HFSS腔体滤波器设计方法

design

　　1研究背景
　　对于无线通信系统而言，滤波器是一种至关重要的微波射频器件，它的使用对于分离频谱信息、提高通信质量、防止信号串扰有着十分重要的意义，而广泛应用于雷达、卫星、舰船、移动通信和广播电视等军事和民用无线通信系统的射频前端。在电磁环境日益复杂和频谱范围日益拥挤的今天，实现选频和去噪等重要功能的微波滤波器越来越受到研究者的重视。

　　伴随着仿真工具的日渐成熟和普遍运用，各种滤波器综合优化算法与电磁仿真软件有机融合，产生了诸如空间映射算法、等波纹近似优化等崭新而快捷的分析和优化方法，大大提高了滤波器设计者的工作效率。但各种基于空问映射及其混合算法的滤波器优化算法形式各异，适用范围有限。基于场与路的协同仿真技术，艺术性地将各种软件有机的结台，发挥各自的特长，给器件的全波仿真提供了新的思路。

　　在实际的应用过程中，最具代表性的应属HFSS。其分析计算的理论基础就是数值法中的有限元法，其有限的划分单元是三棱体，通过它的自适应网格技术和强大的图形界面，从理论上来说它可以解决几乎所有的3D问题，如S参数，谐振频率和任意点的电磁场大小等。并且它具有完善的优化功能，设置合适的优化目标，就能自动达到满意的设计结果。

　　2HFSS设计腔体滤波器的步骤
　　(1)通过HFSS单腔模型仿真来确定谐振腔、加载情况，使得单腔本征模频率在所需值附近;
　　(2)通过HFSS两腔模型本征模仿真确定腔间耦合结构的形状和尺寸;
　　(3)通过HFSS单腔加激励端口确定输入输出耦合的形式和大小;
　　(4)综上，建立整体模型，并进行优化仿真，得到最终的设计。
　　在进行建模仿真之前，需要进行计算。通过滤波器设计理论、经验以及所需滤波器的使用频段，承受功率、重量和体积等来确定合适的腔体大小、腔数得到腔间耦合系数和外界Q值的理论值。


　　3.各谐振腔的结构初值
　　滤波器的整体仿真时，各谐振腔的结构初值可以采用耦合系数本征模仿真以及外界Q值仿真时对应的值。如果是窄带调谐滤波器(3%以内)，上述值就可以作为最终尺寸;如果带宽在5%以上，要达到免调谐的目的，每个谐振腔的准确值，需要通过整体的仿真优化最终确定。使用HFSS进行仿真设计与经典的设计方法相比，适用的范围宽，结构选择灵活多样，而且它的仿真结果与实际的结果非常吻合，当工艺精度达到要求时，计算结果可以直接用于加工，缩短了研制周期，大大减低了材料成本、人力消耗。一旦掌握还会大大降低设计难度，使腔体滤波器的设计水平得到质的飞跃。

　　3设计实例本实例的中心频率40 MHz，相对带宽2.5%，带内驻波比1.3，它的特点是频率低，承受功率大，并且体积要求相对要小。如果采用传统的方法，就要求有足够的理论基础和实践经验，选择合适的腔体，由经典公式近似计算的腔间耦合孔的大小，经过多次加工样机，反复调整耦合窗和输入输出耦合的大小，最终才能得到需要的结果。它的准确度以及从研制到生产的周期无法预计。

　　按照上述方法，用HFSS进行仿真，很快就可得到比较满意的结果。通过HFSS整体建模，并优化仿真。滤波器剖面图如图2所示。

　　由图3可看到仿真结果近似满足设计指标。f=39.7 MHz，相对带宽为2.85%，与实际要求略有差别，但基本符合要求。由于需要的相对带宽比较小，且滤波器体积较大，需要划分的网格要细、要多。因此要想得到比较理想的带内驻波，第一目前的计算机能力不够，第二所需运算时间过长。而对于可调谐滤波器这个问题可以通过调试的方式解决。对于本例实测结果较为满意，与仿真吻合很好。

　　4总结
　　综上所述，在VHF频段(如本例40 MHz)，利用HFSS软件进行仿真计算，通过特殊的“伞状”层加载结构，由腔间耦合系数和外界Q值，在较短的时间内设计了以前没能实现的腔体带通滤波器，不仅解决了工程难题，提高了效率，更为以后的滤波器设计打下了坚实的基础。而且经过多个工程的实际验证，用三维仿真软件进行设计的其他形式的滤波器，也取得了很好的效果。使用它们的优化功能，可得到更加精确的设计，带宽5%以上时，甚至可以做到

　　免调谐，解决了设计微波滤波器的关键问题之一。给现代腔体滤波器的设计带来了新的发展，具有很大的应用空间和经济效益。


转自：http://mp.weixin.qq.com/s?__biz= ... JG2NFm7KHXvAHK6q#rd