低频段高抗振大功率滤波器的小型化设计

0 引言

远距离微波散射通信系统中，收发端腔体滤波器需满足低损耗、高耐受功率的性能要求[1-2]，但其面临着小型化、快速仿真计算、抗振结构设计等技术难点。小型化是腔体滤波器当前的重要研究方向，主要通过电容加载的方式缩小滤波器体积[3-5]。由于设计过程中需要三维电磁仿真，耗时较长，近年来快速设计方法也成为热门研究方向[6]。在低频段的腔体滤波器体积较大，常采用异形的电容加载谐振器结构，该类型谐振器一般呈悬臂结构，且端头较重，抗振能力较差[7-8]。

本文设计的交指腔体滤波器，采用圆盘结构电容加载减小谐振器长度，从而实现了滤波器体积小型化。为了减少设计过程中的仿真计算时间，采用场路结合的联合仿真方法，将三维电磁仿真结果导入电路模型进行参数优化，缩短研制周期，提高了仿真计算效率。为了改善滤波器抗冲击振动能力，通过在谐振杆适当位置增加四氟乙烯支撑块，减少谐振杆在振动环境下的摆动幅度，改善了滤波器抗振能力，并通过了相应的环境试验验证。

1 滤波器方案选择

本文设计的滤波器指标：P波段15%带宽；通带损耗≤0.5 dB；带外抑制：≥60 dB@DC～150 MHz & 320 MHz～3 GHz，可承受功率大于1 kW。

由上述指标分析，其他结构的滤波器，如LC滤波器、介质滤波器、声表面波滤波器等，在P波段体积小，但损耗和功率容量难以达到指标要求，微带滤波器无法达到高带外抑制、低损耗的要求。

根据《现代微波滤波器结构与设计》[9]理论，选择交指结构来实现这类中等带宽的腔体滤波器。该结构滤波器由TEM模(即横电磁波模式)谐振器构成，每个谐振元件在中心频率处约为λ/4(λ为波长)，一端短路，另一端开路。谐振器间的耦合由谐振元件之间的边缘场完成。

通过微波滤波器设计理论，计算出截止频率处对应低通原型的归一化频率：

(1)

式中：ω为滤波器频率；ωc为截止频率；ω0为中心频率；为相对带宽。根据带外抑制要求，参考契比雪夫滤波器特性，查表得出本文设计的滤波器应不小于六阶。

由于体积的要求，选择通过在谐振器开路端圆盘电容加载结构[10]，使谐振器长度小于λ/4的理论值，实现滤波器体积小型化。

2 滤波器仿真设计

2.1 滤波器结构仿真

通过原型滤波器查表，由下式得到腔体滤波器的相对带宽(Δω)、耦合系数(Kij)、边腔群延时(t1)等参数：

(2)

(3)

(4)

式中：ω1和ω2为滤波器的通带边沿频率；gi、gj为原型滤波器值。通过式(4)可得t1=12.435 6 ns。表1为原型滤波器值，表2为耦合系数值。

表1 原型滤波器值

表2 耦合系数值

通过以上计算参数，在电磁仿真软件中建立输入谐振腔的单腔三维模型。通过选取合适的抽头线高度，使群时延中心位于通带中心频率处，峰值满足第一级群时延值t1[11]。三维模型及计算结果如图1所示。

图1 滤波器输入腔仿真模型及曲线

建立两个相邻谐振器的三维仿真模型，如图2所示。经过本征模仿真计算，由电磁仿真软件中的后处理模块得出谐振器间的耦合系数。通过调整谐振器间距，得到不同谐振器间的耦合系数。

图2 滤波器相邻谐振器仿真模型

根据图1、2所示结构分析计算出的各参数值，建立滤波器整体模型，如图3所示。由于计算输入群时延及谐振杆间耦合量时，未考虑周边的谐振柱及空气腔引起的电磁微扰，因此，建立整体模型后，还需对各尺寸参数进行优化。

图3 滤波器仿真模型

由于滤波器整体模型结构复杂，尺寸较大，三维电磁仿真计算时，需要进行大量的网格剖分，耗时较长，优化效率低。为提高参数优化效率，本文采用场路结合的联合仿真方法，缩短滤波器优化的时间。

为了将电磁仿真模型导入电路模型辅助计算，在三维电磁模型中每个谐振器的端头圆盘处添加1个集总端口，形成带有2个波端口、6个集总端口的三维模型，三维模型中集总端口设置如图4所示。

图4 谐振器模型添加集总端口

三维电磁仿真计算完成后，通过模块导入的方式将计算结果导入电路模型，导入后的完整电路模型如图5所示。电路模型中的端口1、2分别连接电磁模型中的输入、输出波端口，端口3～8分别对应各谐振器所添加的集总端口。各谐振器分别与集总电容连接后再接地，图5中的c1p～c3p为接入到谐振器端口的集总电容，针对谐振器与外壳接地之间的电容进行微调。仿真优化后，将原本只能通过电磁仿真的计算结果，通过电路仿真进行优化拟合，从而减少了仿真计算时间。

图5 电路仿真模型

根据电路模型中的计算结果和所需的电容值，反馈到三维模型中对谐振杆长度等参数进行调节。如果电容值为正，则需增加谐振杆长度；若电容值为负，则需减少谐振杆长度。最终滤波器S参数仿真结果如图6所示。以上通过三维电磁仿真计算与电路模型参数优化相结合的方法，达到了快速设计的目的。

图6 滤波器仿真结果

2.2 滤波器抗振设计

本文中滤波器采用电容加载结构。谐振杆直径∅7 mm、长约156 mm；谐振柱端头设计成直径∅34 mm的加载圆盘，以达到增大加载面积，减少谐振杆长度的目的。谐振杆单端固定在滤波器壳体上。

由于单个谐振单元质量为70 g，冲击振动环境下，谐振柱端头易发生较大幅度的摆动，严重影响滤波器电性能，甚至可能由于应力导致谐振杆弯曲断裂。

为提高滤波器的抗振性，在谐振器靠近自由端一侧，设计了四氟乙烯支撑结构，使滤波器具有良好的抗振动冲击能力，其结构和安装位置见图3。

滤波器整体结构设计中，每个谐振杆都采用支撑块进行加固。在相同振动条件下，未加支撑块的谐振柱力学仿真模型分析如图7所示。如果不增加四氟乙烯支撑柱结构，谐振柱加载圆盘形变量约为2.5 mm，易造成谐振柱低端连接处断裂，同时还易导致输入、输出端相邻的谐振柱引线断裂，导致滤波器失效，产生严重后果。

图7 未加支撑块的谐振柱力学仿真

通过仿真优化，加支撑块后谐振柱力学仿真模型分析如图8所示。选择在距离谐振柱底部安装面120 mm的位置安装四氟乙烯支撑块，力学仿真结果得出圆盘形变量减少到约0.05 mm，减少了冲击造成的谐振柱形变，从而提高了滤波器的结构可靠性。

图8 加支撑块后谐振柱力学仿真

随后加工的滤波器实物产品，按照GJB360B方法214条件I-B进行随机振动试验，并顺利通过该试验验证，证明了本文设计的滤波器结构具有较高的抗冲击振动能力。

2.3 滤波器功率容量分析

滤波器需满足功率容量大于1 kW的指标要求。在电路仿真软件中建立滤波器的等效电路模型，如图9所示，输入功率设置为单位功率1 W。计算得出各谐振腔的节点电压值，利用下式得出储能最大的谐振单元[12]：

(5)

图9 滤波器等效电路仿真

式中：W为谐振腔储能值；V为节点电压值(此电压为与频率相关的复数)；f为频率。

图10为各谐振腔储能曲线。由图可看出，第3个谐振腔的储能最大，中心频率处储能W3=9.1 nJ。

图10 谐振节点储能计算结果

在三维电磁仿真软件中建立第3谐振腔的单腔模型，并进行本振模求解。计算完成后，通过编译程序[13]，使用场计算器计算出谐振腔储能Wav=2.4×10-18 J。图11为计算界面及结果。

图11 谐振腔储能计算结果

根据储能Wav得到归一化系数N1：

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

(6)

将归一化系数带入HFSS场计算中，得到归一化最大电场Emax=16 656 V/m，如图12所示。

图12 谐振腔电场仿真

根据下式计算出滤波器耐受功率：

Pmax=(2.3×106/Emax)2/W3=2 095 (W)

(7)

通过仿真分析可看出，本文设计的滤波器具有较大的功率容量，最大可承受2 095 W峰值功率，满足1 kW的功率指标要求。

2.4 滤波器寄生通带分析

滤波器远端带外抑制要求在0.32～3.00 GHz范围的谐波抑制在60 dB以上。

由于滤波器采用1/4波长结构，在4倍频、8倍频和16倍频附近有较强的寄生通带，这些寄生通带均位于0.32～3.00 GHz，仿真结果如图13所示。

图13 滤波器未采用谐波抑制仿真结果

为了提高0.32～3.00 GHz内的带外抑制指标，在腔体内部的输入接头处，级联了一个大功率LC低通滤波器，对远端的谐波起到了很好的抑制作用，达到了系统带外抑制的指标要求。图14为级联低通滤波器后的仿真结果。

图14 滤波器谐波抑制仿真结果

在抽头内部级联LC后，对滤波器驻波影响较大。为平衡级联对滤波器驻波带来的影响，通过对抽头在第一级谐振柱上的焊点位置进行微调改变耦合量，同时对第一级谐振柱频率微调，很好地解决了级联对性能的影响。测试结果如图15所示，实测性能与仿真结果对比，一致性较好，达到了远寄生通带的设计要求。

图15 滤波器谐波抑制测试

3 测试结果

根据三维仿真设计模型，对各结构进行加工和组装调试。谐振器采用电容加载后，结构较复杂，机加难度大。通过对加载圆盘单独加工后再焊接在谐振杆上的方法，独立完成每个谐振单元的加工和组装。将四氟乙烯支撑模块套在谐振杆指定位置上，再由螺钉将谐振杆固定于滤波器壳体壁上。

加工完成后的滤波器照片如图16所示，外形尺寸为220 mm×170 mm×58 mm。图17为滤波器的实测曲线，通带插损小于0.5 dB，带内幅度波动小于0.2 dB，通带内驻波小于1.5，150 MHz以下带外抑制大于70 dB。图15中，320 MHz～3 GHz的带外抑制达到70 dB，满足各项指标要求。

图16 滤波器加工实物图

图17 滤波器测试曲线

4 结束语

本文设计了一款工作于P波段的小型化交指腔体滤波器，设计过程中，将三维电磁仿真结果代入电路模型联合仿真，减少了仿真计算时间，缩短了研制周期；对设计模型进行功率容量分析，本结构的腔体滤波器具有很高的耐受功率；通过增加四氟乙烯支撑结构，对谐振杆进行了加固，使滤波器具有较高的抗振能力。实物产品测试结果表明，该滤波器插损小、带外抑制高、功率容量大、寄生通带抑制远。产品已实现批量供货，能很好地满足工程应用需求。