超导滤波器原理讲解(滤波器设计软件有哪些)

一、概述

滤波器广泛应用于射频系统中，根据其结构形式不同分为：LC滤波器、介质滤波器、腔体滤波器、微带滤波器、波导滤波器等。腔体滤波器具有Q值高、插损小、功率容量大等优点，广泛应用于通信系统中。本文通过一个腔体滤波器设计实例，简要讲述滤波器的仿真设计流程。

常见的腔体滤波器（图片来源与网络）

腔体滤波器内部结构参考（图片来源与网络）

二、滤波器仿真设计

腔体滤波器的设计流程一般包括以下方面：首先分析指标；通过滤波器综合得出耦合矩阵和拓扑结构；对单腔频率及Q值进行仿真；对腔间耦合进行仿真；对输入输出端口进行仿真；建立整体模型进行仿真；仿真优化。

1、滤波器指标

滤波器指标一般包括频率范围（中心频率、带宽）、带内插损、带外抑制、带内驻波、端口阻抗、功率容量、产品尺寸等，本文以下表所示指标进行本次滤波器仿真设计。

2、拓扑结构确定

已知滤波器指标后，可以通过CoupleFil、ADS、AWR、CST等工具对指标进行综合分析，确定滤波器的阶数、是否需要加零点、耦合系数、端口Q值等，从而确定滤波器拓扑结构。在CoupleFil中，输入中心频率2500MHz，带宽105MHz，Q值2000，通过设置滤波器腔数或阶数，从滤波器响应曲线中可以看到带内插损及带外抑制是否满足要求，从下图可知，要想满足指标要求，滤波器需6腔实现。在实际设计时，一般对指标留足余量（如带宽、抑制、驻波指标都需要提高一些）。

CoupleFil仿真分析

也可以通过CST的Filter Designer工具进行分析确定，其设置如下图所示。

CST Filter Designer仿真分析

由两种软件得到的结果完全相同，滤波器的基本参数如下。

仿真综合分析结果

3、建模仿真

根据综合分析的结果开始进行三维建模仿真，滤波器的三维建模仿真，比较常用的有HFSS、CST等，本文采用HFSS仿真实现。建模仿真包括单腔仿真、双腔耦合仿真、端口时延仿真、整体建模仿真、调试优化等步骤。

（1）单腔仿真

首先对滤波器单腔仿真，仿真确定单腔尺寸、频率、单腔Q值。

频率主要由单腔和谐振器结构尺寸决定，在没有尺寸限制或比较高频率时，单腔结构内只由单个谐振杆构成，在尺寸要求严苛或频率较低时，需要在腔体内优化谐振器结构以减小尺寸。

单腔的Q值与单腔结构尺寸、单腔阻抗、腔体表面材料等都有关系。腔体尺寸越大，单腔Q值越高，在尺寸没有限制的情况下，如果要求插损尽量小，可以设置腔体尺寸尽量大些。同轴腔体结构的Q值与其阻抗也有关系，当阻抗为76Ω时，理论上有最佳的Q值，此时整体插损也最小。腔体滤波器为了实现较高的Q值，减小的插损，在工程中一般常用铝腔体表面镀银。在仿真时需设置表面材料为银。

单腔仿真可以先使用工具软件AppCAD中的Square Coax得到初始单腔尺寸，单腔长度设置为1/8波长，如果Q值要求高，可以设置单腔阻抗76Ω，如果功率容量要求高，可设置阻抗30Ω，或折中处理。腔体滤波器同轴内导体实际工程中采用调谐螺杆实现，仿真设置时应设为实际的螺杆直径。

AppCAD中单腔计算

在HFSS中对单腔建模，采用本征模求解，计算单腔频率和Q值。本例为减小尺寸，单腔模型如下图所示。

HFSS中单腔模型

HFSS中单腔模型仿真结果

对频率调谐螺杆长度参数扫描，得到螺杆长度与单腔频率的关系曲线，可以作为后续调试的参考，如下图所示。

HFSS中调谐螺杆长度扫描与单腔频率关系曲线

由仿真结果可知，调谐螺杆越长，频率越低。2500MHz对应调谐螺杆长度7.6mm左右，螺钉长度占单腔高度一半，尺寸比较适中，便于调试及加工实现。

（2）双腔耦合仿真

建立双腔耦合模型，采用本征模求解，Number of Modes设置为2，设置变量BW=Mode1(2)-Mode(1)，对耦合带宽进行仿真，仿真模型如下图所示。实际工程中，一般采用螺杆来调试耦合，所以建立模型时将耦合螺杆长度设为变量，并对其进行参数扫描。

HFSS中双腔耦合仿真模型

HFSS中耦合螺杆长度与双腔耦合带宽仿真关系曲线

由仿真曲线可知，耦合螺杆越长，耦合带宽越宽。此次仿真的滤波器的耦合带宽对应耦合螺杆长度关系如下表所示：

（3）端口时延仿真

端口耦合通过仿真端口群时延确定，已知端口耦合Q值，通过其与端口群时延的对应关系，，即，在本例中Q=29.84，可得tmax=7.6ns。端口耦合有多种形式，如下图所示。在此采用第一种直径耦合的形式。

常见的端口耦合结构

在HFSS中建立端口仿真模型，设置端口，进行端口群时延仿真，如下图所示。

HFSS中端口耦合仿真模型

将端口高度设为变量进行参数扫描，可得到不同高度的端口群时延响应，如下图所示。

HFSS中端口耦合高度位置与端口群时延仿真关系曲线

由仿真曲线可知，端口耦合位置越高，时延越小，Q越小，端口耦合越强。此例仿真的滤波器的端口耦合高度为3.6mm左右。

（4）整体建模仿真

建立整体滤波器模型全仿真，将频率调谐螺杆、耦合调谐螺杆和抽头高度都设置为变量，带入前面仿真的初始尺寸，最终的仿真模型如下图所示。

HFSS中滤波器整体仿真模型

初始仿真结果如下图所示，很明显频率偏低太多，由于整体建模后，增大了腔体尺寸，频率会偏低，可以先将频率整体提高再做优化。

HFSS中初始模型仿真结果

HFSS中将频率稍作修正仿真结果

（5）调试优化

有了初始的模型，后续还需对模型进行进一步优化。调试优化有多种方法，在此介绍一种比较简单直观的，即采用CST中的Filter Designer工具进行优化。

将HFSS中的仿真结果导出.s2p文件，再将该.s2p文件导入导CST Filter Designer中拟合，即可看到每个参数的偏差情况，按照偏差情况进行调整对应的物理尺寸，经过几次迭代即可得到理想的仿真结果。

HFSS仿真结果导出.s2p文件

CST Filter Designer中导入HFSS的仿真结果进行拟合

经过多次拟合后HFSS中最终仿真结果曲线

经过多次迭代优化后得到最终的模型尺寸及仿真曲线如图，从曲线可知，仿真结果达到了设计指标要求。

经过多次拟合后最终模型尺寸

4、结果

经过建模仿真优化，到此完成了整个滤波器的仿真设计过程，对于实际制作腔体滤波器，到此就可以根据仿真设计的结构进行加工出图，包括腔体、盖板、射频连接器的选取、表面处理说明等等。此例仅作腔体滤波器仿真示例，在实际应用中还需更多的考虑最终的加工制作可行性、加工成本考虑、最终的调试便利等。