腔体滤波器的仿真、优化及测试

1、腔体滤波器的仿真、优化及测试1.实验目的实验目的2.实验原理实验原理3.实验内容实验内容4.实验仪器实验仪器5.思考题思考题 了解微波腔体滤波器的性能特点，理解滤波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理解微波腔体滤波器工程设计流程与基本方法；法； 掌握常用三维电磁模拟模拟的使用以及在微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；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；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；掌握微波滤波器常见指标测量技术；实验原理实

2、验原理实验原理实验原理33.13.23.33.43.53.63.73.8-100-90-80-70-60-50-40-30-20-100Frequency / GHzS11/ dBFilter2S11S21实验原理实验原理腔体滤波器指标例子腔体滤波器指标例子 当当滤波器能承受滤波器能承受较较高功率、插损低、带外抑制高功率、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都取决于自身的结构特征，常见形式为交指和

3、梳状线结构线结构.实验原理实验原理谐振器谐振器调谐螺钉调谐螺钉耦合螺钉耦合螺钉输入输入/输出输出接头位置接头位置输入输入/输出输出接头位置接头位置微波腔体滤波器综合设计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，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滤波器低通原型电路，然后通过，然后通过频率变换频率变换函数，将函数，将低通原型转换为低通原型转换为低通、高通、带通、带阻低通、高通、带通、带阻等各种滤等各种滤波器电路，最后利用波器电路，最后利用相应的微波结构来实现集总元相

4、应的微波结构来实现集总元件原型件原型中的各元件。这种设计方法，计算相对简单，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。有较好的近似度，且能导出最佳设计。微波腔体滤波器综合设计微波腔体滤波器综合设计低通原型低通原型 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。输特性大都是根据此原型特性推导出来的。微波腔体滤波器综合设计微波腔体滤波器综合设计频率变换频率变换010W0

5、101ssLLLWC0101pPCCCWL切比雪夫逼近切比雪夫逼近微波腔体滤波器综合设计微波腔体滤波器综合设计1121121110()10lg 1coscos()10lg 1coshcosh101ArAALLnLn111111224(2,3) 1 (ntanh n4kkkkknagaagknbgg为奇数）（ 为偶数）22ln coth17.37sinh221sin(1,2)2sin(1,2)ArkkLnkaknNkbknnK J变换变换微波腔体滤波器综合设计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

6、过程是从低通原型滤波器出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。构的实现提供了依据。滤波器辅助设计软件滤波器辅助设计软件微波腔体滤波器综合设计微波腔体滤波器综合设计 通常

7、的做法是根据要求的指标通过查最大平坦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；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，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算出腔间耦合系数和外界Q Q值的理论值；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；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计的准确性都已经跟不上时代的发展。 Couplefil就是一个专业的简易腔体滤波

8、器辅助设计软件，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、有载可给出耦合系数、有载Q值，单腔中心频率、耦合带宽等。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，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。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。也是一款非常优秀的滤波器辅助设计软件。另外，一些电路另外，一些电路EDA软件如软件如Ansoft Designer等也可以完成等也可

9、以完成滤波器电路综合。滤波器电路综合。滤波器辅助设计软件滤波器辅助设计软件微波腔体滤波器综合设计微波腔体滤波器综合设计微波腔体滤波器综合设计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由于滤波器中心频点的反射群延迟可以通过低通原型、通原型、LC带通结构以及耦合系数得到简便显式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。表达式，相对而言，其设计与调试过程简便清晰。( )dw 微波腔体滤波器综合设计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基于输入反射群延迟带通滤波器设计

10、11( )d 001210 220002121210211d 微波腔体滤波器综合设计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基于输入反射群延迟带通滤波器设计 22101212102tanINdXZ 220012222101210021dg gg g0110214dg g10104dC Z1004EdQ微波腔体滤波器综合设计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基于输入反射群延迟带通滤波器设计本实验项目滤波器设计要求如下：本实验项目滤波器设计要求如下： 中心频率：中心频率：2.45GHz； 1dB带宽：带宽：100MHz； 通带波纹：通带波纹：0.02dB； 通带内

11、驻波：小于通带内驻波：小于1.5； 带外抑制度：带外抑制度：2.05GHz和和2.85GHz抑制度大于抑制度大于80dB； 接口形式：接口形式：SMA（KK）；）； 功率容量：不作要求。功率容量：不作要求。微波腔体滤波器综合设计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基于输入反射群延迟带通滤波器设计阶数阶数12345反射反射群延迟群延迟（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.

12、6717.4723.87带通滤波器中心频率反射群延迟计算结果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基于输入反射群延迟带通滤波器设计 位置S0S12S23S34S45S0间距713.314.614.613.37谐振器耦合间距初始值谐振器耦合间距初始值微波腔体滤波器综合设计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基于输入反射群延迟带通滤波器设计实验内容数值模拟实验数值模拟实验 在在CST MWO中建立如图三维模型后，设置两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端同轴馈入激励端口

13、，设置频率范围以及网格划分设置，选择频域求解器中快速设置，选择频域求解器中快速S参数模式计算。参数模式计算。实验内容数值模拟实验数值模拟实验 （1）首先将所有调谐螺钉短路，即调谐方柱与谐振杆）首先将所有调谐螺钉短路，即调谐方柱与谐振杆相连。调整相连。调整S0、和第一级调谐螺钉与第一个谐振器间距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，使得第一级反射群延迟波形如图所示，滤波器中心频所示，滤波器中心频点处群延迟数值点处群延迟数值5.54ns，与理论值，与理论值5.47ns接近。接近。tap实验内容数值模拟实验数值模拟实验 （2）调整）调整S12间距、第二级调谐螺钉与第二级谐

14、振器间距、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间距，使得第二级反射群延迟波形如图20所示，滤波器所示，滤波器中心频点处群延迟数值中心频点处群延迟数值8.63ns，与理论值，与理论值8.59ns接近。若接近。若S12变化较大，则需要在新的变化较大，则需要在新的S12间距值条件下，重复（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）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能需要重复几次实验内容数值模拟实验数值模拟实验 （3）调整）调整S23间距、第二级调谐螺钉与第二级谐振器间距、第二级调谐螺钉与第二级谐振器间距，使得第二级反射

15、群延迟波形如图间距，使得第二级反射群延迟波形如图21所示，滤波器所示，滤波器中心频点处群延迟数值中心频点处群延迟数值16.32ns，与理论值，与理论值16.22ns接近。接近。若若S23变化较大，则需要在新的变化较大，则需要在新的S23间距值条件下，重复间距值条件下，重复（2）步骤，获得第二级新的调谐螺钉间距值。整个过程）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。可能需要重复几次。实验内容数值模拟实验数值模拟实验 （4）同（）同（3）步骤，调整）步骤，调整S34耦合间距、第四个调谐螺耦合间距、第四个调谐螺钉间距，获得反射群延迟波形如图所示，图中滤波器中钉间距，获得反射群延迟

16、波形如图所示，图中滤波器中心频点反射群延迟为心频点反射群延迟为17.18ns，与理论值一致。，与理论值一致。实验内容数值模拟实验数值模拟实验 理论上来说，对于最后一级调谐螺钉间距、理论上来说，对于最后一级调谐螺钉间距、S45间间距调试，对于偶数阶滤波器，终端须接短路器；而对于距调试，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振器调谐、耦合大小与理论值误差会随着

17、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可以通过直接观测S11参数响应来进行。参数响应来进行。实验内容数值模拟实验数值模拟实验 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。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、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

18、细微参数调整即可获得满优化，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。意的仿真结果。实验内容数值模拟实验数值模拟实验实验内容数值模拟实验数值模拟实验实验内容滤波器加工滤波器加工实验内容实验内容（2 2）矢量网络分析仪校准）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，因此首先要进行滤波器性能调试，因此首先要进行单端口校准单端口校准；待滤；待滤波器调谐螺钉调试完毕后，再进行波器调谐螺钉调试完毕后，再进行全二端口校准全二端口校准。注。注意校准使用意校准使用SOLT（Short,Open,Load,Thru）方法，

19、）方法，也可以不分顺序将两次校准完成后存储校准文件，测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。试时准确调用文件即可。为得到大动态范围以更好测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。试带外抑制度，注意网络分析仪的中频带宽设置。（3 3）腔体滤波器准备）腔体滤波器准备 首先将用恒温台将首先将用恒温台将SMA法兰接头焊接（样品滤波法兰接头焊接（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

20、后把腔体上下盖板用螺钉固定。示，检查无误后把腔体上下盖板用螺钉固定。实验内容实验内容（4 4）滤波器滤波器S11 参数调试参数调试 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；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；将显示格式改为群延迟模式； 滤波器一端接上滤波器一端接上N-3.5（KJ）适配器，另一端连接）适配器，另一端连接SMA开路开路器（或加适配器后连接器（或加适配器后连接N型开路器；型开路器； 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群延迟时间尽可能与表

21、4计算数据接近，且反射群延迟波形依中计算数据接近，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心频点左右对称（各阶反射群延迟典型波形如前面模拟前面模拟所示），所示），并锁定调谐螺钉位置；过程中需导出群延迟调试结果；并锁定调谐螺钉位置；过程中需导出群延迟调试结果；实验内容（4 4）滤波器滤波器S11 参数调试参数调试2.352.42.452.5024681012Frequency (GHz)Group Delay (ns)2.352.42.452.511.522.533.544.555.56Frequency (GHz)Group Delay (ns)2.352.42.452.5

22、051015202530Frequency (GHz)Group Delay (ns)2.352.42.452.5051015202530354045Frequency (GHz)Group Delay (ns)2.352.42.452.5020406080100120140Frequency (GHz)Group Delay (ns)实验内容（4 4）滤波器滤波器S11 参数调试参数调试 在最后一级调谐螺钉调试之前，将滤波器另一端口接匹配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（负载，显示格式改为幅值（dB）；通过观测滤波器）；通过观测滤波器S11响应响应来获

23、得最后一级调谐螺钉的合适深度，并固定螺钉位置。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。器合格响应。 因滤波为对称结构设计，且为奇数阶，所以在步骤因滤波为对称结构设计，且为奇数阶，所以在步骤中，中，可以先调试前半部分调谐螺钉（中间第可以先调试前半部分调谐螺钉（中间第3级调谐

24、螺钉保持短路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；最后不动）；然后将滤波器倒置，调试剩下一半调谐螺钉；最后通过通过S11参数响应来获得中级级调谐螺钉合适位置。参数响应来获得中级级调谐螺钉合适位置。实验内容 矢量网络分析仪调用全二端口校准文件，将调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。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）腔体滤波器指标参数测试实验仪器矢量网络分析仪矢量网络分析仪AV3620AAV3620

25、A数据导出与处理1甘本祓甘本祓, 吴万春吴万春. 现代微波滤波器的结构与设计现代微波滤波器的结构与设计. 北京北京:科学出版社科学出版社,19732应嘉年应嘉年, 顾茂章顾茂章, 张克潜张克潜. 微波与光导波技术微波与光导波技术. 北京北京: 国防工业出版社国防工业出版社,19943 Mason W P, Sykes R A. The use of coaxial and balanced transmission lines in filter and wideband transformers for high radio Frequencies. Bell Syst. Tech. J., 1937, 16(1):275-3024 Cohn S