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1 基于 ANSOFT HFSS 软件的波导低通滤波器的仿真和设计 [ 王群杰 ] [ 中国电子科技集团公司第 38 研究所,30088] [ 摘要 ] 该文章提出了一种小型化的波导漏壁式低通滤波器的结构原型, 介绍了该滤波器的结构形式以 及分析和设计方法, 并且设计加工了一个 S 波段波导漏壁式低通滤波器, 给出了仿真结果和 实验结果, 验证了该方法的可行性 [ 关键词 ] 波导低通滤波器损耗 Simulation and Design of Waveguide Low-Pass Filters Based on ANSOFT HFSS [Wang Qunjie] [CETC 38, 30088] [ Abstract ] This paper presented the prototype of a miniaturized leaky-wall low-pass waveguide filter. The structure of the waveguide filter is proposed in this paper, and the design and analysis methods are also given. An S-band leaky-wall low-pass waveguide filter is designed and fabricated. Furthermore, the experiment results are given showing perfect features, which verify the design validity. [ Keyword ] WAVEGUIDE, LOSS-PASS FILTER, LOSS 1 引言 波导低通滤波器的结构形式有很多种, 本文中的波导低通滤波器的结构形式是漏壁式 [1] 滤波器, 它是一种应用较广的大功率吸收式滤波器, 其工作原理是在主波导的四个壁上分别开有六排耦合孔, 每个孔分别与对应的小波导相连, 各小波导的终端均接以吸收负载 这些耦合孔 小波导及其负载的作用就是将主波导中可能传播的高次谐波给耦合并吸收掉, 使主波导中的主波以较小的衰减通过, 从而在主波导的输出端口, 只有主波传输, 而各高次谐波都有很大衰减 文献 [1] [] 中采用这种传统的漏壁式的结构形式设计了 S 和 C 波段的谐波滤波器, 它们主要是抑制二次谐波, 分别能够抑制 70dB [1] 和 50dB [], 并且每排耦合孔的数量分别为 [1] [] 7 个和 60 个 耦合孔数量多, 则带外抑制的衰减大, 但是总长度增加, 加工制造的难度和成本变大 本文是在传统的漏壁式的结构形式基础上, 进行了小型化设计, 去掉了主波导窄边的耦合孔以及小波导, 同时减少了耦合孔的数量, 每排耦合孔的数量只有 40 个, 缩短了总长

2 度, 使其结构更加紧凑, 易于加工制造 并且能够抑制的不仅仅是二次谐波, 而是一个非常宽的频带, 它的工作频段为 S 波段, 能够抑制的频带为 3.1GHz 7.6GHz, 带外抑制的幅度为 17~30dB 结构形式 本文对传统的波导漏壁式低通滤波器进行了小型化设计, 其结构形式图见图 1, 它去掉了波导窄边的耦合孔 小波导及其负载, 使得其对高频端的抑制度降低 并且因为缩短了它得总长度, 使其波导宽边的耦合孔的数量减少 这虽然可以使其通带损耗减少, 但同时也使其带外总的抑制度不高 这些限制增大了波导漏壁式低通滤波器的设计难度, 这就需要精心设计该滤波器的耦合孔尺寸 间距以及在主波导中的位置 小波导的尺寸和长度 负载的频带特性等等 由于波导漏壁式低通滤波器结构复杂, 解析的分析很困难, 可使用商用软件 ANSOFT HFSS 进行仿真设计 在设计中, 可以先利用基于 HFSS 的波导裂缝有源阻抗的计算方法提取滤波器耦合孔的等效阻抗参数, 再进行整体的优化计算 图 1 3 分析和设计方法 波导漏壁式低通滤波器的结构可以看成是由一排排连续的 等间隔的耦合孔所组成, 对这种滤波器的主要分析和设计方法是 : 首先使用三维有限元仿真分析软件 ANSOFT HFSS, 计算出单个耦合孔的等效阻抗 ; 其次再使用迭代法, 计算考虑互耦的等效阻抗值 ; 最后使用等效阻抗和级联网络传递矩阵乘积原理, 简化计算滤波器损耗和带外抑制 根据滤波器损耗和带外抑制的指标特性能否达到要求, 再来改变耦合孔尺寸等参数进行优化设计 3.1 单个耦合孔的等效阻抗 图 单个耦合孔的等效电路图

3 首先, 对于单个的耦合孔, 其整个的传输矩阵如下式 : ( 1 )( 1 ) ( 1 )( 1 ) + S11 S + S1S + S11 + S S1 S cosβlp jsinβlp 1 z cosβlp jsinβl p jsin βlp cos βl p 0 1 jsin βlp cos βl = p ( 1 S11)( 1 S ) S1S ( 1 S11)( 1+ S ) + S1 S (1) 其中,z 是耦合孔的归一化阻抗,β 是波导无耗的传播常数, L p 是端口到耦合孔中心 的距离 S 11, S 1, S, S 是模型的 S 矩阵中的参量, 这些 S 矩阵中的参量可通过 HFSS 仿真计算得出 单个耦合孔的归一化阻抗可由下式求得 : ( 1 )( 1 ) ( 1 )( 1 ) + S S + SS + S + S SS 1 z cos βl jsin βl cosβl jsin βl 0 1 = jsin βlp cos βl p ( 1 S11)( 1 S ) SS 1 ( 1 S11)( 1 S ) SS jsin βl cos 1 p βl + + p p p p p () 3. 多个耦合孔的等效阻抗 图 3 多个耦合孔等效电路图 对于多个耦合孔的情况, 单个传输单元为 : 1 z cosβl jsinβl ai = 0 1 jsinβl cosβl (3) 整个模型的传输矩阵为 : cos βl jsin βl cos βl jsin βl a = Lp Lp a1 a... a Lp Lp N j sin βllp cos βl Lp jsin βllp cos βl Lp (4) 根据 S 参数矩阵和 A 矩阵的关系可得 : S = ( 其中 S 由 HFSS 仿真得到 ) A + B+ C+ D

4 令 f ( z) = S, 求解耦合孔的阻抗值, 既是求解 f ( z ) = 0的根 以单个 A + B + C + D 耦合缝的阻抗值作为初值, 可利用牛顿迭代法求解考虑了互耦的耦合孔阻抗值 3.3 计算滤波器损耗和带外抑制 在求得精确的等效阻抗值后, 可利用 (4) 式计算出整个模型的 A 矩阵, 再利用下式 计算带外抑制和反射损耗 : ( ) Loss db S 1 A+ B+ C + D = 10log 10log = S 4 + A + B+ C+ D 11 ( db) = 10log A B C D (5) (6) 4 仿真和实验结果 首先可以在工作站上运用三维有限元方法, 利用高频结构仿真软件 ANSOFT HFSS 可对小型化的波导漏壁式低通滤波器进行精确的仿真分析和优化设计, 其模型的结构形式如图 4, 仿真结果为 : 通带损耗小于 0.04dB, 通带驻波小于 1.13, 带外抑制为 : 9.6dB ( GHz);17dB( GHz);0dB( GHz) 根据仿真设计的结果, 按照上述方法加工制作了一个 S 波段小型化的波导漏壁式低通滤波器, 其实物外形图见图 5, 实测结果如下 : 通带损耗小于 0.15dB, 通带驻波小于 1.15, 带外抑制为 : 30dB( GHz); 17dB( GHz); 0dB( GHz) 仿真设计结果与实际测试结果基本吻合 图 4 仿真模型图 图 5 实物图

5 图 6 仿真驻波 图 7 仿真损耗 图 8 仿真带外抑制 图 9 实测驻波 图 10 实测损耗 图 11 实测带外抑制 5 结束语 本文介绍了一种小型化的波导漏壁式低通滤波器的设计方法, 该波导漏壁式滤波器与传统的波导漏壁式滤波器相比较, 具有带外抑制的频带更宽, 同时具有更小的体积 结构更加紧凑的优点, 仿真结果与实际测试结果相吻合 目前这种滤波器已在工程实践中得到了应用, 并取得了良好的效果 该设计方法具有一定的工程参考价值 [ 参考文献 ] [1] 甘本袯, 吴万春 现代滤波器结构与设计 科学出版社 1973 [] 沈金泉, 卫健. C 波段波导谐波滤波器 [J]. 微波学报,005, (1):50-53

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