一種可調濾波器的設計技術

2016-11-05 by:CAE仿真在線來源:互聯網

一種可調濾波器的設計技術

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

關鍵詞:ECCM;可調濾波器;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

在現代電子干擾和電子偵察以及防止其他環境干擾的電子戰中,通信系統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,可調濾波器、可調雙工器便成了系統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法、散射系數法等一系列簡單、操作性強的實踐方法。但均無法解決可調濾波器在整個頻段范圍內的保持帶寬恒定、幅頻及駐波特性不惡化的現實問題。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構,用HFSS進行三維電磁場仿真分析和優化處理,實現了一種X頻段波導形式的可調濾波器的設計,仿真結果表明,完全滿足工程要求,性能優良。

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。對于可調濾波器來說,不但具有上述特點,而且可以根據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 濾波器結構選擇

按照結構形式,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。

當諧振腔體內的介質有損耗,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因數為:

式中,Wm為第m個模式諧振腔內的總儲能;Pm為第m個模式諧振腔內的損耗功率即單位時間內的耗能;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,傳輸的功率一定,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。但圓波導加工實現的難度較大,因此本文選擇矩形波導作為濾波器的結構形式。

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濾波器設計方法。

用耦合系數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。

關于濾波器的設計理論已經相當成熟,可以很方便地得出以上參數的理論值,然后運用仿真公式,在HFSS中建立模型,仿真并優化后得到最終的設計結果。

實際上,對于耦合帶寬法,前2個問題與耦合系數法是一樣的,只是設計對象變成了可調濾波器,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帶寬一致的問題,用耦合帶寬的概念取代了耦合系數,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;而對于可調濾波器就需要建立一種結構,在其他變量固定的情況下,設定一個性能和結構上均容易實現的變量,此變量的變化,用來滿足對頻率調諧的要求。

2外界Q值。在全頻段內,外界端口參數Tmax本身就是常數。這樣,可調濾波器的仿真過程,實際上就是在f0任意變化時,通過結構模型中的各個變量的數據處理來“擬合”2個常數真值的過程。

3腔間的耦合參數。對于可調濾波器來說,當中心頻率f0在可調范圍內連續可變,就需要計算對應于抽樣頻率的多組耦合參數,然后對這些頻率點進行結構仿真和優化,并最終得到整個頻段內均符合要求設計結果。

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;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成為各個變量優化目標真值。

4 設計實例

4.1指標要求

本文設計的可調濾波器要求的頻率調諧范圍在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濾波器,因此會有大功率的要求。

根據上述指標要求,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n根據抑制度的要求選為4。

4.2調諧桿的選擇

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

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構影響的修正量,經過編程計算為19mm。這樣建立諧振器模型,仿真得到當調諧桿直徑D=5.2mm時,可以滿足覆蓋全頻段的要求,調諧行程約為12mm,對調諧精度的要求不高。D=5.2mm調諧深度和頻率關系如圖2所示。

4.3耦合結構的選擇

在整個調諧范圍內,頻率從低到高變化,因此選擇耦合結構時,需要使得耦合系數的變化與頻率的值成反比,從而耦合帶寬Bij恒定,達到可調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驗,最終選定的腔間耦合結構如圖3和圖4所示的“齒”、“牙”相間的形式。

4.4仿真結果

按照耦合帶寬法,對指標要求的可調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,通帶內插入損耗仿真值為0.1dB,所以插入損耗值根據腔體的Q值進行計算,小于1dB。完全滿足4.1節指標的要求。

5 結束語

通過論述可調濾波器在通信系統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構形式,然后詳細論述了設計可調濾波器的耦合帶寬法,最后對一個X波段可調濾波器實例進行了設計。相對目前可調濾波器仿真與設計難以達到帶寬恒定的現狀計的可調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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