦合孔保持一致,所以也取l2=14mm.关于耦合孔径的大小,下面通过HFSS仿真腔间耦合系数Kij和外部品质因数QL获取.

(i=1,j=2;i=2,j=3)QL=

g=266.3bw

2.3　微波结构设计2.3.1　同轴腔

3　HFSS仿真分析

3.1　单谐振腔仿真

为减小体积和便于安装,本滤波器采用内圆外方的1/4λ缩短电容同轴腔结构.依据谐振腔结构尺寸参数选取三个原则[1]:①避免高次模,(a+b)λ≤min/π;②满足功率容量,b/a=1.65时功率容量最大;③损耗要小,b/a=3.6时Q0值最高,损耗最小.b/a一般选择在2.0～3.6之间.在此选取内导体半径a=3.25mm,外导体内半径b=9mm.

内导体长度l、调谐螺钉最大调谐距离t的设计既要考虑能够满足所需的调谐范围,同时还要考虑到内导体缩短会降低Q0值[4]的因素,一般选择内导体长度为1/4λ的65%以上,在此选取l=29mm,t=3mm.谐振腔的调谐范围将通过HFSS进行仿真验算.2.3.2　耦合

考虑到本滤波器属于窄带滤波器,腔间耦合[5]采用圆孔实现,输入输出耦合采用闭合半圆环实现.耦合圆孔、半圆环需要确定的参数是中心位置和半

根据选定的结构尺寸(a=3.25mm,b=9mm,

l=29mm),在HFSS中对单谐振腔建模(图2),不需要加载激励,进行Eigenmode分析,获取在不同间距t的加载电容下对应的谐振频率.仿真结果(图3)得出,当t在0.25～3mm之间调整,对应谐振频率范围在1619～2171MHz之间变化,可以满足要求.

图2　单谐振腔模型　图3　谐振频率与加载电容关系

3.2　腔间耦合系数Kij仿真

腔间耦合的电性能用耦合系数Kij表示.当两

基于HFSS设计同轴腔滤波器

432电　子　器　件

大,耦合越强,QL值越低.

第30卷

个相邻的谐振腔耦合在一起、并且对源和负载具有非常小的耦合时,Kij与相邻腔谐振频率f1、f2存在如下关系[7]:

(3)K12=2(f2-f1)/(f2+f1)

因此,对两个相邻谐振腔在不接源和负载(图4)情况下进行Eigenmode分析(modes=2),得到在不同圆孔半径下对应的谐振频率f1、f2,从而绘制出对应的腔间耦合系数曲线(图5).结果表明耦合孔越大,耦合越强

.

(2)中计算结果,对照以上仿真分　　根据公式(1)、

析图表,即可选取适当的结构参数,在HFSS中完成整个滤波器的建模(图1),经过进一步优化,获取理想的特 …… 此处隐藏：3819字，全部文档内容请下载后查看。喜欢就下载吧 ……