低頻段高抗振大功率濾波器的小型化設計

摘要：該文設計了一款電容加載結構的小型化腔體濾波器。諧振器端頭采用圓盤結構的電容加載，并使用四氟乙烯材料在諧振桿中間位置進行支撐加固；計算過程中，為三維電磁模型添加了集總端口，與電路模型聯合仿真進行參數優化。通過三維電磁環境下的功率容量分析，該濾波器滿足大功率指標要求。

0 引言

遠距離微波散射通信系統中，收發端腔體濾波器需滿足低損耗、高耐受功率的性能要求[1-2]，但其面臨著小型化、快速仿真計算、抗振結構設計等技術難點。小型化是腔體濾波器當前的重要研究方向，主要通過電容加載的方式縮小濾波器體積[3-5]。由于設計過程中需要三維電磁仿真，耗時較長，近年來快速設計方法也成為熱門研究方向[6]。在低頻段的腔體濾波器體積較大，常采用異形的電容加載諧振器結構，該類型諧振器一般呈懸臂結構，且端頭較重，抗振能力較差[7-8]。

本文設計的交指腔體濾波器，采用圓盤結構電容加載減小諧振器長度，從而實現了濾波器體積小型化。為了減少設計過程中的仿真計算時間，采用場路結合的聯合仿真方法，將三維電磁仿真結果導入電路模型進行參數優化，縮短研制周期，提高了仿真計算效率。為了改善濾波器抗沖擊振動能力，通過在諧振桿適當位置增加四氟乙烯支撐塊，減少諧振桿在振動環境下的擺動幅度，改善了濾波器抗振能力，并通過了相應的環境試驗驗證。

1 濾波器方案選擇

本文設計的濾波器指標：P波段15%帶寬；通帶損耗≤0.5 dB；帶外抑制：≥60 dB@DC～150 MHz & 320 MHz～3 GHz，可承受功率大于1 kW。

由上述指標分析，其他結構的濾波器，如LC濾波器、介質濾波器、聲表面波濾波器等，在P波段體積小，但損耗和功率容量難以達到指標要求，微帶濾波器無法達到高帶外抑制、低損耗的要求。

根據《現代微波濾波器結構與設計》[9]理論，選擇交指結構來實現這類中等帶寬的腔體濾波器。該結構濾波器由TEM模(即橫電磁波模式)諧振器構成，每個諧振元件在中心頻率處約為λ/4(λ為波長)，一端短路，另一端開路。諧振器間的耦合由諧振元件之間的邊緣場完成。

通過微波濾波器設計理論，計算出截止頻率處對應低通原型的歸一化頻率：

(1)

式中：ω為濾波器頻率；ωc為截止頻率；ω0為中心頻率；為相對帶寬。根據帶外抑制要求，參考契比雪夫濾波器特性，查表得出本文設計的濾波器應不小于六階。

由于體積的要求，選擇通過在諧振器開路端圓盤電容加載結構[10]，使諧振器長度小于λ/4的理論值，實現濾波器體積小型化。

2 濾波器仿真設計

2.1 濾波器結構仿真

通過原型濾波器查表，由下式得到腔體濾波器的相對帶寬(Δω)、耦合系數(Kij)、邊腔群延時(t1)等參數：

(2)

(3)

(4)

式中：ω1和ω2為濾波器的通帶邊沿頻率；gi、gj為原型濾波器值。通過式(4)可得t1=12.435 6 ns。表1為原型濾波器值，表2為耦合系數值。

表1 原型濾波器值

表2 耦合系數值

通過以上計算參數，在電磁仿真軟件中建立輸入諧振腔的單腔三維模型。通過選取合適的抽頭線高度，使群時延中心位于通帶中心頻率處，峰值滿足第一級群時延值t1[11]。三維模型及計算結果如圖1所示。

圖1 濾波器輸入腔仿真模型及曲線

建立兩個相鄰諧振器的三維仿真模型，如圖2所示。經過本征模仿真計算，由電磁仿真軟件中的后處理模塊得出諧振器間的耦合系數。通過調整諧振器間距，得到不同諧振器間的耦合系數。

圖2 濾波器相鄰諧振器仿真模型

根據圖1、2所示結構分析計算出的各參數值，建立濾波器整體模型，如圖3所示。由于計算輸入群時延及諧振桿間耦合量時，未考慮周邊的諧振柱及空氣腔引起的電磁微擾，因此，建立整體模型后，還需對各尺寸參數進行優化。

圖3 濾波器仿真模型

由于濾波器整體模型結構復雜，尺寸較大，三維電磁仿真計算時，需要進行大量的網格剖分，耗時較長，優化效率低。為提高參數優化效率，本文采用場路結合的聯合仿真方法，縮短濾波器優化的時間。

為了將電磁仿真模型導入電路模型輔助計算，在三維電磁模型中每個諧振器的端頭圓盤處添加1個集總端口，形成帶有2個波端口、6個集總端口的三維模型，三維模型中集總端口設置如圖4所示。

圖4 諧振器模型添加集總端口

三維電磁仿真計算完成后，通過模塊導入的方式將計算結果導入電路模型，導入后的完整電路模型如圖5所示。電路模型中的端口1、2分別連接電磁模型中的輸入、輸出波端口，端口3～8分別對應各諧振器所添加的集總端口。各諧振器分別與集總電容連接后再接地，圖5中的c1p～c3p為接入到諧振器端口的集總電容，針對諧振器與外殼接地之間的電容進行微調。仿真優化后，將原本只能通過電磁仿真的計算結果，通過電路仿真進行優化擬合，從而減少了仿真計算時間。

圖5 電路仿真模型

根據電路模型中的計算結果和所需的電容值，反饋到三維模型中對諧振桿長度等參數進行調節。如果電容值為正，則需增加諧振桿長度；若電容值為負，則需減少諧振桿長度。最終濾波器S參數仿真結果如圖6所示。以上通過三維電磁仿真計算與電路模型參數優化相結合的方法，達到了快速設計的目的。

圖6 濾波器仿真結果

2.2 濾波器抗振設計

本文中濾波器采用電容加載結構。諧振桿直徑?7 mm、長約156 mm；諧振柱端頭設計成直徑?34 mm的加載圓盤，以達到增大加載面積，減少諧振桿長度的目的。諧振桿單端固定在濾波器殼體上。

由于單個諧振單元質量為70 g，沖擊振動環境下，諧振柱端頭易發生較大幅度的擺動，嚴重影響濾波器電性能，甚至可能由于應力導致諧振桿彎曲斷裂。

為提高濾波器的抗振性，在諧振器靠近自由端一側，設計了四氟乙烯支撐結構，使濾波器具有良好的抗振動沖擊能力，其結構和安裝位置見圖3。

濾波器整體結構設計中，每個諧振桿都采用支撐塊進行加固。在相同振動條件下，未加支撐塊的諧振柱力學仿真模型分析如圖7所示。如果不增加四氟乙烯支撐柱結構，諧振柱加載圓盤形變量約為2.5 mm，易造成諧振柱低端連接處斷裂，同時還易導致輸入、輸出端相鄰的諧振柱引線斷裂，導致濾波器失效，產生嚴重后果。

圖7 未加支撐塊的諧振柱力學仿真

通過仿真優化，加支撐塊后諧振柱力學仿真模型分析如圖8所示。選擇在距離諧振柱底部安裝面120 mm的位置安裝四氟乙烯支撐塊，力學仿真結果得出圓盤形變量減少到約0.05 mm，減少了沖擊造成的諧振柱形變，從而提高了濾波器的結構可靠性。

圖8 加支撐塊后諧振柱力學仿真

隨后加工的濾波器實物產品，按照GJB360B方法214條件I-B進行隨機振動試驗，并順利通過該試驗驗證，證明了本文設計的濾波器結構具有較高的抗沖擊振動能力。

2.3 濾波器功率容量分析

濾波器需滿足功率容量大于1 kW的指標要求。在電路仿真軟件中建立濾波器的等效電路模型，如圖9所示，輸入功率設置為單位功率1 W。計算得出各諧振腔的節點電壓值，利用下式得出儲能最大的諧振單元[12]：

(5)

圖9 濾波器等效電路仿真

式中：W為諧振腔儲能值；V為節點電壓值(此電壓為與頻率相關的復數)；f為頻率。

圖10為各諧振腔儲能曲線。由圖可看出，第3個諧振腔的儲能最大，中心頻率處儲能W3=9.1 nJ。

圖10 諧振節點儲能計算結果

在三維電磁仿真軟件中建立第3諧振腔的單腔模型，并進行本振模求解。計算完成后，通過編譯程序[13]，使用場計算器計算出諧振腔儲能Wav=2.4×10-18J。圖11為計算界面及結果。

圖11 諧振腔儲能計算結果

根據儲能Wav得到歸一化系數N1：

N1=sqrt(1 nJ/Wav)=20 418

(6)

將歸一化系數帶入HFSS場計算中，得到歸一化最大電場Emax=16 656 V/m，如圖12所示。

圖12 諧振腔電場仿真

根據下式計算出濾波器耐受功率：

Pmax=(2.3×106/Emax)2/W3=2 095 (W)

(7)

通過仿真分析可看出，本文設計的濾波器具有較大的功率容量，最大可承受2 095 W峰值功率，滿足1 kW的功率指標要求。

2.4 濾波器寄生通帶分析

濾波器遠端帶外抑制要求在0.32～3.00 GHz范圍的諧波抑制在60 dB以上。

由于濾波器采用1/4波長結構，在4倍頻、8倍頻和16倍頻附近有較強的寄生通帶，這些寄生通帶均位于0.32～3.00 GHz，仿真結果如圖13所示。

圖13 濾波器未采用諧波抑制仿真結果

為了提高0.32～3.00 GHz內的帶外抑制指標，在腔體內部的輸入接頭處，級聯了一個大功率LC低通濾波器，對遠端的諧波起到了很好的抑制作用，達到了系統帶外抑制的指標要求。圖14為級聯低通濾波器后的仿真結果。

圖14 濾波器諧波抑制仿真結果

在抽頭內部級聯LC后，對濾波器駐波影響較大。為平衡級聯對濾波器駐波帶來的影響，通過對抽頭在第一級諧振柱上的焊點位置進行微調改變耦合量，同時對第一級諧振柱頻率微調，很好地解決了級聯對性能的影響。測試結果如圖15所示，實測性能與仿真結果對比，一致性較好，達到了遠寄生通帶的設計要求。

圖15 濾波器諧波抑制測試

3 測試結果

根據三維仿真設計模型，對各結構進行加工和組裝調試。諧振器采用電容加載后，結構較復雜，機加難度大。通過對加載圓盤單獨加工后再焊接在諧振桿上的方法，獨立完成每個諧振單元的加工和組裝。將四氟乙烯支撐模塊套在諧振桿指定位置上，再由螺釘將諧振桿固定于濾波器殼體壁上。

加工完成后的濾波器照片如圖16所示，外形尺寸為220 mm×170 mm×58 mm。圖17為濾波器的實測曲線，通帶插損小于0.5 dB，帶內幅度波動小于0.2 dB，通帶內駐波小于1.5，150 MHz以下帶外抑制大于70 dB。圖15中，320 MHz～3 GHz的帶外抑制達到70 dB，滿足各項指標要求。

圖16 濾波器加工實物圖

圖17 濾波器測試曲線

4 結束語

本文設計了一款工作于P波段的小型化交指腔體濾波器，設計過程中，將三維電磁仿真結果代入電路模型聯合仿真，減少了仿真計算時間，縮短了研制周期；對設計模型進行功率容量分析，本結構的腔體濾波器具有很高的耐受功率；通過增加四氟乙烯支撐結構，對諧振桿進行了加固，使濾波器具有較高的抗振能力。實物產品測試結果表明，該濾波器插損小、帶外抑制高、功率容量大、寄生通帶抑制遠。產品已實現批量供貨，能很好地滿足工程應用需求。