寫下這個題目時頓覺胸中有千言，下筆已忘言。從哪里寫起呢，帶通濾波器是一個太寬泛的概念了，窄帶的寬帶的，LC/微帶/同軸/波導(dǎo)/介質(zhì)的。各種花樣的諧振器，各種花樣的耦合結(jié)構(gòu)。但不管如何變化，有兩個概念始終無法避開；諧振和耦合，各種設(shè)計方法也都是為了如何準(zhǔn)確的確定諧振頻率和諧振器間的耦合量。各種技術(shù)進(jìn)步也都是為了找到更小，Q值更高的諧振結(jié)構(gòu)。

同時自己為什么這么喜歡濾波器，濾波器是微波的一個基礎(chǔ)器件，在前人的論文中已經(jīng)證明了任何寬帶匹配網(wǎng)絡(luò)都是濾波器結(jié)構(gòu)，自己對微波的感覺也從這個器件中獲益良多。

· 一個波導(dǎo)同軸轉(zhuǎn)換是一個濾波器結(jié)構(gòu)
· 一個極化轉(zhuǎn)換器是一個濾波器結(jié)構(gòu)
· 一個OMT是一個濾波器結(jié)構(gòu)
· 一個功分器也可以是一個濾波器結(jié)構(gòu)
· 甚至一個天線也是一個濾波器結(jié)構(gòu)（實現(xiàn)了50歐和自由空間阻抗的匹配）
· 你也可以把濾波器和衰減器結(jié)合起來設(shè)計一個均衡器

當(dāng)通過大量的實踐，有了大量不同結(jié)構(gòu)的諧振結(jié)構(gòu)和耦合結(jié)構(gòu)的概念，我們在微波有源產(chǎn)品設(shè)計中你可以感覺到信號可能會從那些地方竄來竄去，你可以讓你的鏈路更加干凈有序。未來一段時間計劃總結(jié)一下有價值的濾波器設(shè)計理念，今天用一個5階1805MHz～1880MHz的同軸梳線濾波器的例子來說明如何設(shè)計一個簡單的帶通濾波器。

1.帶通濾波器的設(shè)計步驟

一個帶通濾波器應(yīng)該遵循以下設(shè)計步驟：

1.1）指標(biāo)分析，方案初步規(guī)劃：多少級諧振，多大的Q值合適，什么樣的結(jié)構(gòu)形式。這些可以通過couple-fil進(jìn)行，結(jié)構(gòu)形式能達(dá)到的功率容量/溫度特性/Q值等物理特性需根據(jù)經(jīng)驗判斷。一般情況下Q值為：

· 微帶/LC：一個量級 約為50～200左右
· 懸置帶線/螺旋濾波器/TEM介質(zhì)：約為200~ 800量級
· 同軸梳線：800～2000量級
· 波導(dǎo)：6000左右
· TE01介質(zhì)：1000~ 20000左右

1.2）結(jié)構(gòu)規(guī)劃：結(jié)構(gòu)規(guī)劃是產(chǎn)品設(shè)計很重要的一步，通過結(jié)構(gòu)規(guī)劃你可以確定諧振器如何排布，用什么樣子的耦合方式合適，為后續(xù)設(shè)計指明方向。

1.3) 仿真

1.4）出圖

該文章主要介紹如何進(jìn)行快速仿真設(shè)計。

2.濾波器仿真步驟

現(xiàn)在有很多軟件可以直接算出濾波器結(jié)構(gòu)尺寸的初值(ansoft designer/ADS/genersys/uwave等)，本文介紹如何自己一步一步確定結(jié)構(gòu)尺寸。仿真實例地址：鏈接：https://pan.baidu.com/s/1oAgeKEQ 密碼：ipl3

2.1）本征模式確定單個諧振器尺寸

在計算本征模式前，我們可以通過計算傳輸線波長大致估算出諧振器長度，但很多時候產(chǎn)品尺寸受限，就只能在限制范圍內(nèi)進(jìn)行諧振器設(shè)計了。本振模的詳細(xì)設(shè)置見附件實例eigenmode 設(shè)計。

圖1 本征模式頻率和Ｑ值仿真結(jié)果

2.2）確定輸入耦合抽頭位置

通過excel的計算小工具  地址：鏈接：https://pan.baidu.com/s/1o9ZtjCm 密碼：xs23  可計算出5階該濾波器的理想群時延和外部Q值。

圖2 5階1840MHz BW80M濾波器理想設(shè)計參數(shù)

確定輸入耦合有兩種方式一種回波群時延方式，一種外部Q值方式（用PML端口加eigenmode仿真Q值即可）本文通過群時延方法來確定輸入耦合，模型和結(jié)果如圖 3所示（第二個諧振器失諧或不畫），抽頭位置大約為5.5mm。

圖3 輸入耦合仿真

3.3）確定級間耦合尺寸

級間耦合也有兩種確定方式，耦合系數(shù)法和群時延法，耦合系數(shù)法采用雙諧振器本征模式仿真出2個模式，通過(f1²- f2²) /(f1²+f2²)來計算耦合系數(shù)。本文采用群時延法。查圖2的表格知道12耦合群時延需要10.5ns，23耦合群時延需要21ns。

級間耦合有很多種方式改變，可以通過調(diào)整兩個諧振器間的距離來實現(xiàn)，可以固定間距通過加脊或加窗實現(xiàn)，此處為方便起見通過改變諧振器間距離來實現(xiàn)。將第二級諧振器高度調(diào)整到第一級諧振器相同的高度。通過掃描兩個諧振器間距離來找到合適的耦合參數(shù)。

模型和第一次掃描結(jié)果如圖 4所示，第一次掃描發(fā)現(xiàn)兩個頻率沒有對齊（群時延圖形不對成），那是因為輸入耦合對第一級諧振頻率存在牽引。選定一個間距例如LS1=14mm，微調(diào)一下諧振器2的高度，使群時延圖形對稱。掃描結(jié)果見圖5。

圖4 級間耦合第一次掃描

圖5 級間耦合第二次掃描

通過第二次掃描可知，諧振器2高度取27.3mm，12諧振器間距取14.5mm，23諧振器間距取略大于16，這里取16.5mm.可以加寬掃描范圍獲取更準(zhǔn)確的值。

2.4）濾波器整體模型初步仿真

通過前面的步驟獲取了諧振器尺寸和耦合尺寸，現(xiàn)在就可以把這些尺寸帶入模型進(jìn)行濾波器整體仿真了。模型和初步結(jié)果見圖 6。可以看到基本上濾波器的形狀已經(jīng)出來了，駐波稍差。

這是因為加入12以及23耦合后對諧振器2和3有頻率牽引，通常濾波器中間的諧振器尺寸基本相當(dāng)，這里使h3=h2再進(jìn)行一次細(xì)微掃描，結(jié)果應(yīng)該就會比較好了，掃描了一次結(jié)果見。

圖6 濾波器初步仿真結(jié)果

圖7 略微掃描h2的高度后的結(jié)果

實際上對于腔體類的濾波器由于存在大范圍的調(diào)諧裝置，到了這個階段基本不需要去把模型優(yōu)化的非常精細(xì)了，可以直接出圖紙加工了。出圖時稍微減小一些諧振器高度，避免加工出來的產(chǎn)品頻率偏低無法調(diào)試。

其他所有類型的濾波器都可以通過這樣的步驟來做到精確設(shè)計。

作者：趙強(qiáng) 微信號：q_zhao_ls

簡介：
2004～2011 華中科技大學(xué) 微電子學(xué)與固體電子學(xué) 碩士
2011～2015 中電29所西科微波通訊有限公司
2015~ 2018 華為技術(shù)有限公司
2018～至今 航天微電科技有限公司成都分公司

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