【独家设计经验】交指腔体滤波器的设计方法

qiux1516

摘要：
本文主要介绍基于Ansoft Designer和Ansoft HFSS软件进行交指腔体带通滤波器设计的方法，目的是让有一定HFSS软件使用基础和对滤波器有一定了解的设计人员能够迅速掌握这一技术，并促进软件使用水平与科研水平进一步提高。经过不断的实践与总结，该设计方法已经日趋成熟，并成功设计出很多优秀的产品。事实证明该方法设计的交指腔体带通滤波器，频率覆盖1~30GHz微波频段，相对带宽覆盖1%~50%，成本低廉，易于调试，性能优异，能够广泛应用于日常的科研生产当中。

设计实例：交指腔体带通滤波器设计实例的具体设计指标如下：
中心频率：8.95G1dB
通带：8.4~9.5G
通带纹波：±0.1dB
带内插损：＜0.5dB
驻波比：    ≤1.5
带外抑制：≥50dB @ 7.95G                 
                  ≥40dB @ 10.15G
接口形式：SMA

软件使用：Ansoft Designer  V2.0，HFSS

详细设计见下（版权所有，盗版必究）：

qiux1516

内容太大，怎么上船Word的啊

qiux1516

一、设计实例
交指腔体带通滤波器设计实例的具体设计指标如下：
中心频率：8.95G
1dB通带：8.4~9.5G
通带纹波：±0.1dB
带内插损：＜0.5dB
驻波比：  ≤1.5
带外抑制：≥50dB @ 7.95G
          ≥40dB @ 10.15G
接口形式：SMA
二、Ansoft Designer设计软件的使用
Ansoft Designer是Ansoft公司推出的微波电路和通信系统仿真软件；它采用了最新的视窗技术，是第一个将高频电路系统,版图和电磁场仿真工具无缝地集成到同一个环境的设计工具，这种集成不是简单和界面集成,其关键是Ansoft Designer独有的“按需求解”的技术,它使你能够根据需要选择求解器,从而实现对设计过程的完全控制。Ansoft Designer实现了“所见即所得”的自动化版图功能，版图与原理图自动同步，大大提高了版图设计效率。同时,Ansoft还能方便地与其他设计软件集成到一起，并可以和测试仪器连接，完成各种设计任务，如频率合成器，锁相环，通信系统，雷达系统以及放大器，混频器，滤波器，移相器，功率分配器，合成器和微带天线等。主要应用于：射频和微波电路的设计，通信系统的设计，电路板和模块设计，部件设计。现在最新的版本是Ansoft Designer v2.2
本文设计使用的是Ansoft Designer v2.0版，滤波器尺寸具体的计算步骤如下：
1． 打开Ansoft Designer进入主界面
file:///C:/Users/qiux1516/AppData/Local/Temp/ksohtml/wpsE92D.tmp.png
2． 选择Project→Insert Filter Design…
file:///C:/Users/qiux1516/AppData/Local/Temp/ksohtml/wpsE94D.tmp.png
3． 弹出滤波器设计窗口
file:///C:/Users/qiux1516/AppData/Local/Temp/ksohtml/wpsE95D.tmp.png
图的上方总共有五个标题栏，关系为从左到右依次递进：
第一栏是滤波器的通带选择特性，分为低通、高通、带通、带阻；
第二栏是滤波器的结构，根据不同选择特性，结构略有不同，以带通为例分为集总型、梳型、交指型、平行耦合型、波导型几种结构；
第三栏是滤波器所采用的函数，一般选择切比雪夫函数；
第四栏是所采用的材料，主要有微带线、带状线、矩形谐振杆、圆形谐振杆等；
第五栏为采用的技术特性。
在本文中我们设计的是交指腔体带通滤波器，所以依次选择Bandpass→Interdigital Tapped→Chebyshev→Rectangular bar→Default。选择NEXT进入下一步。

qiux1516

1． 进行频率阻抗参数设定
file:///C:/Users/qiux1516/AppData/Local/Temp/ksohtml/wps9A65.tmp.png
对切比雪夫滤波器来说Order为节数；Ripple为带内纹波，fp1,fp2,f0分别为通带的起始频率、截止频率和中心频率；BW显示的是带宽，上一步有个Ripple corners and load可以选择是否使用3dB带宽；Source和 Load分别为信号源内阻和负载内阻；Tline imp为谐振杆阻抗，与谐振杆的宽度有关。对其中某些项，左下角有个范围值可以供参考。选择NEXT进入下一步。
由设定的值算出的结果代入HFSS里进行仿真，而仿真出来的值往往会和设定的不同，因此要多改变几次设定的值才能得出正确的结果。例如：根据本文中的例子，设定中心频率8.95G，1dB带宽1.1G，计算出的结果代入HFSS仿真，结果发现带宽比需要的带宽宽了很多，而且中心频率也不在8.95G，而是偏高了很多，所以只能重新设定重新计算。所以我们应该在设定值的时候把中心频率降低，带宽减小。标定的纹波一般与实际仿真的结果也不同，如果要达到一定的纹波系数还要在HFSS里优化才行。
对于节数的选择，可参考下列交指滤波器的节数计算公式：
file:///C:/Users/qiux1516/AppData/Local/Temp/ksohtml/wps9A75.tmp.png
其中参数的含义：
file:///C:/Users/qiux1516/AppData/Local/Temp/ksohtml/wps9A76.tmp.png
在相对带宽小于30%情况下：
file:///C:/Users/qiux1516/AppData/Local/Temp/ksohtml/wps9A77.tmp.png
所以计算公式可以简省为：
file:///C:/Users/qiux1516/AppData/Local/Temp/ksohtml/wps9A78.tmp.png
本例经计算选取8节谐振杆。以下是几种形式的交指滤波器的具体结构：
（1） 终端短路式交指滤波器
file:///C:/Users/qiux1516/AppData/Local/Temp/ksohtml/wps9A79.tmp.png
（2） 终端开路式交指滤波器
file:///C:/Users/qiux1516/AppData/Local/Temp/ksohtml/wps9A8A.tmp.png
（3） 抽头式电容加载交指滤波器
file:///C:/Users/qiux1516/AppData/Local/Temp/ksohtml/wps9A8B.tmp.png
宽带的有边杆终端短路式交指滤波器的第一和最后两根谐振杆是用来阻抗变换用的，所以要比终端开路式的多两根谐振杆，计算其节数另有公式，具体详见《现代微波滤波器的结构与设计》一书。本文例子选取的是第三种，其节数的计算与终端开路式一样。因为可以在第一根和最后一根谐振杆的末端加螺钉进行调节，相当于末端加了一个可变电容，仿真时可以优化这两根螺钉进行驻波调节。

漫妖涟涟

楼主 辛苦了，分享了这么赞的资料，感谢支持~

valar

毕业论文的赶脚，楼主辛苦啦，虽然用不到，还是灰常感谢分享出来

漫妖涟涟

valar 发表于 2015-4-16 14:13
毕业论文的赶脚，楼主辛苦啦，虽然用不到，还是灰常感谢分享出来

那你需要哪些资料呢，可以在社区先找找的，楼主是滤波器大牛，有问题可以拿出来讨论的哈

gzgz1

好文章，能再出一个双工或多过腔体滤波器的文章就好了，想学这方面的东西，资料不好找呀，谢谢楼主

yejiangfang

真材实料，非常感谢分享。

qiux1516

可以啊，滤波器的步骤有点多，我目前主要是做无源器件的，但是都是满地级的东西，大概都是在3G频段内，主要是民用通信类的