腔體濾波器仿真優(yōu)化以及測試

1、關于腔體濾波器的仿真優(yōu)化及測試第一張，PPT共四十六頁，創(chuàng)作于2022年6月實驗目的了解微波腔體濾波器的性能特點，理解濾波器的各項參數(shù)指標含義理解微波腔體濾波器工程設計流程與基本方法；掌握常用三維電磁模擬模擬的使用以及在微波腔體濾波器中的仿真應用；理解矢量網(wǎng)絡分析儀時域測量功能；掌握微波濾波器常見指標測量技術；第二張，PPT共四十六頁，創(chuàng)作于2022年6月微波濾波器 微波濾波器是微波電子系統(tǒng)中常用的器件。濾波器是標準的頻率選擇性器件，完成對工作信號的提取和干擾信號的抑制功能； 在阻抗匹配中，濾波器網(wǎng)絡也常常用來完成不同阻抗之間的匹配功能； 有時需要得到一定的相位（或時延）特性，如脈沖壓縮或展寬

2、，或補償其它濾波器或色散結構所產生的相位失真，也需要用到濾波器。實驗原理第三張，PPT共四十六頁，創(chuàng)作于2022年6月第四張，PPT共四十六頁，創(chuàng)作于2022年6月實驗原理微波濾波器主要參數(shù)第五張，PPT共四十六頁，創(chuàng)作于2022年6月第六張，PPT共四十六頁，創(chuàng)作于2022年6月實驗原理腔體濾波器指標例子第七張，PPT共四十六頁，創(chuàng)作于2022年6月 當濾波器能承受較高功率、插損低、帶外抑制高、帶寬窄時，腔體濾波器是最好的選擇。腔體濾波器是一種純結構性的器件，其性能指標及可靠性都取決于自身的結構特征，常見形式為交指和梳狀線結構.實驗原理第八張，PPT共四十六頁，創(chuàng)作于2022年6月諧振器調諧

3、螺釘耦合螺釘輸入/輸出接頭位置輸入/輸出接頭位置第九張，PPT共四十六頁，創(chuàng)作于2022年6月微波腔體濾波器綜合設計 現(xiàn)代微波濾波器的設計大多使用網(wǎng)絡綜合法，以衰減、相移函數(shù)為基礎，通過網(wǎng)絡綜合理論得到濾波器低通原型電路，然后通過頻率變換函數(shù)，將低通原型轉換為低通、高通、帶通、帶阻等各種濾波器電路，最后利用相應的微波結構來實現(xiàn)集總元件原型中的各元件。這種設計方法，計算相對簡單，有較好的近似度，且能導出最佳設計。第十張，PPT共四十六頁，創(chuàng)作于2022年6月微波腔體濾波器綜合設計低通原型 集總元件低通原型濾波器是用現(xiàn)代網(wǎng)絡綜合法設計微波濾波器的基礎，各種低通、高通、帶通、帶阻微波濾波器，其傳輸特

4、性大都是根據(jù)此原型特性推導出來的。第十一張，PPT共四十六頁，創(chuàng)作于2022年6月微波腔體濾波器綜合設計頻率變換第十二張，PPT共四十六頁，創(chuàng)作于2022年6月切比雪夫逼近微波腔體濾波器綜合設計第十三張，PPT共四十六頁，創(chuàng)作于2022年6月K J變換微波腔體濾波器綜合設計 對于窄帶或者中等帶寬的帶通濾波器，耦合諧振腔濾波器是常用的結構。其設計過程是從低通原型濾波器出發(fā)，經過頻率變換，用阻抗變換器或導納變換器實現(xiàn)各個諧振部分的級聯(lián)，從而獲得帶通濾波器的性能。在此過程中，由濾波器的性能參數(shù)以及低通原型濾波器的參數(shù)，可以得到該類帶通濾波器的設計公式，為濾波器實際物理結構的實現(xiàn)提供了依據(jù)。第十四張，

5、PPT共四十六頁，創(chuàng)作于2022年6月濾波器輔助設計軟件微波腔體濾波器綜合設計 通常的做法是根據(jù)要求的指標通過查最大平坦度圖來確定合適的腔數(shù)； 根據(jù)相對帶寬和濾波器的歸一化低通元件值，算出腔間耦合系數(shù)和外界Q值的理論值； 通過查閱大量設計表格及計算獲得初始濾波器尺寸結構，然后加工調試； 中間過程可能需要反復幾次。速度、效率和設計的準確性都已經跟不上時代的發(fā)展。第十五張，PPT共四十六頁，創(chuàng)作于2022年6月 Couplefil就是一個專業(yè)的簡易腔體濾波器輔助設計軟件，可給出耦合系數(shù)、有載Q值，單腔中心頻率、耦合帶寬等。這些參數(shù)值便是我們用于腔體濾波器三維結構仿真的目標值，以這些值為目標進行三維

6、仿真，便能得到所設計的濾波器的最終結構尺寸。 FilterSolution也是一款非常優(yōu)秀的濾波器輔助設計軟件。另外，一些電路EDA軟件如Ansoft Designer等也可以完成濾波器電路綜合。濾波器輔助設計軟件微波腔體濾波器綜合設計第十六張，PPT共四十六頁，創(chuàng)作于2022年6月微波腔體濾波器綜合設計基于輸入反射群延遲帶通濾波器設計 由于濾波器中心頻點的反射群延遲可以通過低通原型、LC帶通結構以及耦合系數(shù)得到簡便顯式表達式，相對而言，其設計與調試過程簡便清晰。第十七張，PPT共四十六頁，創(chuàng)作于2022年6月微波腔體濾波器綜合設計基于輸入反射群延遲帶通濾波器設計第十八張，PPT共四十六頁，創(chuàng)

7、作于2022年6月微波腔體濾波器綜合設計基于輸入反射群延遲帶通濾波器設計第十九張，PPT共四十六頁，創(chuàng)作于2022年6月微波腔體濾波器綜合設計基于輸入反射群延遲帶通濾波器設計第二十張，PPT共四十六頁，創(chuàng)作于2022年6月本實驗項目濾波器設計要求如下： 中心頻率：2.45GHz； 1dB帶寬：100MHz； 通帶波紋：0.02dB； 通帶內駐波：小于1.5； 帶外抑制度：2.05GHz和2.85GHz抑制度大于80dB； 接口形式：SMA（KK）； 功率容量：不作要求。微波腔體濾波器綜合設計基于輸入反射群延遲帶通濾波器設計第二十一張，PPT共四十六頁，創(chuàng)作于2022年6月階數(shù)12345反射群延

8、遲（ns）S11（-30dB）4.247.9213.6215.8517.86S11（-26dB）4.888.3415.0016.6919.88S11（-23dB）5.478.5916.2217.1821.69S11（-20dB）6.208.7417.6717.4723.87帶通濾波器中心頻率反射群延遲計算結果微波腔體濾波器綜合設計基于輸入反射群延遲帶通濾波器設計第二十二張，PPT共四十六頁，創(chuàng)作于2022年6月 位置S0S12S23S34S45S0間距713.314.614.613.37諧振器耦合間距初始值微波腔體濾波器綜合設計基于輸入反射群延遲帶通濾波器設計第二十三張，PPT共四十六頁，創(chuàng)作

9、于2022年6月實驗內容數(shù)值模擬實驗 在CST MWO中建立如圖三維模型后，設置兩端同軸饋入激勵端口，設置頻率范圍以及網(wǎng)格劃分設置，選擇頻域求解器中快速S參數(shù)模式計算。第二十四張，PPT共四十六頁，創(chuàng)作于2022年6月實驗內容數(shù)值模擬實驗 （1）首先將所有調諧螺釘短路，即調諧方柱與諧振桿相連。調整S0、和第一級調諧螺釘與第一個諧振器間距，使得第一級反射群延遲波形如圖所示，濾波器中心頻點處群延遲數(shù)值5.54ns，與理論值5.47ns接近。第二十五張，PPT共四十六頁，創(chuàng)作于2022年6月實驗內容數(shù)值模擬實驗 （2）調整S12間距、第二級調諧螺釘與第二級諧振器間距，使得第二級反射群延遲波形如圖20

10、所示，濾波器中心頻點處群延遲數(shù)值8.63ns，與理論值8.59ns接近。若S12變化較大，則需要在新的S12間距值條件下，重復（1）步驟，獲得第一級新的調諧螺釘間距值。整個過程可能需要重復幾次第二十六張，PPT共四十六頁，創(chuàng)作于2022年6月實驗內容數(shù)值模擬實驗 （3）調整S23間距、第二級調諧螺釘與第二級諧振器間距，使得第二級反射群延遲波形如圖21所示，濾波器中心頻點處群延遲數(shù)值16.32ns，與理論值16.22ns接近。若S23變化較大，則需要在新的S23間距值條件下，重復（2）步驟，獲得第二級新的調諧螺釘間距值。整個過程可能需要重復幾次。第二十七張，PPT共四十六頁，創(chuàng)作于2022年6月

11、實驗內容數(shù)值模擬實驗 （4）同（3）步驟，調整S34耦合間距、第四個調諧螺釘間距，獲得反射群延遲波形如圖所示，圖中濾波器中心頻點反射群延遲為17.18ns，與理論值一致。第二十八張，PPT共四十六頁，創(chuàng)作于2022年6月實驗內容數(shù)值模擬實驗 理論上來說，對于最后一級調諧螺釘間距、S45間距調試，對于偶數(shù)階濾波器，終端須接短路器；而對于奇數(shù)階濾波器，終端須接開路器。對于模擬來說很難在另一端口直接實現(xiàn)理想開路端口條件，并且前面幾級諧振器調諧、耦合大小與理論值誤差會隨著濾波器階數(shù)增大而產生累積作用，所以最后一級諧振器的調諧與耦合可以通過直接觀測S11參數(shù)響應來進行。第二十九張，PPT共四十六頁，創(chuàng)作

12、于2022年6月實驗內容數(shù)值模擬實驗 實際上調試到中間諧振器時，整個模擬仿真過程可以基本完成，因為濾波器為對稱結構設計，故后半部分結構參數(shù)與調試好的前半部分結構參數(shù)一致即可。最后，以調試完成的結構參數(shù)進行濾波器整體仿真、優(yōu)化，一般情況下只需少量細微參數(shù)調整即可獲得滿意的仿真結果。第三十張，PPT共四十六頁，創(chuàng)作于2022年6月實驗內容數(shù)值模擬實驗第三十一張，PPT共四十六頁，創(chuàng)作于2022年6月實驗內容數(shù)值模擬實驗第三十二張，PPT共四十六頁，創(chuàng)作于2022年6月實驗內容濾波器加工第三十三張，PPT共四十六頁，創(chuàng)作于2022年6月1. 矢量網(wǎng)絡分析儀單端口、全二端口校準2. 微波腔體濾波器時域

13、調諧3.微波腔體濾波器帶寬、駐波、插損、帶外抑制度、寄生通帶抑制度指標矢量網(wǎng)絡分析儀測量實驗內容第三十四張，PPT共四十六頁，創(chuàng)作于2022年6月實驗內容（2）矢量網(wǎng)絡分析儀校準 本實驗中需要通過濾波器反射群延遲時間來進行濾波器性能調試，因此首先要進行單端口校準；待濾波器調諧螺釘調試完畢后，再進行全二端口校準。注意校準使用SOLT（Short,Open,Load,Thru）方法，也可以不分順序將兩次校準完成后存儲校準文件，測試時準確調用文件即可。為得到大動態(tài)范圍以更好測試帶外抑制度，注意網(wǎng)絡分析儀的中頻帶寬設置。第三十五張，PPT共四十六頁，創(chuàng)作于2022年6月（3）腔體濾波器準備 首先將用恒

14、溫臺將SMA法蘭接頭焊接（樣品濾波器中此項工作已完成），冷卻后把所有調諧螺釘旋進至與各諧振器短路，保證端面良好接觸即可，如圖所示，檢查無誤后把腔體上下蓋板用螺釘固定。實驗內容第三十六張，PPT共四十六頁，創(chuàng)作于2022年6月實驗內容（4）濾波器S11 參數(shù)調試 調用單端口校準文件，矢量網(wǎng)絡分析儀處于單端口測量模式；將顯示格式改為群延遲模式； 濾波器一端接上N-3.5（KJ）適配器，另一端連接SMA開路器（或加適配器后連接N型開路器； 逐級調試各級調諧螺釘深度，使得濾波器在中心頻點處反射群延遲時間盡可能與表4計算數(shù)據(jù)接近，且反射群延遲波形依中心頻點左右對稱（各階反射群延遲典型波形如前面模擬所示）

15、，并鎖定調諧螺釘位置；過程中需導出群延遲調試結果；第三十七張，PPT共四十六頁，創(chuàng)作于2022年6月實驗內容（4）濾波器S11 參數(shù)調試第三十八張，PPT共四十六頁，創(chuàng)作于2022年6月實驗內容（4）濾波器S11 參數(shù)調試 在最后一級調諧螺釘調試之前，將濾波器另一端口接匹配負載，顯示格式改為幅值（dB）；通過觀測濾波器S11響應來獲得最后一級調諧螺釘?shù)暮线m深度，并固定螺釘位置。 濾波器腔體加工精度可能存在不滿足技術要求（主要影響各諧振器耦合，造成通帶內駐波、波紋、帶寬等不滿足設計要求），最后可能需要細微調整各級調諧螺釘來獲得濾波器合格響應。 因濾波為對稱結構設計，且為奇數(shù)階，所以在步驟中，可以

16、先調試前半部分調諧螺釘（中間第3級調諧螺釘保持短路不動）；然后將濾波器倒置，調試剩下一半調諧螺釘；最后通過S11參數(shù)響應來獲得中級級調諧螺釘合適位置。第三十九張，PPT共四十六頁，創(chuàng)作于2022年6月實驗內容 矢量網(wǎng)絡分析儀調用全二端口校準文件，將調試好的腔體濾波器接入矢網(wǎng)，獲取濾波器各性能指標參數(shù)，包括插損、駐波、波紋、帶外抑制度。（5）腔體濾波器指標參數(shù)測試第四十張，PPT共四十六頁，創(chuàng)作于2022年6月實驗儀器矢量網(wǎng)絡分析儀AV3620A第四十一張，PPT共四十六頁，創(chuàng)作于2022年6月1將測量時所得到時域調諧曲線、S參數(shù)曲線導出2利用繪圖軟件將各測試數(shù)據(jù)匯總繪圖，注意選擇合適的坐標比例3根據(jù)測試曲線得到微波濾波器一些性能指標參數(shù)。數(shù)據(jù)導出與處理第四十二張，PPT共四十六頁，創(chuàng)作于2022年6月 注意事項（1）連接N型校準件時,盡量使用力矩扳手擰緊;切不可過分旋緊.必須雙手同時操作。（2）初始調諧螺釘短路時，只需適當保證與諧振桿端面良好接觸即可。（3）調諧螺釘使用螺母鎖定位置，但無須過分擰緊；（4）腔體濾波器SMA接頭很容易受損，注意不要磕碰硬物。 第四十三張，PPT共四十六頁，創(chuàng)作于2022年6月 思考題1在腔體濾波器中，各腔體間