第22卷第4期 2006年8月 微波学报 JOURNAL 0F MICROWAVES V01．22 No．4 Aug．2006 文章编号：1005-6122(2006)04JD053舭 微波腔体滤波器的快速设计及仿真+ (】．中国工程物理研究院电子工程研究所，绵阳621900；2．电子科技大学，成都610Q54) 邓贤进1’2 李家胤2 张健1 摘要：经典的微波腔体滤波器设计往往需要大量的复杂公式计算和繁琐的曲线查找。快速设计方法正是 为了避免这样的过程。以梳状线带通滤波器为例，通过计算几个典型的归一化杆径和归一化间距，绘制出分别以相 对带宽为横坐标，归一化杆径和归一化间距为纵坐标的快速简便的设计曲线。用ANsOFr．HFss仿真软件对用该方 法设计出的微波带通滤波器进行结构仿真，最后得到满意的结构设计尺寸，实验测试结果达到了技术指标要求，验 证了该方法的正确性。 关键词：微波腔体滤波器，相对带宽，结构仿真 Fast Design and Simlllation for MicrowaVe CaVity Filter DENG Xian．jinl”，U Jja-yin91，ZHANG Jj柚2 (1．风f．旷Eze以rDn如魄i聊e^ng，cAEP，批，咿昭621900，mi加； 2．咖如e倦渺旷Ek￡rD疵＆如nce口，ld‰lIl加研旷吼iM，ck，lgdu 610054，吼i№) Abstract：The design of Cl聃sical micIDwave cavity filter requires large numbers of complicated fonnulae and numer． ous cun，es．A fast and simple design metllod can avoid tllese process．Taking pectinate baIIdp嬲s filter for example，by calcu— lating some typical no珊alized diameters and spaces between of poles，a f缸t and simple design curves is obtained in which， X—c00rdinate is for rel砒ive诵deb蚰d，Y—coordinate is for n0咖alized diameter and space between of p01e respectively． By means of ANSOFT—HFSS 80ftware，stmcture simulation for tllis microw“e bandpass filter designed by this ways can be a— chieved．Finally，A satisfactory stmcture size is obtained，which meets the speci6cations and the validity i8 proved by experi— mental result． Key words： Micmwave cavity矗lter，Relative bandwidth，Stmcture simulation 引 言 由于现代微波滤波器的结构设计涉及到大量的 公式计算和图表，要准确设计出所需的滤波器，需要 大量的计算和曲线查找，特别是在设计圆杆型的滤 波器时，需要一级一级地推算出滤波器的尺寸，工作 量很大。同时，在设计过程中，杆的电特性是用各杆 对地的单位长自电容c。和相邻两杆的单位长互电 容c鼬+，来表现的，忽略了相邻以外的边缘电容的 影响，这样表示并不很准确…。此外，在查曲线时 也存在较大的误差。所以，从滤波器的设计过程来 看，不可能做到完全准确，都有一定的近似。但这些 不会影响滤波器的设计，因为我们可以在调试时通 过改变可调螺钉的位置来弥补这些近似。这正是快 速设计方法的依据。从经典的滤波器计算公式和图 表曲线可以看出，滤波器的级数n和相对带宽是影 响滤波器各种尺寸大小的重要因素，随着相对带宽 的增大，带通滤波器的归一化杆径和归一化间距减 小。滤波器设计好后，可以通过改变集总电容的大 小和调整调谐螺钉的位置来改变滤波器的中心频 率。所以滤波器可以在较宽的频率范围滑动，这样 就可以把滤波器的频率调整到所需要的中心频率 上。正因为如此，为了避免繁琐的计算和复杂的设 计步骤，可以以滤波器的相对带宽为横坐标，归一化 杆径和归一化间距为纵坐标绘制出快速简便的微波 带通滤波器的设计曲线。从该曲线可以方便快速地 + 收稿日期：2005国7—13；定稿日期：2005一11_01 基金项目：“十五”国防预研课题(4210109-3) 万方数据 

54 微波学报 2006年8月 设计出相对带宽不同的滤波器。本文以圆杆梳状带 通滤波器为例，通过该方法设计了一个相对带宽为 2％，中心频率为5．25GHz，阶数n=4，取接地板问 的间距6为16mm的0．1dB切比雪夫波纹的带通滤 波器。将所设计出的尺寸作为初值，用ANSOFT· HFSS软件对滤波器进行了结构仿真，并做进一步调 整，最后设计出了满意的滤波器。 1微波梳状带通滤波器的简要原理 以梳状线带通滤波器的设计为例，它是一种能 够得到宽阻带的带通结构，谐振器是由一端短路，一 端经过一集总电容C，。接地的一些平行耦合线所组 成，图1为其示意图。图中线l到n，及与其相关联 的集总电容c。。到c。。构成了谐振器，而线0和忍+ 1不是谐振器，只是末端阻抗变换段的一部分。在 这种形式滤波器中，谐振器之间的耦合是用谐振线 之间的边缘场来得到的。由于集总电容c，6的存 在，谐振线将小于谐振处的A。／4(其中A。是频带中 心处传输媒质中的波长)，谐振器之间的耦合主要 是磁耦合效应¨1。 ：工赳廿 吖 甜 甜 |I工卜cⅢU上|I 1|工卜仁U口上|l ||工p|l ．B． w 矗 ～ II工卜[№U上|l I|工卜cU口上|| ‰ h i 点：T几惮 什 图l 梳状线带通滤波器示意图 2快速设计曲线的绘制 利用滤波器的设计公式求出滤波器所需的归一 线电容后，再利用滤波器设计图表(此处略)，在指 定6(谐振腔的宽度)和￡(谐振器的宽度)后，就可 以算出每个谐振线与地的归一单位长自电容和相邻 谐振线间的归一单位长互电容。由于在推导这种耦 合圆杆的设计公式时，忽略了相邻以外的边缘电容 的影响，因而可用两个沿结构传输的TEM正交模来 描述，即奇模和偶模。这两个，I’EM模具有不同的特 性阻抗，它们与圆杆对地的静电容有关，而静电容又 与圆杆的单位长自电容c。和两圆杆间单位长互电 容C。有关。所以，要用圆杆结构来实现滤波器的 设计，第一步是要用归一互电容c。／8=c“+l／占在 归一互电容C。几与归一半间距1／2(s／6)的关系曲 线上画出相应的水平线，即常c。店线。然后读出 各常c。／s线与一族常d／6线的交点[1／2(s／6)， ∥6]，把交点用光滑曲线联接起来，得到常C。如曲 线(本文未给出)。然后，把滤波器结构分成许多小 节，每个小节由归一自电容及其左右两边的归一互 电容所组成。再利用曲线和线性内插法一级一级地 求出滤波器的归一直径和间距p·。 另外，从滤波器的计算公式和图表曲线，以及设 计中用到的方法(线性内插法)可以发现，归一互电 容c。店与归一半间距l／2(s／6)的关系曲线在归一 半间距1／2(s／6)较小的地方变化较快，曲线变化较 陡，而在归一半间距1／2(s／6)较大的地方变化较 慢，曲线变化平缓。于是在设计的快速简便的滤波 器设计曲线中也应该有这一大的趋势，即归一杆径 在相对带宽较小的地方变化较快，曲线变化较陡，而 在相对带宽较大的地方变化较慢，曲线变化平缓。 基于此，我们可以设计几个已知点，确定滤波器 简便的设计曲线。这里以设计相对带宽埘=o．5％， 1％，5％，7％和10％，阶数n=4的滤波器为例，分 别用上面介绍的方法算出它们的归一杆径和归一间 距(这里计算过程从略)，并列表于表1中。 以相对带宽为横坐标，分别以归一化杆径和归 一化间距为纵坐标建立平面坐标系。把表l中数据 所对应的点标于坐标系中，并用光滑的曲线把这些 点连接起来，就得到快速简便的滤波器设计曲线。 如图2、图3所示。 表1相对带宽与归一化杆径和归一化间距 万方数据 

第22卷第4期 邓贤进等：微波腔体滤波器的快速设计及仿真 55 0 O O O O O 0 ∞钻∞钙柏驺∞ [＼、—～—L }t }i：：：!三釜篷兰：三二：： ． 图2归一化杆径快速设计图 根据上述尺寸在Ansoft-HFsS中建立滤波器的 仿真模型，设置好各种参数，然后进行结构仿真。 根据快速设计曲线查出的尺寸在进行仿真时， 有可能出现仿真结果波纹较大，带外抑制不是太好 的情况，需要进一步调整。从经典滤波器的设计来 看，圆杆O、圆杆1和圆杆4、圆杆5间的距离特别影 响滤波器波纹的大小。所以，这里调整&，与文，的 距离，使其从原来的12．96逐渐减小。另外，如果在 整个通带内的电压驻波比都非常低，只在频带中心 处有一定的峰值，则需调整s：：和s二的大小，直到电 压驻波比的峰值在整个通带内接近拉平。通过多次 的仿真，最终得到调整后的滤波器腔体内设计尺寸 如图4所示(为了清楚地表示尺寸关系，图中将圆 杆O、圆杆5与其他圆杆画在了同一侧面上)。仿真 结果如图5所示。 圆杆直径：do=d5=8．58mm，d1=d4=6．12mm， 图3归一化间距快速设计图 d2=d3=5．86mm 轴线间距：s：1=．s45=1 2．86mm，．s12=s34= 24．54mm，s：3=26．80mm 3曲线的应用 设计一圆杆梳状带通滤波器，其相对带宽为 2％，中心频率为5．25GHz，阶数n=4，取接地板间 的间距6为16mm，t为3．2mm的0．1dB切比雪夫波 纹的带通滤波器。查图2、图3中A。，A，，A：和玩， 曰。，B：曲线，得到尺寸数据如下： 圆杆直径： do／6=d5／6=0．538，贝0 do=以=0．538×16= 图4滤波器腔体内设计尺寸 8．6lmm d。／6=出／6=0．39，贝Ⅱd1=也=O．39×16= 6．24mm d2／6=d3／6=0．366，贝9 dl=以=0．366×16= 5．86mm 轴线间距： sjl／6=．s乞／6=o．80，则s：1=s45=o．80×16= 12．96mm s：2／6=s二／6=1．55，贝q s：：=s：。=1．55×16= 24．8mm s：3／6=1．70，则5：3=1．70×16=27．2mm 4 ANSoFT-HFSS结构仿真 本文采用一种支持结构仿真的软件Ansoft-HF— Ss来进行滤波器仿真。Ansoft—HFss软件是一种功 能强大的三维电磁仿真分析软件，它具有强大的场 分析功能，具有很高的精度。特别是在设计微波电 路方面有很大的用处。 万方数据 O ．5 ．10 ．15 —20 ．35 —30 ．35 ．40 45 ．50 4 图5滤波器仿真结果 根据上面的尺寸加工出了腔体滤波器产品，经 过用Agilent的N8974A测出的实际结果如图6所 示，插损和纹波都较小，带宽也较准确，达到了满意 的设计效果。该产品已得到了成功的应用。 5 结论 从上面的设计方法可以看出，cAD工具对滤波 器的设计起着非常重要的作用。由于HFSS软件占 用的资源大，仿真运行所花费的时间较长，所以，初 值的获得很重要。上述用快速曲线的方法能够快速 

56 微波学报 2006年8月 Mkrl 5 25GHz Mkr2 5 2055GHz Mkr3 5 2905GHz -0996dB -O 648dB -0 547 dB 差方面的要求不太严格，所以，利用快速曲线的方法 能够设计出所需的滤波器。 参考文献 甘本钹，吴万春．现代微波滤波器的结构与设计．北 京：科学出版社，1973 5 000 GAlN 5col“ 5000 dB ．45 00 Center 5 25000GHz BH 4MHz Pointsl00 1℃oId 30015 k RuRsofr An0卜．dB Sp扑400 00MHz Lo鼹Ofr Corr r11 L。J Cohn S B． Pamllel-coupled transmission—limj—reson砒or filters．IRE 1'rans MrITI'，1958，6(4)：223～23l 图6滤波器实测结果图 [3] 黄席椿．波滤波器综合法设计原理．北京：人民邮电 地获得滤波器设计初值。当然，通过多选点能得到 更加准确的设计曲线。有了这样的设计曲线，就能 快速地设计出不同带宽的滤波器。对于级数n值不 同的滤波器，也可以按此方法得出快速简便的设计 曲线。这种方法还适用于终端短路矩形杆交指型带 通滤波器以及终端短路圆杆交指型带通滤波器(此 两种滤波器的设计用此方法最为准确，只需稍加修 正即可)。这些滤波器用计算的方法和用本文介绍 的方法同样都存在着误差，但这些滤波器对尺寸公 出版社，1978 邓贤进 1973年生，男，助理研究员，1998年毕业于西安电 子科技大学电子工程专业，获学士学位，现为电子科技大学 硕士研究生。长期从事微波滤波器、频率合成、接收机的研 究，获军队科技进步三等奖3项。 E-mail：dxjzmx@126．com 李家胤 1944年生，男，教授，博导。国家863计划807重 大专项专家组成员。 张健1965年生，男，研究员，博导。 t}·夺·÷·—}·夺·t}·夺·夺·夺·夺·夺·夺·夺·夺·夺·夺··争·夺·夺·夺·寺-·夺·夺·÷·夺·夺·夺·夺·夺·夺·夺·-}·夺·寺·夺·夺·夺·夺·夺·奇··夺··}·÷·夺-夺·t}· (上接第48页) 参考文献 [1] D正A，Park J S，Kim C S，et a1．A design of the low— pass 6lter using the novel microstrip defbcted ground structure．IEEE TI-ans Micmwave Theory 7rech，2001，49 (5)：86～93 bandgaps in microstripline stnlctures． Microwave Opt Tech ktt，2002，33(5)：19l～196 [7] Lim Jong—Sik，Kim Chul—Soo，I．ee Young—Taek，et a1． 10wpass filters using defected gmund stmcture Design of and compensated microstrip line． Electron Lett，2002， 38(10)：1357～1358 [2] Lee Y T，Lim J K，Park j S，et a1．A novel phase noise I℃duction technique in oscillator using defected ground stnlcture． IEEE Microwave Guided Wave ktt．2002．12 [8] Lim J S，Kim C S，Lee Y T，et a1．Venically periodic defected gmund stmcture for planar ransmission lines． E． 1ectron Lett，2002，38(8)：803～804 (2)：39～4l [3] Lim J S，Kim H S，Ahn D，et a1．A power amplifier with 曹毅男，1977年生，山西太原人，目前在空军工程大学 emciency impmved using defected ground stllJcture． 导弹学院攻读博士学位，主要研究方向：电磁散射与辐射、天 IEEE Microwave Guided Wave I七tt，2001，11(4)：170 线、电磁场数值计算、PGB在微带电路中的研究与应用等。 ～172 E-mail：caoj叩@126．com [4] Kamlakar N C． Improved peIformance of photonic band— gap micmstripline stmctures with the use of Chebyshev 王光明 男，1964年生，安徽砀山人，教授，博士生导师，主 要从事电磁辐射与散射、微波电路与系统研究和计算电磁场 distributions．Micmwave 0pt Tech ktt，2002，33(4)：1 等。 ～5 [5] Kim C S，Park J S，Dal A，et a1．A novel 1一D periodic defected ground stmcture for planar circuits．IEEE Micro- wave Guided Wave Lett，2000，10(4)：131一133 [6] KesIer M P，MaJoney J G，ShirIey B L．7r11eoreticaI in— vestigations into binomial distributions of photonic 梁建刚 男，1975年生，安徽肥东人，博士，主要从事微波 电路与系统研究和计算电磁场等方面的研究。 林圣国 男，1977年生，湖北天门人，硕士，主要从事超宽 带技术研究。 万方数据 

微波腔体滤波器的快速设计及仿真 作者： 邓贤进， 李家胤， 张健， DENG Xian-jin， LI Jia-ying， ZHANG Jian 作者单位： 邓贤进,DENG Xian-jin(中国工程物理研究院电子工程研究所,绵阳,621900;电子科技大学 ,成都,610054)， 李家胤,LI Jia-ying(电子科技大学,成都,610054)， 张健,ZHANG Jian(中国工程物理研究院电子工程研究所,绵阳,621900) 刊名： 微波学报 英文刊名： JOURNAL OF MICROWAVES 年，卷(期)： 2006，22(4) 1次 引用次数： 参考文献(3条) 1.甘本祓.吴万春 现代微波滤波器的结构与设计 1973 2.Cohn S B Parallel-coupled transmission-line-resonator filters 1958(4) 3.黄席椿 波滤波器综合法设计原理 1978 相似文献(0条) 引证文献(1条) 1.张同宣.赵振堂 腔体带通滤波器设计[期刊论文]-核技术 2008(06) 本文链接：http://d.g.wanfangdata.com.cn/Periodical_wbxb200604015.aspx 下载时间：2009年12月17日