腔體濾波器的仿真優(yōu)化及測試

關(guān)于腔體濾波器的仿真優(yōu)化及測試實(shí)驗(yàn)?zāi)康牧私馕⒉ㄇ惑w濾波器的性能特點(diǎn)，理解濾波器的各項(xiàng)參數(shù)指標(biāo)含義理解微波腔體濾波器工程設(shè)計(jì)流程與基本方法；掌握常用三維電磁模擬模擬的使用以及在微波腔體濾波器中的仿真應(yīng)用；理解矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀時(shí)域測量功能；掌握微波濾波器常見指標(biāo)測量技術(shù)；第2頁,共46頁，星期六，2024年，5月微波濾波器

微波濾波器是微波電子系統(tǒng)中常用的器件。濾波器是標(biāo)準(zhǔn)的頻率選擇性器件，完成對工作信號(hào)的提取和干擾信號(hào)的抑制功能；在阻抗匹配中，濾波器網(wǎng)絡(luò)也常常用來完成不同阻抗之間的匹配功能；有時(shí)需要得到一定的相位（或時(shí)延）特性，如脈沖壓縮或展寬，或補(bǔ)償其它濾波器或色散結(jié)構(gòu)所產(chǎn)生的相位失真，也需要用到濾波器。實(shí)驗(yàn)原理第3頁,共46頁，星期六，2024年，5月第4頁,共46頁，星期六，2024年，5月實(shí)驗(yàn)原理微波濾波器主要參數(shù)第5頁,共46頁，星期六，2024年，5月第6頁,共46頁，星期六，2024年，5月實(shí)驗(yàn)原理腔體濾波器指標(biāo)例子第7頁,共46頁，星期六，2024年，5月當(dāng)濾波器能承受較高功率、插損低、帶外抑制高、帶寬窄時(shí)，腔體濾波器是最好的選擇。腔體濾波器是一種純結(jié)構(gòu)性的器件，其性能指標(biāo)及可靠性都取決于自身的結(jié)構(gòu)特征，常見形式為交指和梳狀線結(jié)構(gòu).實(shí)驗(yàn)原理第8頁,共46頁，星期六，2024年，5月諧振器調(diào)諧螺釘耦合螺釘輸入/輸出接頭位置輸入/輸出接頭位置第9頁,共46頁，星期六，2024年，5月微波腔體濾波器綜合設(shè)計(jì)

現(xiàn)代微波濾波器的設(shè)計(jì)大多使用網(wǎng)絡(luò)綜合法，以衰減、相移函數(shù)為基礎(chǔ)，通過網(wǎng)絡(luò)綜合理論得到濾波器低通原型電路，然后通過頻率變換函數(shù)，將低通原型轉(zhuǎn)換為低通、高通、帶通、帶阻等各種濾波器電路，最后利用相應(yīng)的微波結(jié)構(gòu)來實(shí)現(xiàn)集總元件原型中的各元件。這種設(shè)計(jì)方法，計(jì)算相對簡單，有較好的近似度，且能導(dǎo)出最佳設(shè)計(jì)。第10頁,共46頁，星期六，2024年，5月微波腔體濾波器綜合設(shè)計(jì)低通原型

集總元件低通原型濾波器是用現(xiàn)代網(wǎng)絡(luò)綜合法設(shè)計(jì)微波濾波器的基礎(chǔ)，各種低通、高通、帶通、帶阻微波濾波器，其傳輸特性大都是根據(jù)此原型特性推導(dǎo)出來的。第11頁,共46頁，星期六，2024年，5月微波腔體濾波器綜合設(shè)計(jì)頻率變換第12頁,共46頁，星期六，2024年，5月切比雪夫逼近微波腔體濾波器綜合設(shè)計(jì)第13頁,共46頁，星期六，2024年，5月K

J變換微波腔體濾波器綜合設(shè)計(jì)

對于窄帶或者中等帶寬的帶通濾波器，耦合諧振腔濾波器是常用的結(jié)構(gòu)。其設(shè)計(jì)過程是從低通原型濾波器出發(fā)，經(jīng)過頻率變換，用阻抗變換器或?qū)Ъ{變換器實(shí)現(xiàn)各個(gè)諧振部分的級聯(lián)，從而獲得帶通濾波器的性能。在此過程中，由濾波器的性能參數(shù)以及低通原型濾波器的參數(shù)，可以得到該類帶通濾波器的設(shè)計(jì)公式，為濾波器實(shí)際物理結(jié)構(gòu)的實(shí)現(xiàn)提供了依據(jù)。第14頁,共46頁，星期六，2024年，5月濾波器輔助設(shè)計(jì)軟件微波腔體濾波器綜合設(shè)計(jì)

通常的做法是根據(jù)要求的指標(biāo)通過查最大平坦度圖來確定合適的腔數(shù)；

根據(jù)相對帶寬和濾波器的歸一化低通元件值，算出腔間耦合系數(shù)和外界Q值的理論值；

通過查閱大量設(shè)計(jì)表格及計(jì)算獲得初始濾波器尺寸結(jié)構(gòu)，然后加工調(diào)試；

中間過程可能需要反復(fù)幾次。速度、效率和設(shè)計(jì)的準(zhǔn)確性都已經(jīng)跟不上時(shí)代的發(fā)展。第15頁,共46頁，星期六，2024年，5月

Couplefil就是一個(gè)專業(yè)的簡易腔體濾波器輔助設(shè)計(jì)軟件，可給出耦合系數(shù)、有載Q值，單腔中心頻率、耦合帶寬等。這些參數(shù)值便是我們用于腔體濾波器三維結(jié)構(gòu)仿真的目標(biāo)值，以這些值為目標(biāo)進(jìn)行三維仿真，便能得到所設(shè)計(jì)的濾波器的最終結(jié)構(gòu)尺寸。

FilterSolution也是一款非常優(yōu)秀的濾波器輔助設(shè)計(jì)軟件。另外，一些電路EDA軟件如AnsoftDesigner等也可以完成濾波器電路綜合。濾波器輔助設(shè)計(jì)軟件微波腔體濾波器綜合設(shè)計(jì)第16頁,共46頁，星期六，2024年，5月微波腔體濾波器綜合設(shè)計(jì)基于輸入反射群延遲帶通濾波器設(shè)計(jì)

由于濾波器中心頻點(diǎn)的反射群延遲可以通過低通原型、LC帶通結(jié)構(gòu)以及耦合系數(shù)得到簡便顯式表達(dá)式，相對而言，其設(shè)計(jì)與調(diào)試過程簡便清晰。第17頁,共46頁，星期六，2024年，5月微波腔體濾波器綜合設(shè)計(jì)基于輸入反射群延遲帶通濾波器設(shè)計(jì)第18頁,共46頁，星期六，2024年，5月微波腔體濾波器綜合設(shè)計(jì)基于輸入反射群延遲帶通濾波器設(shè)計(jì)第19頁,共46頁，星期六，2024年，5月微波腔體濾波器綜合設(shè)計(jì)基于輸入反射群延遲帶通濾波器設(shè)計(jì)第20頁,共46頁，星期六，2024年，5月本實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目濾波器設(shè)計(jì)要求如下：中心頻率：2.45GHz；

1dB帶寬：100MHz；通帶波紋：0.02dB；通帶內(nèi)駐波：小于1.5；帶外抑制度：2.05GHz和2.85GHz抑制度大于80dB；接口形式：SMA（KK）；功率容量：不作要求。微波腔體濾波器綜合設(shè)計(jì)基于輸入反射群延遲帶通濾波器設(shè)計(jì)第21頁,共46頁，星期六，2024年，5月階數(shù)12345反射群延遲（ns）S11（-30dB）4.247.9213.6215.8517.86S11（-26dB）4.888.3415.0016.6919.88S11（-23dB）5.478.5916.2217.1821.69S11（-20dB）6.208.7417.6717.4723.87帶通濾波器中心頻率反射群延遲計(jì)算結(jié)果微波腔體濾波器綜合設(shè)計(jì)基于輸入反射群延遲帶通濾波器設(shè)計(jì)第22頁,共46頁，星期六，2024年，5月

位置S0S12S23S34S45S0間距713.314.614.613.37諧振器耦合間距初始值微波腔體濾波器綜合設(shè)計(jì)基于輸入反射群延遲帶通濾波器設(shè)計(jì)第23頁,共46頁，星期六，2024年，5月實(shí)驗(yàn)內(nèi)容數(shù)值模擬實(shí)驗(yàn)

在CSTMWO中建立如圖三維模型后，設(shè)置兩端同軸饋入激勵(lì)端口，設(shè)置頻率范圍以及網(wǎng)格劃分設(shè)置，選擇頻域求解器中快速S參數(shù)模式計(jì)算。第24頁,共46頁，星期六，2024年，5月實(shí)驗(yàn)內(nèi)容數(shù)值模擬實(shí)驗(yàn)（1）首先將所有調(diào)諧螺釘短路，即調(diào)諧方柱與諧振桿相連。調(diào)整S0、和第一級調(diào)諧螺釘與第一個(gè)諧振器間距，使得第一級反射群延遲波形如圖所示，濾波器中心頻點(diǎn)處群延遲數(shù)值5.54ns，與理論值5.47ns接近。第25頁,共46頁，星期六，2024年，5月實(shí)驗(yàn)內(nèi)容數(shù)值模擬實(shí)驗(yàn)（2）調(diào)整S12間距、第二級調(diào)諧螺釘與第二級諧振器間距，使得第二級反射群延遲波形如圖20所示，濾波器中心頻點(diǎn)處群延遲數(shù)值8.63ns，與理論值8.59ns接近。若S12變化較大，則需要在新的S12間距值條件下，重復(fù)（1）步驟，獲得第一級新的調(diào)諧螺釘間距值。整個(gè)過程可能需要重復(fù)幾次第26頁,共46頁，星期六，2024年，5月實(shí)驗(yàn)內(nèi)容數(shù)值模擬實(shí)驗(yàn)（3）調(diào)整S23間距、第二級調(diào)諧螺釘與第二級諧振器間距，使得第二級反射群延遲波形如圖21所示，濾波器中心頻點(diǎn)處群延遲數(shù)值16.32ns，與理論值16.22ns接近。若S23變化較大，則需要在新的S23間距值條件下，重復(fù)（2）步驟，獲得第二級新的調(diào)諧螺釘間距值。整個(gè)過程可能需要重復(fù)幾次。第27頁,共46頁，星期六，2024年，5月實(shí)驗(yàn)內(nèi)容數(shù)值模擬實(shí)驗(yàn)（4）同（3）步驟，調(diào)整S34耦合間距、第四個(gè)調(diào)諧螺釘間距，獲得反射群延遲波形如圖所示，圖中濾波器中心頻點(diǎn)反射群延遲為17.18ns，與理論值一致。第28頁,共46頁，星期六，2024年，5月實(shí)驗(yàn)內(nèi)容數(shù)值模擬實(shí)驗(yàn)

理論上來說，對于最后一級調(diào)諧螺釘間距、S45間距調(diào)試，對于偶數(shù)階濾波器，終端須接短路器；而對于奇數(shù)階濾波器，終端須接開路器。對于模擬來說很難在另一端口直接實(shí)現(xiàn)理想開路端口條件，并且前面幾級諧振器調(diào)諧、耦合大小與理論值誤差會(huì)隨著濾波器階數(shù)增大而產(chǎn)生累積作用，所以最后一級諧振器的調(diào)諧與耦合可以通過直接觀測S11參數(shù)響應(yīng)來進(jìn)行。第29頁,共46頁，星期六，2024年，5月實(shí)驗(yàn)內(nèi)容數(shù)值模擬實(shí)驗(yàn)

實(shí)際上調(diào)試到中間諧振器時(shí)，整個(gè)模擬仿真過程可以基本完成，因?yàn)闉V波器為對稱結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，故后半部分結(jié)構(gòu)參數(shù)與調(diào)試好的前半部分結(jié)構(gòu)參數(shù)一致即可。最后，以調(diào)試完成的結(jié)構(gòu)參數(shù)進(jìn)行濾波器整體仿真、優(yōu)化，一般情況下只需少量細(xì)微參數(shù)調(diào)整即可獲得滿意的仿真結(jié)果。第30頁,共46頁，星期六，2024年，5月實(shí)驗(yàn)內(nèi)容數(shù)值模擬實(shí)驗(yàn)第31頁,共46頁，星期六，2024年，5月實(shí)驗(yàn)內(nèi)容數(shù)值模擬實(shí)驗(yàn)第32頁,共46頁，星期六，2024年，5月實(shí)驗(yàn)內(nèi)容濾波器加工第33頁,共46頁，星期六，2024年，5月1.矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀單端口、全二端口校準(zhǔn)2.微波腔體濾波器時(shí)域調(diào)諧3.微波腔體濾波器帶寬、駐波、插損、帶外抑制度、寄生通帶抑制度指標(biāo)矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀測量實(shí)驗(yàn)內(nèi)容第34頁,共46頁，星期六，2024年，5月實(shí)驗(yàn)內(nèi)容（2）矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀校準(zhǔn)

本實(shí)驗(yàn)中需要通過濾波器反射群延遲時(shí)間來進(jìn)行濾波器性能調(diào)試，因此首先要進(jìn)行單端口校準(zhǔn)；待濾波器調(diào)諧螺釘調(diào)試完畢后，再進(jìn)行全二端口校準(zhǔn)。注意校準(zhǔn)使用SOLT（Short,Open,Load,Thru）方法，也可以不分順序?qū)纱涡?zhǔn)完成后存儲(chǔ)校準(zhǔn)文件，測試時(shí)準(zhǔn)確調(diào)用文件即可。為得到大動(dòng)態(tài)范圍以更好測試帶外抑制度，注意網(wǎng)絡(luò)分析儀的中頻帶寬設(shè)置。第35頁,共46頁，星期六，2024年，5月（3）腔體濾波器準(zhǔn)備

首先將用恒溫臺(tái)將SMA法蘭接頭焊接（樣品濾波器中此項(xiàng)工作已完成），冷卻后把所有調(diào)諧螺釘旋進(jìn)至與各諧振器短路，保證端面良好接觸即可，如圖所示，檢查無誤后把腔體上下蓋板用螺釘固定。實(shí)驗(yàn)內(nèi)容第36頁,共46頁，星期六，2024年，5月實(shí)驗(yàn)內(nèi)容（4）濾波器S11參數(shù)調(diào)試

①調(diào)用單端口校準(zhǔn)文件，矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀處于單端口測量模式；將顯示格式改為群延遲模式；②濾波器一端接上N-3.5（KJ）適配器，另一端連接SMA開路器（或加適配器后連接N型開路器；③逐級調(diào)試各級調(diào)諧螺釘深度，使得濾波器在中心頻點(diǎn)處反射群延遲時(shí)間盡可能與表4計(jì)算數(shù)據(jù)接近，且反射群延遲波形依中心頻點(diǎn)左右對稱（各階反射群延遲典型波形如前面模擬所示），并鎖定調(diào)諧螺釘位置；過程中需導(dǎo)出群延遲調(diào)試結(jié)果；第37頁,共46頁，星期六，2024年，5月實(shí)驗(yàn)內(nèi)容（4）濾波器S11參數(shù)調(diào)試第38頁,共46頁，星期六，2024年，5月實(shí)驗(yàn)內(nèi)容（4）濾波器S11參數(shù)調(diào)試④在最后一級調(diào)諧螺釘調(diào)試之前，將濾波器另一端口接匹配負(fù)載，顯示格式改為幅值（dB）；通過觀測濾波器S11響應(yīng)來獲得最后一級調(diào)諧螺釘?shù)暮线m深度，并固定螺釘位置。

濾波器腔體加工精度可能存在不滿足技術(shù)要求（主要影響各諧振器耦合，造成通帶內(nèi)駐波、波紋、帶寬等不滿足設(shè)計(jì)要求），最后可能需要細(xì)微調(diào)整各級調(diào)諧螺釘來獲得濾波器合格響應(yīng)。

因?yàn)V波為對稱結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，且為奇數(shù)階，所以在步驟③中，可以先調(diào)試前半部分調(diào)諧螺釘（中間第3級調(diào)諧螺釘保持短路不動(dòng)）；然后將濾波器倒置，調(diào)試剩下一半調(diào)諧螺釘；最后通過S11參數(shù)響應(yīng)來獲得中級級調(diào)諧螺釘合適位置。第39頁,共46頁，星期六，2024年，5月實(shí)驗(yàn)內(nèi)容矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀調(diào)用全二端口校準(zhǔn)文件，將調(diào)試好的腔體濾波器接入矢網(wǎng)，獲取濾波器各性能指標(biāo)參數(shù)，包括插損、駐波、波紋、帶外抑制度。（5）腔體濾波器指標(biāo)參數(shù)測試第40頁,共46頁，星期六，2024年，5月實(shí)驗(yàn)儀器矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀AV3620A第41頁,共46頁，星期六，2024年，5月1．將測量時(shí)所得到時(shí)域調(diào)諧曲線、S參數(shù)曲線導(dǎo)出2．利用繪圖軟件將各測試數(shù)據(jù)匯總繪圖，注意選擇合適的坐標(biāo)比例3．根據(jù)測試曲線得到微波濾波器一些性能指標(biāo)參數(shù)。數(shù)據(jù)導(dǎo)出與處理第42頁,共46頁，星期六，2024年，5月