一种可调滤波器的设计技术

2016-11-05 by:CAE仿真在线来源:互联网

一种可调滤波器的设计技术

胡娟,王清芬,王烨

(1、中国电子科技集团公司第十五研究所,北京100083;

(2、中国电子科技集团公司第五十四研究所,河北石家庄050081;

(3、西安邮电大学,陕西西安710121

摘要:随着通信系统对电子反对抗(ECCM)能力的日益提高,可调频段的窄带滤波器成为了一种常用方法。波导腔可调滤波器因其品质因数高、插入损耗小等特点,在射频前端应用广泛。但在高频段,在可调频率范围内设计带宽恒定、幅频特性良好的可调滤波器依然是需要解决的关键技术之一。通过分析滤波器的工作原理,合理选择结构形式,基于耦合带宽法,给出X频段可调滤波器的设计实例。结果表明,该可调滤波器完全满足工程要求。

关键词:ECCM;可调滤波器;波导腔;耦合带宽法

中图分类号:TP391 文献标识码:A文章编号:1003-3106(2015)04-0053-03

0 引言

在现代电子干扰和电子侦察以及防止其他环境干扰的电子战中,通信系统必须有灵活多变的抗干扰手段,快速改变无线信道或频率是其中之一。因此,可调滤波器、可调双工器便成了系统快速改变通信频道的核心部件与分机,用于提升通信设备的ECCM能力。

目前,对于固定频段腔体滤波器的设计,众多的三维电磁场仿真软件,如:mician、waspnet等给出了设计的集成模型,射频工程师们也在不断提出耦合系数法、散射系数法等一系列简单、操作性强的实践方法。但均无法解决可调滤波器在整个频段范围内的保持带宽恒定、幅频及驻波特性不恶化的现实问题。本文在理论分析的基础上,基于耦合带宽法,通过合理选择滤波器腔间的耦合结构,用HFSS进行三维电磁场仿真分析和优化处理,实现了一种X频段波导形式的可调滤波器的设计,仿真结果表明,完全满足工程要求,性能优良。

1 腔体滤波器工作原理

腔体滤波器作为一种普通的二端口网络,在电路中的作用是有选择性地让某些频段通过或者截止。两路或者多路滤波器可以组成双工器或多工器,达到信号分离或迭加的使用要求,同时有效抑制带外的干扰。

按照频率响应特性,滤波器可以分为4种基本类型:低通滤波器、高通滤波器、带通滤波器和带阻滤波器。

一般通信系统中最为常用的是带通滤波器,只允许有用信号通过,而其余无用信号,无论是本站自干扰信号还是有意干扰信号,均被有效滤除,这对于通信设备的良好接收起到非常重要的作用,是对付电磁干扰的最有效手段。对于可调滤波器来说,不但具有上述特点,而且可以根据频率配置灵活改变通带频率,因此成为军事通信最重要的抗干扰措施之一。

2 滤波器结构选择

按照结构形式,滤波器可以分为交指、梳状线、同轴和波导等形式,波导形式根据端口形状又分为矩形波导、圆波导。这几种形式中波导腔体的尺寸较大,但Q值高,插入损耗小,适合用于设计大功率的射频前端器件。

当谐振腔体内的介质有损耗,或腔壁有损耗时,就成为了有耗谐振腔,定义谐振腔的固有品质因数为:

式中,Wm为第m个模式谐振腔内的总储能;Pm为第m个模式谐振腔内的损耗功率即单位时间内的耗能;ωm为第m个模式的固有频率。

对上式作一简单分析,假设频率一定,传输的功率一定,则可以通过降低功率损耗来提高谐振器的Q值,要想降低谐振器单位长度的损耗功率,应使波导截面的周长尽可能小,同时截面积尽可能大,圆波导就符合这一特点,因此圆波导比矩形波导的Q值要高,而同轴腔谐振器由于内导体的大损耗,与波导谐振器相比,同轴腔谐振器的Q值较低。但圆波导加工实现的难度较大,因此本文选择矩形波导作为滤波器的结构形式。

3 耦合带宽法

所谓的耦合带宽法是基于耦合带宽的概念提出的针对可调滤波器设计方法。

用耦合系数法设计直接耦合腔体带通滤波器时,主要解决以下3个问题:谐振腔的频率、外界Q值和腔间的耦合系数。

关于滤波器的设计理论已经相当成熟,可以很方便地得出以上参数的理论值,然后运用仿真公式,在HFSS中建立模型,仿真并优化后得到最终的设计结果。

实际上,对于耦合带宽法,前2个问题与耦合系数法是一样的,只是设计对象变成了可调滤波器,难度和复杂度均大幅提高。而第3个问题要解决的是全频段内带宽一致的问题,用耦合带宽的概念取代了耦合系数,下面分别对以上3个问题进行阐述:

1谐振器的频率。对于固定腔体滤波器,腔体的尺寸决定了谐振器的频率;而对于可调滤波器就需要建立一种结构,在其他变量固定的情况下,设定一个性能和结构上均容易实现的变量,此变量的变化,用来满足对频率调谐的要求。

2外界Q值。在全频段内,外界端口参数Tmax本身就是常数。这样,可调滤波器的仿真过程,实际上就是在f0任意变化时,通过结构模型中的各个变量的数据处理来“拟合”2个常数真值的过程。

3腔间的耦合参数。对于可调滤波器来说,当中心频率f0在可调范围内连续可变,就需要计算对应于抽样频率的多组耦合参数,然后对这些频率点进行结构仿真和优化,并最终得到整个频段内均符合要求设计结果。

基于这个思路,提出“耦合带宽”的概念,计算公式为:

式中,Jij为腔间耦合系数;f0为对应的谐振频率。当滤波器的驻波带宽Bw一定时,各个耦合带宽Bij成为各个变量优化目标真值。

4 设计实例

4.1指标要求

本文设计的可调滤波器要求的频率调谐范围在7.75~8.55GHz之间,工作带宽要求为50MHz以上,对于偏离中心300MHz的抑制度要求为65dB以上,带内插入损耗要求为1.5dB以下。应用场合在射频前端作为双工收发滤波器,因此会有大功率的要求。

根据上述指标要求,腔体形式选为波导腔,波导型号为BJ84,宽边α=28.499mm,窄边b=12.624mm,滤波器的腔数n根据抑制度的要求选为4。

4.2调谐杆的选择

可调滤波器采用在波导H面(窄边)插入电容销钉来作为调谐杆这样一种E面的不连续性来调整频率,如图1所示。不同的调谐杆的频率调谐范围和覆盖所有频率的调谐行程是保证电调滤波器实现整个设计和减小加工精度要求的关键。

腔体长度选定为f0=8.5GHz时的二分之一波导波长减去两端耦合结构影响的修正量,经过编程计算为19mm。这样建立谐振器模型,仿真得到当调谐杆直径D=5.2mm时,可以满足覆盖全频段的要求,调谐行程约为12mm,对调谐精度的要求不高。D=5.2mm调谐深度和频率关系如图2所示。

4.3耦合结构的选择

在整个调谐范围内,频率从低到高变化,因此选择耦合结构时,需要使得耦合系数的变化与频率的值成反比,从而耦合带宽Bij恒定,达到可调滤波器带宽恒定的目标。

通过分析波导加载理论以及丰富的设计经验,最终选定的腔间耦合结构如图3和图4所示的“齿”、“牙”相间的形式。

4.4仿真结果

按照耦合带宽法,对指标要求的可调滤波器进行理论计算和三维电磁场建模和仿真。其中“齿”、“牙”的宽带为4.4mm,其他的尺寸如图5所示。仿真曲线如图6所示。

结果显示,对于高、中、低3个频点,如上图f=7.8GHz、f=8.15GHz、f=8.5GHz,带宽分别为61MHz、62MHz、61MHz,偏离中心频率300MHz抑制度分别为74dB、67dB和70dB。整个频段内带宽变化≤2MHz,偏离中心频率300MHz的抑制度最小为67dB;由于仿真时选择的导体为理想导体,通带内插入损耗仿真值为0.1dB,所以插入损耗值根据腔体的Q值进行计算,小于1dB。完全满足4.1节指标的要求。

5 结束语

通过论述可调滤波器在通信系统中提高抗干扰能力的需求,讨论了腔体滤波器的工作原理,比较选择了滤波器的腔体结构形式,然后详细论述了设计可调滤波器的耦合带宽法,最后对一个X波段可调滤波器实例进行了设计。相对目前可调滤波器仿真与设计难以达到带宽恒定的现状计的可调滤波器以及提出的设计思路具有良好的应用和参考价值。

开放分享：优质有限元技术文章,助你自学成才