低頻段高抗振大功率濾波器的小型化設(shè)計

摘要：該文設(shè)計了一款電容加載結(jié)構(gòu)的小型化腔體濾波器。諧振器端頭采用圓盤結(jié)構(gòu)的電容加載，并使用四氟乙烯材料在諧振桿中間位置進(jìn)行支撐加固；計算過程中，為三維電磁模型添加了集總端口，與電路模型聯(lián)合仿真進(jìn)行參數(shù)優(yōu)化。通過三維電磁環(huán)境下的功率容量分析，該濾波器滿足大功率指標(biāo)要求。

0 引言

遠(yuǎn)距離微波散射通信系統(tǒng)中，收發(fā)端腔體濾波器需滿足低損耗、高耐受功率的性能要求[1-2]，但其面臨著小型化、快速仿真計算、抗振結(jié)構(gòu)設(shè)計等技術(shù)難點(diǎn)。小型化是腔體濾波器當(dāng)前的重要研究方向，主要通過電容加載的方式縮小濾波器體積[3-5]。由于設(shè)計過程中需要三維電磁仿真，耗時較長，近年來快速設(shè)計方法也成為熱門研究方向[6]。在低頻段的腔體濾波器體積較大，常采用異形的電容加載諧振器結(jié)構(gòu)，該類型諧振器一般呈懸臂結(jié)構(gòu)，且端頭較重，抗振能力較差[7-8]。

本文設(shè)計的交指腔體濾波器，采用圓盤結(jié)構(gòu)電容加載減小諧振器長度，從而實(shí)現(xiàn)了濾波器體積小型化。為了減少設(shè)計過程中的仿真計算時間，采用場路結(jié)合的聯(lián)合仿真方法，將三維電磁仿真結(jié)果導(dǎo)入電路模型進(jìn)行參數(shù)優(yōu)化，縮短研制周期，提高了仿真計算效率。為了改善濾波器抗沖擊振動能力，通過在諧振桿適當(dāng)位置增加四氟乙烯支撐塊，減少諧振桿在振動環(huán)境下的擺動幅度，改善了濾波器抗振能力，并通過了相應(yīng)的環(huán)境試驗(yàn)驗(yàn)證。

1 濾波器方案選擇

本文設(shè)計的濾波器指標(biāo)：P波段15%帶寬；通帶損耗≤0.5 dB；帶外抑制：≥60 dB@DC～150 MHz & 320 MHz～3 GHz，可承受功率大于1 kW。

由上述指標(biāo)分析，其他結(jié)構(gòu)的濾波器，如LC濾波器、介質(zhì)濾波器、聲表面波濾波器等，在P波段體積小，但損耗和功率容量難以達(dá)到指標(biāo)要求，微帶濾波器無法達(dá)到高帶外抑制、低損耗的要求。

根據(jù)《現(xiàn)代微波濾波器結(jié)構(gòu)與設(shè)計》[9]理論，選擇交指結(jié)構(gòu)來實(shí)現(xiàn)這類中等帶寬的腔體濾波器。該結(jié)構(gòu)濾波器由TEM模(即橫電磁波模式)諧振器構(gòu)成，每個諧振元件在中心頻率處約為λ/4(λ為波長)，一端短路，另一端開路。諧振器間的耦合由諧振元件之間的邊緣場完成。

通過微波濾波器設(shè)計理論，計算出截止頻率處對應(yīng)低通原型的歸一化頻率：

(1)

式中：ω為濾波器頻率；ωc為截止頻率；ω0為中心頻率；為相對帶寬。根據(jù)帶外抑制要求，參考契比雪夫?yàn)V波器特性，查表得出本文設(shè)計的濾波器應(yīng)不小于六階。

由于體積的要求，選擇通過在諧振器開路端圓盤電容加載結(jié)構(gòu)[10]，使諧振器長度小于λ/4的理論值，實(shí)現(xiàn)濾波器體積小型化。

2 濾波器仿真設(shè)計

2.1 濾波器結(jié)構(gòu)仿真

通過原型濾波器查表，由下式得到腔體濾波器的相對帶寬(Δω)、耦合系數(shù)(Kij)、邊腔群延時(t1)等參數(shù)：

(2)

(3)

(4)

式中：ω1和ω2為濾波器的通帶邊沿頻率；gi、gj為原型濾波器值。通過式(4)可得t1=12.435 6 ns。表1為原型濾波器值，表2為耦合系數(shù)值。

表1 原型濾波器值

表2 耦合系數(shù)值

通過以上計算參數(shù)，在電磁仿真軟件中建立輸入諧振腔的單腔三維模型。通過選取合適的抽頭線高度，使群時延中心位于通帶中心頻率處，峰值滿足第一級群時延值t1[11]。三維模型及計算結(jié)果如圖1所示。

圖1 濾波器輸入腔仿真模型及曲線

建立兩個相鄰諧振器的三維仿真模型，如圖2所示。經(jīng)過本征模仿真計算，由電磁仿真軟件中的后處理模塊得出諧振器間的耦合系數(shù)。通過調(diào)整諧振器間距，得到不同諧振器間的耦合系數(shù)。

圖2 濾波器相鄰諧振器仿真模型

根據(jù)圖1、2所示結(jié)構(gòu)分析計算出的各參數(shù)值，建立濾波器整體模型，如圖3所示。由于計算輸入群時延及諧振桿間耦合量時，未考慮周邊的諧振柱及空氣腔引起的電磁微擾，因此，建立整體模型后，還需對各尺寸參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化。

圖3 濾波器仿真模型

由于濾波器整體模型結(jié)構(gòu)復(fù)雜，尺寸較大，三維電磁仿真計算時，需要進(jìn)行大量的網(wǎng)格剖分，耗時較長，優(yōu)化效率低。為提高參數(shù)優(yōu)化效率，本文采用場路結(jié)合的聯(lián)合仿真方法，縮短濾波器優(yōu)化的時間。

為了將電磁仿真模型導(dǎo)入電路模型輔助計算，在三維電磁模型中每個諧振器的端頭圓盤處添加1個集總端口，形成帶有2個波端口、6個集總端口的三維模型，三維模型中集總端口設(shè)置如圖4所示。

圖4 諧振器模型添加集總端口

三維電磁仿真計算完成后，通過模塊導(dǎo)入的方式將計算結(jié)果導(dǎo)入電路模型，導(dǎo)入后的完整電路模型如圖5所示。電路模型中的端口1、2分別連接電磁模型中的輸入、輸出波端口，端口3～8分別對應(yīng)各諧振器所添加的集總端口。各諧振器分別與集總電容連接后再接地，圖5中的c1p～c3p為接入到諧振器端口的集總電容，針對諧振器與外殼接地之間的電容進(jìn)行微調(diào)。仿真優(yōu)化后，將原本只能通過電磁仿真的計算結(jié)果，通過電路仿真進(jìn)行優(yōu)化擬合，從而減少了仿真計算時間。

圖5 電路仿真模型

根據(jù)電路模型中的計算結(jié)果和所需的電容值，反饋到三維模型中對諧振桿長度等參數(shù)進(jìn)行調(diào)節(jié)。如果電容值為正，則需增加諧振桿長度；若電容值為負(fù)，則需減少諧振桿長度。最終濾波器S參數(shù)仿真結(jié)果如圖6所示。以上通過三維電磁仿真計算與電路模型參數(shù)優(yōu)化相結(jié)合的方法，達(dá)到了快速設(shè)計的目的。

圖6 濾波器仿真結(jié)果

2.2 濾波器抗振設(shè)計

本文中濾波器采用電容加載結(jié)構(gòu)。諧振桿直徑?7 mm、長約156 mm；諧振柱端頭設(shè)計成直徑?34 mm的加載圓盤，以達(dá)到增大加載面積，減少諧振桿長度的目的。諧振桿單端固定在濾波器殼體上。

由于單個諧振單元質(zhì)量為70 g，沖擊振動環(huán)境下，諧振柱端頭易發(fā)生較大幅度的擺動，嚴(yán)重影響濾波器電性能，甚至可能由于應(yīng)力導(dǎo)致諧振桿彎曲斷裂。

為提高濾波器的抗振性，在諧振器靠近自由端一側(cè)，設(shè)計了四氟乙烯支撐結(jié)構(gòu)，使濾波器具有良好的抗振動沖擊能力，其結(jié)構(gòu)和安裝位置見圖3。

濾波器整體結(jié)構(gòu)設(shè)計中，每個諧振桿都采用支撐塊進(jìn)行加固。在相同振動條件下，未加支撐塊的諧振柱力學(xué)仿真模型分析如圖7所示。如果不增加四氟乙烯支撐柱結(jié)構(gòu)，諧振柱加載圓盤形變量約為2.5 mm，易造成諧振柱低端連接處斷裂，同時還易導(dǎo)致輸入、輸出端相鄰的諧振柱引線斷裂，導(dǎo)致濾波器失效，產(chǎn)生嚴(yán)重后果。

圖7 未加支撐塊的諧振柱力學(xué)仿真

通過仿真優(yōu)化，加支撐塊后諧振柱力學(xué)仿真模型分析如圖8所示。選擇在距離諧振柱底部安裝面120 mm的位置安裝四氟乙烯支撐塊，力學(xué)仿真結(jié)果得出圓盤形變量減少到約0.05 mm，減少了沖擊造成的諧振柱形變，從而提高了濾波器的結(jié)構(gòu)可靠性。

圖8 加支撐塊后諧振柱力學(xué)仿真

隨后加工的濾波器實(shí)物產(chǎn)品，按照GJB360B方法214條件I-B進(jìn)行隨機(jī)振動試驗(yàn)，并順利通過該試驗(yàn)驗(yàn)證，證明了本文設(shè)計的濾波器結(jié)構(gòu)具有較高的抗沖擊振動能力。

2.3 濾波器功率容量分析

濾波器需滿足功率容量大于1 kW的指標(biāo)要求。在電路仿真軟件中建立濾波器的等效電路模型，如圖9所示，輸入功率設(shè)置為單位功率1 W。計算得出各諧振腔的節(jié)點(diǎn)電壓值，利用下式得出儲能最大的諧振單元[12]：

(5)

圖9 濾波器等效電路仿真

式中：W為諧振腔儲能值；V為節(jié)點(diǎn)電壓值(此電壓為與頻率相關(guān)的復(fù)數(shù))；f為頻率。

圖10為各諧振腔儲能曲線。由圖可看出，第3個諧振腔的儲能最大，中心頻率處儲能W3=9.1 nJ。

圖10 諧振節(jié)點(diǎn)儲能計算結(jié)果

在三維電磁仿真軟件中建立第3諧振腔的單腔模型，并進(jìn)行本振模求解。計算完成后，通過編譯程序[13]，使用場計算器計算出諧振腔儲能Wav=2.4×10-18J。圖11為計算界面及結(jié)果。

圖11 諧振腔儲能計算結(jié)果

根據(jù)儲能Wav得到歸一化系數(shù)N1：

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

(6)

將歸一化系數(shù)帶入HFSS場計算中，得到歸一化最大電場Emax=16 656 V/m，如圖12所示。

圖12 諧振腔電場仿真

根據(jù)下式計算出濾波器耐受功率：

Pmax=(2.3×106/Emax)2/W3=2 095 (W)

(7)

通過仿真分析可看出，本文設(shè)計的濾波器具有較大的功率容量，最大可承受2 095 W峰值功率，滿足1 kW的功率指標(biāo)要求。

2.4 濾波器寄生通帶分析

濾波器遠(yuǎn)端帶外抑制要求在0.32～3.00 GHz范圍的諧波抑制在60 dB以上。

由于濾波器采用1/4波長結(jié)構(gòu)，在4倍頻、8倍頻和16倍頻附近有較強(qiáng)的寄生通帶，這些寄生通帶均位于0.32～3.00 GHz，仿真結(jié)果如圖13所示。

圖13 濾波器未采用諧波抑制仿真結(jié)果

為了提高0.32～3.00 GHz內(nèi)的帶外抑制指標(biāo)，在腔體內(nèi)部的輸入接頭處，級聯(lián)了一個大功率LC低通濾波器，對遠(yuǎn)端的諧波起到了很好的抑制作用，達(dá)到了系統(tǒng)帶外抑制的指標(biāo)要求。圖14為級聯(lián)低通濾波器后的仿真結(jié)果。

圖14 濾波器諧波抑制仿真結(jié)果

在抽頭內(nèi)部級聯(lián)LC后，對濾波器駐波影響較大。為平衡級聯(lián)對濾波器駐波帶來的影響，通過對抽頭在第一級諧振柱上的焊點(diǎn)位置進(jìn)行微調(diào)改變耦合量，同時對第一級諧振柱頻率微調(diào)，很好地解決了級聯(lián)對性能的影響。測試結(jié)果如圖15所示，實(shí)測性能與仿真結(jié)果對比，一致性較好，達(dá)到了遠(yuǎn)寄生通帶的設(shè)計要求。

圖15 濾波器諧波抑制測試

3 測試結(jié)果

根據(jù)三維仿真設(shè)計模型，對各結(jié)構(gòu)進(jìn)行加工和組裝調(diào)試。諧振器采用電容加載后，結(jié)構(gòu)較復(fù)雜，機(jī)加難度大。通過對加載圓盤單獨(dú)加工后再焊接在諧振桿上的方法，獨(dú)立完成每個諧振單元的加工和組裝。將四氟乙烯支撐模塊套在諧振桿指定位置上，再由螺釘將諧振桿固定于濾波器殼體壁上。

加工完成后的濾波器照片如圖16所示，外形尺寸為220 mm×170 mm×58 mm。圖17為濾波器的實(shí)測曲線，通帶插損小于0.5 dB，帶內(nèi)幅度波動小于0.2 dB，通帶內(nèi)駐波小于1.5，150 MHz以下帶外抑制大于70 dB。圖15中，320 MHz～3 GHz的帶外抑制達(dá)到70 dB，滿足各項(xiàng)指標(biāo)要求。

圖16 濾波器加工實(shí)物圖

圖17 濾波器測試曲線

4 結(jié)束語

本文設(shè)計了一款工作于P波段的小型化交指腔體濾波器，設(shè)計過程中，將三維電磁仿真結(jié)果代入電路模型聯(lián)合仿真，減少了仿真計算時間，縮短了研制周期；對設(shè)計模型進(jìn)行功率容量分析，本結(jié)構(gòu)的腔體濾波器具有很高的耐受功率；通過增加四氟乙烯支撐結(jié)構(gòu)，對諧振桿進(jìn)行了加固，使濾波器具有較高的抗振能力。實(shí)物產(chǎn)品測試結(jié)果表明，該濾波器插損小、帶外抑制高、功率容量大、寄生通帶抑制遠(yuǎn)。產(chǎn)品已實(shí)現(xiàn)批量供貨，能很好地滿足工程應(yīng)用需求。