一種可調(diào)濾波器的設計技術(shù)

2016-11-05 by:CAE仿真在線來源:互聯(lián)網(wǎng)

胡娟,王清芬,王燁

(1、中國電子科技集團公司第十五研究所,北京100083;

(2、中國電子科技集團公司第五十四研究所,河北石家莊050081;

(3、西安郵電大學,陜西西安710121

摘要:隨著通信系統(tǒng)對電子反對抗(ECCM)能力的日益提高,可調(diào)頻段的窄帶濾波器成為了一種常用方法。波導腔可調(diào)濾波器因其品質(zhì)因數(shù)高、插入損耗小等特點,在射頻前端應用廣泛。但在高頻段,在可調(diào)頻率范圍內(nèi)設計帶寬恒定、幅頻特性良好的可調(diào)濾波器依然是需要解決的關(guān)鍵技術(shù)之一。通過分析濾波器的工作原理,合理選擇結(jié)構(gòu)形式,基于耦合帶寬法,給出X頻段可調(diào)濾波器的設計實例。結(jié)果表明,該可調(diào)濾波器完全滿足工程要求。

關(guān)鍵詞:ECCM;可調(diào)濾波器;波導腔;耦合帶寬法

中圖分類號:TP391 文獻標識碼:A文章編號:1003-3106(2015)04-0053-03

0 引言

在現(xiàn)代電子干擾和電子偵察以及防止其他環(huán)境干擾的電子戰(zhàn)中,通信系統(tǒng)必須有靈活多變的抗干擾手段,快速改變無線信道或頻率是其中之一。因此,可調(diào)濾波器、可調(diào)雙工器便成了系統(tǒng)快速改變通信頻道的核心部件與分機,用于提升通信設備的ECCM能力。

目前,對于固定頻段腔體濾波器的設計,眾多的三維電磁場仿真軟件,如:mician、waspnet等給出了設計的集成模型,射頻工程師們也在不斷提出耦合系數(shù)法、散射系數(shù)法等一系列簡單、操作性強的實踐方法。但均無法解決可調(diào)濾波器在整個頻段范圍內(nèi)的保持帶寬恒定、幅頻及駐波特性不惡化的現(xiàn)實問題。本文在理論分析的基礎上,基于耦合帶寬法,通過合理選擇濾波器腔間的耦合結(jié)構(gòu),用HFSS進行三維電磁場仿真分析和優(yōu)化處理,實現(xiàn)了一種X頻段波導形式的可調(diào)濾波器的設計,仿真結(jié)果表明,完全滿足工程要求,性能優(yōu)良。

1 腔體濾波器工作原理

腔體濾波器作為一種普通的二端口網(wǎng)絡,在電路中的作用是有選擇性地讓某些頻段通過或者截止。兩路或者多路濾波器可以組成雙工器或多工器,達到信號分離或迭加的使用要求,同時有效抑制帶外的干擾。

按照頻率響應特性,濾波器可以分為4種基本類型:低通濾波器、高通濾波器、帶通濾波器和帶阻濾波器。

一般通信系統(tǒng)中最為常用的是帶通濾波器,只允許有用信號通過,而其余無用信號,無論是本站自干擾信號還是有意干擾信號,均被有效濾除,這對于通信設備的良好接收起到非常重要的作用,是對付電磁干擾的最有效手段。對于可調(diào)濾波器來說,不但具有上述特點,而且可以根據(jù)頻率配置靈活改變通帶頻率,因此成為軍事通信最重要的抗干擾措施之一。

2 濾波器結(jié)構(gòu)選擇

按照結(jié)構(gòu)形式,濾波器可以分為交指、梳狀線、同軸和波導等形式,波導形式根據(jù)端口形狀又分為矩形波導、圓波導。這幾種形式中波導腔體的尺寸較大,但Q值高,插入損耗小,適合用于設計大功率的射頻前端器件。

當諧振腔體內(nèi)的介質(zhì)有損耗,或腔壁有損耗時,就成為了有耗諧振腔,定義諧振腔的固有品質(zhì)因數(shù)為:

式中,Wm為第m個模式諧振腔內(nèi)的總儲能;Pm為第m個模式諧振腔內(nèi)的損耗功率即單位時間內(nèi)的耗能;ωm為第m個模式的固有頻率。

對上式作一簡單分析,假設頻率一定,傳輸?shù)墓β室欢?則可以通過降低功率損耗來提高諧振器的Q值,要想降低諧振器單位長度的損耗功率,應使波導截面的周長盡可能小,同時截面積盡可能大,圓波導就符合這一特點,因此圓波導比矩形波導的Q值要高,而同軸腔諧振器由于內(nèi)導體的大損耗,與波導諧振器相比,同軸腔諧振器的Q值較低。但圓波導加工實現(xiàn)的難度較大,因此本文選擇矩形波導作為濾波器的結(jié)構(gòu)形式。

3 耦合帶寬法

所謂的耦合帶寬法是基于耦合帶寬的概念提出的針對可調(diào)濾波器設計方法。

用耦合系數(shù)法設計直接耦合腔體帶通濾波器時,主要解決以下3個問題:諧振腔的頻率、外界Q值和腔間的耦合系數(shù)。

關(guān)于濾波器的設計理論已經(jīng)相當成熟,可以很方便地得出以上參數(shù)的理論值,然后運用仿真公式,在HFSS中建立模型,仿真并優(yōu)化后得到最終的設計結(jié)果。

實際上,對于耦合帶寬法,前2個問題與耦合系數(shù)法是一樣的,只是設計對象變成了可調(diào)濾波器,難度和復雜度均大幅提高。而第3個問題要解決的是全頻段內(nèi)帶寬一致的問題,用耦合帶寬的概念取代了耦合系數(shù),下面分別對以上3個問題進行闡述:

1諧振器的頻率。對于固定腔體濾波器,腔體的尺寸決定了諧振器的頻率;而對于可調(diào)濾波器就需要建立一種結(jié)構(gòu),在其他變量固定的情況下,設定一個性能和結(jié)構(gòu)上均容易實現(xiàn)的變量,此變量的變化,用來滿足對頻率調(diào)諧的要求。

2外界Q值。在全頻段內(nèi),外界端口參數(shù)Tmax本身就是常數(shù)。這樣,可調(diào)濾波器的仿真過程,實際上就是在f0任意變化時,通過結(jié)構(gòu)模型中的各個變量的數(shù)據(jù)處理來“擬合”2個常數(shù)真值的過程。

3腔間的耦合參數(shù)。對于可調(diào)濾波器來說,當中心頻率f0在可調(diào)范圍內(nèi)連續(xù)可變,就需要計算對應于抽樣頻率的多組耦合參數(shù),然后對這些頻率點進行結(jié)構(gòu)仿真和優(yōu)化,并最終得到整個頻段內(nèi)均符合要求設計結(jié)果。

基于這個思路,提出“耦合帶寬”的概念,計算公式為:

式中,Jij為腔間耦合系數(shù);f0為對應的諧振頻率。當濾波器的駐波帶寬Bw一定時,各個耦合帶寬Bij成為各個變量優(yōu)化目標真值。

4 設計實例

4.1指標要求

本文設計的可調(diào)濾波器要求的頻率調(diào)諧范圍在7.75~8.55GHz之間,工作帶寬要求為50MHz以上,對于偏離中心300MHz的抑制度要求為65dB以上,帶內(nèi)插入損耗要求為1.5dB以下。應用場合在射頻前端作為雙工收發(fā)濾波器,因此會有大功率的要求。

根據(jù)上述指標要求,腔體形式選為波導腔,波導型號為BJ84,寬邊α=28.499mm,窄邊b=12.624mm,濾波器的腔數(shù)n根據(jù)抑制度的要求選為4。

4.2調(diào)諧桿的選擇

可調(diào)濾波器采用在波導H面(窄邊)插入電容銷釘來作為調(diào)諧桿這樣一種E面的不連續(xù)性來調(diào)整頻率,如圖1所示。不同的調(diào)諧桿的頻率調(diào)諧范圍和覆蓋所有頻率的調(diào)諧行程是保證電調(diào)濾波器實現(xiàn)整個設計和減小加工精度要求的關(guān)鍵。

腔體長度選定為f0=8.5GHz時的二分之一波導波長減去兩端耦合結(jié)構(gòu)影響的修正量,經(jīng)過編程計算為19mm。這樣建立諧振器模型,仿真得到當調(diào)諧桿直徑D=5.2mm時,可以滿足覆蓋全頻段的要求,調(diào)諧行程約為12mm,對調(diào)諧精度的要求不高。D=5.2mm調(diào)諧深度和頻率關(guān)系如圖2所示。

4.3耦合結(jié)構(gòu)的選擇

在整個調(diào)諧范圍內(nèi),頻率從低到高變化,因此選擇耦合結(jié)構(gòu)時,需要使得耦合系數(shù)的變化與頻率的值成反比,從而耦合帶寬Bij恒定,達到可調(diào)濾波器帶寬恒定的目標。

通過分析波導加載理論以及豐富的設計經(jīng)驗,最終選定的腔間耦合結(jié)構(gòu)如圖3和圖4所示的“齒”、“牙”相間的形式。

4.4仿真結(jié)果

按照耦合帶寬法,對指標要求的可調(diào)濾波器進行理論計算和三維電磁場建模和仿真。其中“齒”、“牙”的寬帶為4.4mm,其他的尺寸如圖5所示。仿真曲線如圖6所示。

結(jié)果顯示,對于高、中、低3個頻點,如上圖f=7.8GHz、f=8.15GHz、f=8.5GHz,帶寬分別為61MHz、62MHz、61MHz,偏離中心頻率300MHz抑制度分別為74dB、67dB和70dB。整個頻段內(nèi)帶寬變化≤2MHz,偏離中心頻率300MHz的抑制度最小為67dB;由于仿真時選擇的導體為理想導體,通帶內(nèi)插入損耗仿真值為0.1dB,所以插入損耗值根據(jù)腔體的Q值進行計算,小于1dB。完全滿足4.1節(jié)指標的要求。

5 結(jié)束語

通過論述可調(diào)濾波器在通信系統(tǒng)中提高抗干擾能力的需求,討論了腔體濾波器的工作原理,比較選擇了濾波器的腔體結(jié)構(gòu)形式,然后詳細論述了設計可調(diào)濾波器的耦合帶寬法,最后對一個X波段可調(diào)濾波器實例進行了設計。相對目前可調(diào)濾波器仿真與設計難以達到帶寬恒定的現(xiàn)狀計的可調(diào)濾波器以及提出的設計思路具有良好的應用和參考價值。

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