腔体滤波器的仿真优化及测试

关于腔体滤波器的仿真优化及测试第1页，讲稿共46页，2023年5月2日，星期三实验目的了解微波腔体滤波器的性能特点，理解滤波器的各项参数指标含义理解微波腔体滤波器工程设计流程与基本方法；掌握常用三维电磁模拟模拟的使用以及在微波腔体滤波器中的仿真应用；理解矢量网络分析仪时域测量功能；掌握微波滤波器常见指标测量技术；第2页，讲稿共46页，2023年5月2日，星期三微波滤波器

微波滤波器是微波电子系统中常用的器件。滤波器是标准的频率选择性器件，完成对工作信号的提取和干扰信号的抑制功能；在阻抗匹配中，滤波器网络也常常用来完成不同阻抗之间的匹配功能；有时需要得到一定的相位（或时延）特性，如脉冲压缩或展宽，或补偿其它滤波器或色散结构所产生的相位失真，也需要用到滤波器。实验原理第3页，讲稿共46页，2023年5月2日，星期三第4页，讲稿共46页，2023年5月2日，星期三实验原理微波滤波器主要参数第5页，讲稿共46页，2023年5月2日，星期三第6页，讲稿共46页，2023年5月2日，星期三实验原理腔体滤波器指标例子第7页，讲稿共46页，2023年5月2日，星期三当滤波器能承受较高功率、插损低、带外抑制高、带宽窄时，腔体滤波器是最好的选择。腔体滤波器是一种纯结构性的器件，其性能指标及可靠性都取决于自身的结构特征，常见形式为交指和梳状线结构.实验原理第8页，讲稿共46页，2023年5月2日，星期三谐振器调谐螺钉耦合螺钉输入/输出接头位置输入/输出接头位置第9页，讲稿共46页，2023年5月2日，星期三微波腔体滤波器综合设计

现代微波滤波器的设计大多使用网络综合法，以衰减、相移函数为基础，通过网络综合理论得到滤波器低通原型电路，然后通过频率变换函数，将低通原型转换为低通、高通、带通、带阻等各种滤波器电路，最后利用相应的微波结构来实现集总元件原型中的各元件。这种设计方法，计算相对简单，有较好的近似度，且能导出最佳设计。第10页，讲稿共46页，2023年5月2日，星期三微波腔体滤波器综合设计低通原型

集总元件低通原型滤波器是用现代网络综合法设计微波滤波器的基础，各种低通、高通、带通、带阻微波滤波器，其传输特性大都是根据此原型特性推导出来的。第11页，讲稿共46页，2023年5月2日，星期三微波腔体滤波器综合设计频率变换第12页，讲稿共46页，2023年5月2日，星期三切比雪夫逼近微波腔体滤波器综合设计第13页，讲稿共46页，2023年5月2日，星期三K

J变换微波腔体滤波器综合设计

对于窄带或者中等带宽的带通滤波器，耦合谐振腔滤波器是常用的结构。其设计过程是从低通原型滤波器出发，经过频率变换，用阻抗变换器或导纳变换器实现各个谐振部分的级联，从而获得带通滤波器的性能。在此过程中，由滤波器的性能参数以及低通原型滤波器的参数，可以得到该类带通滤波器的设计公式，为滤波器实际物理结构的实现提供了依据。第14页，讲稿共46页，2023年5月2日，星期三滤波器辅助设计软件微波腔体滤波器综合设计

通常的做法是根据要求的指标通过查最大平坦度图来确定合适的腔数；

根据相对带宽和滤波器的归一化低通元件值，算出腔间耦合系数和外界Q值的理论值；

通过查阅大量设计表格及计算获得初始滤波器尺寸结构，然后加工调试；

中间过程可能需要反复几次。速度、效率和设计的准确性都已经跟不上时代的发展。第15页，讲稿共46页，2023年5月2日，星期三

Couplefil就是一个专业的简易腔体滤波器辅助设计软件，可给出耦合系数、有载Q值，单腔中心频率、耦合带宽等。这些参数值便是我们用于腔体滤波器三维结构仿真的目标值，以这些值为目标进行三维仿真，便能得到所设计的滤波器的最终结构尺寸。

FilterSolution也是一款非常优秀的滤波器辅助设计软件。另外，一些电路EDA软件如AnsoftDesigner等也可以完成滤波器电路综合。滤波器辅助设计软件微波腔体滤波器综合设计第16页，讲稿共46页，2023年5月2日，星期三微波腔体滤波器综合设计基于输入反射群延迟带通滤波器设计

由于滤波器中心频点的反射群延迟可以通过低通原型、LC带通结构以及耦合系数得到简便显式表达式，相对而言，其设计与调试过程简便清晰。第17页，讲稿共46页，2023年5月2日，星期三微波腔体滤波器综合设计基于输入反射群延迟带通滤波器设计第18页，讲稿共46页，2023年5月2日，星期三微波腔体滤波器综合设计基于输入反射群延迟带通滤波器设计第19页，讲稿共46页，2023年5月2日，星期三微波腔体滤波器综合设计基于输入反射群延迟带通滤波器设计第20页，讲稿共46页，2023年5月2日，星期三本实验项目滤波器设计要求如下：中心频率：2.45GHz；

1dB带宽：100MHz；通带波纹：0.02dB；通带内驻波：小于1.5；带外抑制度：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。微波腔体滤波器综合设计基于输入反射群延迟带通滤波器设计第21页，讲稿共46页，2023年5月2日，星期三阶数12345反射群延迟（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带通滤波器中心频率反射群延迟计算结果微波腔体滤波器综合设计基于输入反射群延迟带通滤波器设计第22页，讲稿共46页，2023年5月2日，星期三

位置S0S12S23S34S45S0间距713.314.614.613.37谐振器耦合间距初始值微波腔体滤波器综合设计基于输入反射群延迟带通滤波器设计第23页，讲稿共46页，2023年5月2日，星期三实验内容数值模拟实验

在CSTMWO中建立如图三维模型后，设置两端同轴馈入激励端口，设置频率范围以及网格划分设置，选择频域求解器中快速S参数模式计算。第24页，讲稿共46页，2023年5月2日，星期三实验内容数值模拟实验（1）首先将所有调谐螺钉短路，即调谐方柱与谐振杆相连。调整S0、和第一级调谐螺钉与第一个谐振器间距，使得第一级反射群延迟波形如图所示，滤波器中心频点处群延迟数值5.54ns，与理论值5.47ns接近。第25页，讲稿共46页，2023年5月2日，星期三实验内容数值模拟实验（2）调整S12间距、第二级调谐螺钉与第二级谐振器间距，使得第二级反射群延迟波形如图20所示，滤波器中心频点处群延迟数值8.63ns，与理论值8.59ns接近。若S12变化较大，则需要在新的S12间距值条件下，重复（1）步骤，获得第一级新的调谐螺钉间距值。整个过程可能需要重复几次第26页，讲稿共46页，2023年5月2日，星期三实验内容数值模拟实验（3）调整S23间距、第二级调谐螺钉与第二级谐振器间距，使得第二级反射群延迟波形如图21所示，滤波器中心频点处群延迟数值16.32ns，与理论值16.22ns接近。若S23变化较大，则需要在新的S23间距值条件下，重复（2）步骤，获得第二级新的调谐螺钉间距值。整个过程可能需要重复几次。第27页，讲稿共46页，2023年5月2日，星期三实验内容数值模拟实验（4）同（3）步骤，调整S34耦合间距、第四个调谐螺钉间距，获得反射群延迟波形如图所示，图中滤波器中心频点反射群延迟为17.18ns，与理论值一致。第28页，讲稿共46页，2023年5月2日，星期三实验内容数值模拟实验

理论上来说，对于最后一级调谐螺钉间距、S45间距调试，对于偶数阶滤波器，终端须接短路器；而对于奇数阶滤波器，终端须接开路器。对于模拟来说很难在另一端口直接实现理想开路端口条件，并且前面几级谐振器调谐、耦合大小与理论值误差会随着滤波器阶数增大而产生累积作用，所以最后一级谐振器的调谐与耦合可以通过直接观测S11参数响应来进行。第29页，讲稿共46页，2023年5月2日，星期三实验内容数值模拟实验

实际上调试到中间谐振器时，整个模拟仿真过程可以基本完成，因为滤波器为对称结构设计，故后半部分结构参数与调试好的前半部分结构参数一致即可。最后，以调试完成的结构参数进行滤波器整体仿真、优化，一般情况下只需少量细微参数调整即可获得满意的仿真结果。第30页，讲稿共46页，2023年5月2日，星期三实验内容数值模拟实验第31页，讲稿共46页，2023年5月2日，星期三实验内容数值模拟实验第32页，讲稿共46页，2023年5月2日，星期三实验内容滤波器加工第33页，讲稿共46页，2023年5月2日，星期三1.矢量网络分析仪单端口、全二端口校准2.微波腔体滤波器时域调谐3.微波腔体滤波器带宽、驻波、插损、带外抑制度、寄生通带抑制度指标矢量网络分析仪测量实验内容第34页，讲稿共46页，2023年5月2日，星期三实验内容（2）矢量网络分析仪校准

本实验中需要通过滤波器反射群延迟时间来进行滤波器性能调试，因此首先要进行单端口校准；待滤波器调谐螺钉调试完毕后，再进行全二端口校准。注意校准使用SOLT（Short,Open,Load,Thru）方法，也可以不分顺序将两次校准完成后存储校准文件，测试时准确调用文件即可。为得到大动态范围以更好测试带外抑制度，注意网络分析仪的中频带宽设置。第35页，讲稿共46页，2023年5月2日，星期三（3）腔体滤波器准备

首先将用恒温台将SMA法兰接头焊接（样品滤波器中此项工作已完成），冷却后把所有调谐螺钉旋进至与各谐振器短路，保证端面良好接触即可，如图所示，检查无误后把腔体上下盖板用螺钉固定。实验内容第36页，讲稿共46页，2023年5月2日，星期三实验内容（4）滤波器S11参数调试

①调用单端口校准文件，矢量网络分析仪处于单端口测量模式；将显示格式改为群延迟模式；②滤波器一端接上N-3.5（KJ）适配器，另一端连接SMA开路器（或加适配器后连接N型开路器；③逐级调试各级调谐螺钉深度，使得滤波器在中心频点处反射群延迟时间尽可能与表4计算数据接近，且反射群延迟波形依中心频点左右对称（各阶反射群延迟典型波形如前面模拟所示），并锁定调谐螺钉位置；过程中需导出群延迟调试结果；第37页，讲稿共46页，2023年5月2日，星期三实验内容（4）滤波器S11参数调试第38页，讲稿共46页，2023年5月2日，星期三实验内容（4）滤波器S11参数调试④在最后一级调谐螺钉调试之前，将滤波器另一端口接匹配负载，显示格式改为幅值（dB）；通过观测滤波器S11响应来获得最后一级调谐螺钉的合适深度，并固定螺钉位置。

滤波器腔体加工精度可能存在不满足技术要求（主要影响各谐振器耦合，造成通带内驻波、波纹、带宽等不满足设计要求），最后可能需要细微调整各级调谐螺钉来获得滤波器合格响应。

因滤波为对称结构设计，且为奇数阶，所以在步骤③中，可以先调试前半部分调谐螺钉（中间第3级调谐螺钉保持短路不动）；然后将滤波器倒置，调试剩下一半调谐螺钉；最后通过S11参数响应来获得中级级调谐螺钉合适位置。第39页，讲稿共46页，2023年5月2日，星期三实验内容矢量网络分析仪调用全二端口校准文件，将调试好的腔体滤波器接入矢网，获取滤波器各性能指标参数，包括插损、驻波、波纹、带外抑制度。（5）腔体滤波器指标参数测试第40页，讲稿共46页，2023年5月2日，星期三实验仪器矢量网络分析仪AV3620A第41页，讲稿共46页，2023年5月2日，星期三1．将测量时所得到时域调谐曲线、S参数曲线导出2．利用绘图软件将各测试数据汇总绘图，注意选择合适的坐标比例3．根据测试曲线得到微波滤波器一些性能指标参数。数据导出与处理第42页，讲稿共46页，2023年5月2日，星期三