平面带通滤波器设计
一设计选题一设计选题选题：平面带通滤波器设计与测量微带基片选择：RO5880板材厚度：0.254mm指标要求：通带范围 12.25GHz-12.75GHz（中心频率 12.5GHz 相对带宽 4%）带内插损 IL 小于 4dB带内反射系数 RL 大于 10dB边带抑制： 13GHz 以上至少抑制 15dB14-16 GHz 抑制 30dB 以上12GHz 以下至少抑制 15dB11GHz 以下至少抑制 40dB8-10GHz 以下至少抑制 50dB在上述指标要求达成的前提下，过渡带宽越窄越好；归一化滤波器的面积越小越好。二基本原理二基本原理2.1 滤波器设计方案的选取滤波器设计方案的选取本次设计的主要评分指标之一为滤波器的选择性，为了实现高选择性的带通滤波器，本文利用源-负载耦合，交叉耦合，以及混合电磁耦合等方式在带外适当位置引入传输零点，从而大大改善了带通滤波器的矩形度。该设计思路优势在于可以方便地调节传输零点的位置，从而改善带通滤波器的矩形度。但是随着滤波器的矩形度不断提高，对于滤波器通带外的抑制也随之恶化，故设计中需要考虑在满足带外抑制要求的前提下尽量使滤波器获得较好的矩形度。另外，滤波器的阶数也会对滤波器的矩形度产生巨大影响。随着滤波器阶数的提高，滤波器的矩形度逐渐改善。但与此同时，滤波器的带内插损也逐渐恶化。故在滤波器的设计过程中需要权衡矩形度与带内插损两个指标要求，选择合适的滤波器阶数。除此之外本次滤波器的设计还需考虑到介质基板板材与厚度的选取对于滤波器性能参数的影响。首先考虑到要求插损越高越好，故选取了损耗正切较小的板材 RO5880，其损耗正切为 0.0009，介电常数为 2.2。板材厚度的选取主要是考虑到了其对于滤波器尺寸以及插损的影响。较薄的介质板可以使滤波器的尺寸进一步减小，但是与此同时，滤波器的插损也会变差。权衡考虑滤波器的尺寸以及插损的要求，本文选取介质基板厚度为 0.254mm。最终，本文采用六阶交叉耦合谐振腔体滤波器设计方案，其基本谐振单元的结构为如图 2.1 所示的半波长开环谐振器。整个滤波器的耦合拓补结构见图 2.2。最终设计得到的滤波器结构如图 2.3 所示。图 2.1 基本谐振单元图 2.2 滤波器耦合拓补结构图 2.3 滤波器整体结构2.2 滤波器的设计步骤滤波器的设计步骤本文的耦合谐振带通滤波器是基于外部品质因数和耦合系数进行设计的。而外部品质因数和耦合系数与所要涉及的滤波器的指标之间有如下关系：式中 FBW 为滤波器的相对带宽，本文所涉及的滤波器要求FBW=4%。,n 为滤波器的阶数，gi为低通滤波器原型的元件值。根据滤波器的综合理论，通过综合给定的滤波器各项指标要求，再结合上式可以得到与该设计指标相对应的耦合矩阵以及源和负载的外部品质因数。根据题目要求运用 MATLAB 程序所综合出的耦合矩阵如下：理想的 S 参数如下3.1 理想 S 参数曲线注意此处计算耦合矩阵时为了考虑边带附近衰减而将通带范围设为 12.2GHz-12.8GHz，相对带宽为 4.8%。关于该耦合矩阵，除第二行第一列与第一行第二列的两个元素表征源端的品质因数，第八行第七列与第七行第八列的两个元素表征负载端外部品质因数外，该矩阵的其他矩阵元素 Sm,n表示的是第 m-1 与第 n-1 个谐振器之间的耦合系数。此外，外部品质因数的计算公式如下：=20(0)4其中 f0表示中心频率，而 d（f0）表示 S11 的群时延峰值处的大小。本文计算得到的外部品质因数为 20.83。三滤波器物理尺寸的提取三滤波器物理尺寸的提取3.1 谐振器之间的耦合系数提取谐振器之间的耦合系数提取从上文给出的滤波器结构中可以发现，谐振器之间存在着多种耦合方式。如谐振器 2 与 5 之间的耦合方式为电耦合；谐振器 3 与4 之间的耦合方式为磁耦合；而其他谐振器之间则表现为电磁混合耦合。对于两个相互耦合的谐振器，由于它们之间的距离不同将会得到不同的耦合系数。谐振器之间的耦合系数关于距离的曲线可以通过 HFSS 软件的全波仿真并结合如下公式来提取。其中 fu与 fl分别表示谐振器的上下谐振频率。根据上文得到的耦合矩阵再结合 HFSS 电磁仿真软件仿真得到的耦合系数关于距离的曲线就可以很方便地确定两个谐振器之间的距离。根据以上方法得到的耦合系数与谐振器间距的关系曲线如下图：图 3.2 谐振器 1，2 之间的耦合图 3.3 谐振器 2，3 之间的耦合图 3.4 谐振器 3，4 之间的耦合图 3.5 谐振器 2，5 之间的耦合由前面的耦合矩阵可知，当 1,2 谐振器之间距离约为0.315mm； 2,3 谐振器之间距离约为 0.5mm；3,4 谐振器之间距离约为 0.61mm 时就能得到满足要求的耦合系数。由前面的耦合矩阵可知谐振器 2 与 5 之间需要达到的耦合系数为-0.0042。图中不好看出其对应的距离，因此该参数通过后期优化来使其达到最佳。3.2 外部品质因数的提取外部品质因数的提取由于调节馈电点的位置可以获得不同的外部品质因数。故而计算出外部品质因数就可以对应地得到馈电点的位置。运用 HFSS 仿真得到的滤波器外部品质因数与馈电点位置之间的关系曲线如下图所示：图 3.6 外部品质因数由前面计算的外部品质因数可得此处对应的馈电点位置约为0.79mm。3.3 总结总结通过以上两步已经提取得到了滤波器的基本结构的物理参数。但是由于所运用的设计方法的系统误差以及考虑到实物的加工精度问题导致的误差，需要对初提取的参数进行优化。最终得到的参数见下表 3.1。表 3.1 优化后的参数设置四四 HFSS 模型及仿真结果模型及仿真结果本次设计所使用的介质基板板材为 RO5880，基板厚度为0.254mm。表面敷铜厚度为 0.018mm 以仿真设计实物的导体损耗。其他参数见表 3.1。最终设计得到的 HFSS 模型如下图：图 4.1 交叉耦合微带滤波器 HFSS 模型对该模型进行仿真得到的结果如下：图 4.2 滤波器的 S 参数图 4.3 S 参数的宽频特性曲线图 4.4 滤波器群时延特性曲从图 4.2 中观察得到的仿真结果与课题要求对比结果见表 4.1：指标指标设计要求设计要求仿真结果仿真结果达标情况达标情况通带范围12.25GHz-12.75GHz12.25GHz-12.75GHz带内插损10dB>14.3dB优于指标13GHz 以 上边带抑制>15dB>34.9dB优于指标14-16GHz 边带抑制>30dB>65.2dB优于指标12GHz 以 下边带抑制>15dB>32.3dB优于指标11GHz 以 下边带抑制>40dB>60.68dB优于指标8-10GHz 边 带抑制>50dB>60.68dB优于指标表 4.1 设计结果达标情况从图 4.3 中可以发现寄申通带位于 25GHz 左右，能够达到实际使用中原理通带的要求，另外仿真结果还显示对于寄申通带的抑制均在 28dB 以下。由于本次设计采用半波长谐振器，故寄申通带出现在二倍频处，且能够得到有效抑制。由于引入了传输零点，故群时延形曲线的对应频率出出现了尖峰。接下来，为了使仿真得到的结果与实测的结果尽可能的接近，接下来给所设计的滤波器外加适当的结构件进行仿真。设计模型如下：图 4.5 加结构件共同仿真模型图仿真后得到的结果如下所示：图 4.6 加结构件共同仿真的 S 参数可以看到，在 19GHz 处出现了谐振，可能是由于结构件的谐振所造成的。可以考虑通过在结构件的顶部附加吸波材料来解决这一问题。我们通过将结构件的上表面设置成辐射边界条件来模拟附加吸波材料的情况，得到的结果如下：图 4.7 结构件顶部设为辐射边界后的 S 参数从结果图可以看出，在结构件顶部增加吸波材料后，19GHz 处的尖峰被有效的消除了。图 4.8 六阶开环滤波器 PCB 版图
