腔体滤波器设计解析
金属同轴腔滤波器设计要点
金属同轴腔滤波器设计摘要近年来，随着移动通信、导航技术和电子对抗的快速发展，对现有微波元器件的需求和性能的改进都提出了很高的要求。
同轴腔体带通滤波器作为微波带通滤波器中应用最广的一种滤波器，具有功率容量大、插入损耗低、寄生通带远等特点,在现代无线通信、数字电视广播、卫星导航、遥测遥感和雷达等系统中得到了广泛的应用。
本文对同轴腔体带通滤波器做了详细的分析，分析讨论了同轴谐振腔的电磁特性，主要包括谐振频率、谐振腔的耦合结构和外部品质因数等。
利用响应函数得到腔体之间的耦合系数。
应用三维全波仿真软件,分析了腔体结构参数与耦合系数和耦合窗的关系。
最后论文给出了同轴腔滤波器设计实例，测试结果性能良好，符合设计指标要求。
关键词：微波滤波器带通滤波器同轴谐振腔全波仿真分析1ABSTRACTWith the rapid development of mobile communication system, the quality of microwave components is becoming more and more important. As a microwave band-pass filter, coaxial cavity filter is widely applied in modern wireless communication and radar systems, for its high power capacity, low insertion loss and far spurious pass-band.Based on the research of coaxial filter, the electromagnetic properties of coaxial cavity resonator are proposed in the paper, including resonant frequency, coupling structure and external Q of the cavities. The coupling coefficient of filter can be getting by utilizing response function. The width of coupling windows and in-put/out-put coupling lines are acquired by full wave simulation and optimization. At last, a coaxial cavity filter is designed and measured, which has perfect performances and is satisfied with the technical specifications.Key Words: microwave filter band-pass filter coaxial resonator full wave simulation目录一绪论 (1)1.1前言 (1)1.2常见的滤波器形式 (1)1.3国内外发展现状 (3)二滤波器的基本概念 (5)2.1滤波函数 (5)2.2微波滤波器参数 (7)2.3低通滤波器到带通滤波器的转换 (7)三同轴腔带通滤波器的设计 (8)3.1滤波器的设计步骤 (8)3.2滤波器的设计方法 (8)3.2.1前言 (8)3.2.2设计指标 (9)3.2.3参数计算 (9)3.3仿真与测试 (10)3.3.1仿真 (10)3.3.2 实物加工与测试 (13)总结 (14)参考文献 (16)一绪论1.1 前言随着通信、广播、雷达、测量、遥感、空间技术和电子对抗技术等的逐步发展，从米波段一直到毫米波段以至更广阔的波段上，微波滤波器在雷达、信号处理、通信等不同电路系统的传输、变换处理和收发中有广泛应用[1]。
hfss腔体滤波器设计实例
hfss 腔体滤波器设计实例在微波带通滤波器的设计中，我们经常采用腔体交指型结构。
它具有插损小、带外抑制度高、结构紧凑、体积小等优点。
对于腔体交指型带通滤波器的设计，现在比较广泛的的思路是：只考虑相邻两耦合杆之间的耦合关系，忽略相邻杆以外的边缘电容的影响，因而采用两个沿结构传输的TEM 正交模来描述，即奇模和偶模。
而实际在这种滤波器结构中所有的谐振杆之间都存在耦合，因此这种方法只是一种简化的近似设计。
采用这种方法设计的产品性能差，表现在带内插损和波纹大，矩形系数不好等，一般无法满足现在通讯的要求，我们还要花大量的精力对滤波器进行调整，以提高其性能。
甚至需要重新加工再生产，这大大增加了产品的研制成本和周期。
因此我们必须对滤波器进行精确的设计，即在工程设计中将所有谐振杆的耦合都考虑进去，而这不是传统的手工计算可以完成的，必须借助计算机软件进行辅助设计。
自上世纪70 年代以来，CAD 工具在微波工程领域得到越来越广泛的应用。
经过多年的发展，目前国内外已有多种微波CAD 软件，而以Ansoft公司的HFSS 效果最佳。
通过该软件我们可以方便的得到各种物理模型，进而对该模型进行电磁场的仿真。
计算结束后我们就可以得到所需的场结构和相关的S 参数，也就知道了该滤波器的电性能情况。
本文用一个实例介绍了一种设计思路，借助计算机利用Ansoft 公司的HFSS 软件对腔体交指型滤波器进行精确设计，实验表明用这种方法设计的滤波器有通带平坦、插损小、精确度高等特点。
hfss 腔体滤波器设计实例下面通过一个S 波段的五级滤波器的设计实例加以说明。
首先我们通过简化的近似计算得到该滤波器的几何数据的初值，由于这类滤波器的粗略设计的方法已经很成熟，因此这里不进行详细介绍，直接给出（详细情况可参看《现代微波滤波器的结构与设计》）。
但这一步也是非常重要的，初值的好坏直接关系到我们利用软件计算优化的快慢。
我们知道，对交指型滤波器的理论分析由平行耦合线滤波器演化而来。
腔体滤波器设计
V Transmitted
V Transmitted V Incident
=
Transmission Coefficient =
T
V
=
=
t t
Insertion Loss (dB) = - 20 Log
Trans Inc
V V
Gain (dB) = 20 Log
Trans Inc
- 20 log
2005-3-27
Allrizon Communication Corp
Measuring S-Parameters
a1
Incident
S
21
Transmitted
DUT
b2 Z0
Load
Forward
S S = =
S 11 b1
Reflected
a2 = 0
11
b1 Reflected = a Incident 1
2005-3-27
Allrizon Communication Corp
耦合谐振滤波器最基本的耦合结构
馈源只与一个谐振器耦合，负载 端仅与一个谐振器耦合，且中间只 有一条耦合路径即主路径，各级谐 振器之间逐级耦合。
2005-3-27
Allrizon Communication Corp
梳状线滤波器结构示意图
For reflection, a transmission line terminated in a short or open reflects all power back to source
2005-3-27 Allrizon Communication Corp
Reflection Coefficient
传统的滤波器一般是利用金属同轴腔体实现金属同轴腔体由于自身
介质滤波器介绍
传统应用的滤波器一般是由金属同轴腔体实现（实现原理如图1所示），金属同轴腔体由于自身材料损耗的原因，在限定腔体尺寸的情况下，无法取得很高的品质因数（Q值），导致各项性能指标都受到了限制，即使在金属表面采取一定的表面处理，也无法取得令人满意的结果。
图1 腔体滤波器实现结构原理
在欧美以及日本等发达国家，频率应用非常密集，导致了普通金属腔体滤波器不能实现高抑制的系统兼容问题，而采用介质材料来制作腔体滤波器就从根本上解决了上述问题，介质滤波器抛弃了传统的金属腔体，采用了一种高Q值的陶瓷介质材料（如图2所示），大大减小了腔体自身的损耗，提高滤波器的各项性能，特别是在相邻较近的频带能实现高抑制要求，而对插入损耗指标影响很小。
相比传统金属腔谐振器，介质滤波器具有插损小、高抑制、温度漂移特性好的特点，而且功率容量和无源互调性能都得到了很大的改善。
介质滤波器作为一款新型的无源射频器件，代表着高端射频器件的发展方向，凭借其优良的性能，势必会在民用通信领域中拥有为广阔的应用空间。
图2 介质滤波器
而介质滤波器应用到的介质谐振子不是自然界存在的，必须进行人工合成制作，需要通过各种材料，按照一定的比例铸压成为目前我们使用的介质谐振腔，制作工艺复杂也就导致了其价格要远大于
一般金属腔体滤波器。
另外，由于需要实现高Q值的谐振腔体实现需求，而且介质滤波器的体积也明显大于传统滤波器（如下图所示）。
850MHz频段的传统金属腔滤波器与介质滤波器比较
目前国内各个设备供应商都在积极的研发新型的介质滤波器产品，但是受到介质滤波器的技术难度以及开发成本高等各因素的限制，介质滤波器的应用不是十分广泛。
腔体滤波器设计报告 2
腔体滤波器设计报告学生姓名：彭聪学号：201222040413单位：物理电子学院时间:2013年5月28日一、技术指标：频率范围：1710~1880MHz；带内插损：≤0.8dB带外抑制：@960MHZ>80dB@2200MHz>80dB带内波动：≤0.6dB端口阻抗：50ohm二、理论分析微波滤波器被广泛的应用于微波通信、雷达导航、电子对抗、卫星通信、导弹制导、测试仪表等系统中，是微波和毫米波系统中不可缺少的重要器件，其性能的优劣往往直接影响整个通信系统的性能指标。
1、微波滤波器分类2、微波滤波器一些理论（1）Q 值与谐振微波滤波器是由谐振回路以某种方式排列再通过耦合结构把这些谐振回路组合在一起构成的。
不同的谐振回路，谐振频率的范围和Q 值差别很大。
因此，不同结构的滤波器适合不同的工作频率和带寛。
LC 滤波器、声表面波/体声波滤波器、螺旋滤波器、梳状滤波器的工作频率比较低。
介质滤波器、波导滤波器工作频率比较高。
谐振回路Q 值高、滤波器工作带寛可以做的比较窄。
（2）滤波器的性能指标a.频率范围21ωω−和带宽bw ：对于带通和带阻滤波器而言，也指衰减加大到某一确定值时的频率范围，如11121dB dB dB BW f f =−称为1dB 通带带宽或1dB 阻带带宽。
带宽决定着滤波器分离信号中相邻频率成分的能力——频率分辨率。
b.插入损耗：插入损耗即描述了通带内的功率损耗大小。
其表达式为：22110log10log L inP IL S P =−=−c.回波损耗（Reflection Loss 缩写RL ）：回波损耗是描述滤波器性能的一个敏感参数，同时回波损耗（RL ）、驻波系数（VSWR ）和反射系数（Γ）三个参数是相关的，通常用来表征滤波器反射特性。
回波损耗的公式定义以及三者之间的关系为：22110log10log(10log()1R in P VSWR RL P VSWR −=−=−=−Γ+d.带外抑制（Rejection 缩写RJ ）：在给定的频率下，带外信号的插入损耗大于最小带内信号的插入损耗的数值。
腔体式带通滤波器的研究与设计
西安科技大学硕士学位论文腔体式带通滤波器的研究与设计姓名：***申请学位级别：硕士专业：通信与信息系统指导教师：***2011论文题目：腔体式带通滤波器的研究与设计专业：通信与信息系统硕士生：刘健（签名）指导老师：刘新良（签名）摘 要近年来，随着移动通信、电子对抗和导航技术的飞速发展，对新的微波元器件的需求和现有器件性能的改善都提出了很高的要求。
微波带通滤波器作为一种重要的微波元器件在近几年来也得到了大力的发展。
因此，对微波滤波器理论和设计方法的研究，已经引起了国内外器件工程师的极大兴趣。
本文以腔体式带通滤波器为研究的对象，采用综合法的经典公式与计算机仿真工具相结合的方法简化了设计过程，提高了设计和加工的准确性。
在整个研究的过程中，概括起来主要做了以下几个方面的工作：1. 从滤波器的网络设计理论入手，在耦合谐振腔带通滤波器的理论基础上，研究了从低通原型滤波器到耦合谐振腔可调带通滤波器的设计过程。
2. 针对腔体式带通滤波器的设计，研究分析了滤波器频率变化和滤波器性能参数之间的关系，得出实际设计时所需参数和滤波器结构的设计公式。
3. 依据设计指标，明确采用切比雪夫函数带通滤波器，并利用HFSS仿真软件对几何尺寸参数的初值进行了仿真、优化，以得到滤波器几何尺寸参数的终值，使其能够满足最初的设计指标要求，最终的仿真结果说明了这种方法的可行性和实用性。
关键词：带通滤波器；微波滤波器；同轴腔；切比雪夫滤波器；HFSS研究类型：应用研究Subject : The Cavity Asana Band-pass Filter Research and Design Specialty ：Communication and Information SystemName ： Liu Jian (Signature)Instructor：Liu Xin-liang (Signature)ABSTRACTWith the rapid development of the mobile communication industry，the electronic countermeasure and the technologies of navigation in recent years，the demand of new microwave components and the requirement of improving the quality of the existing microwave components are very high．Therefore the Microwave Band-pass filter, as an important microwave component, is well developed in recent years. Domestic and foreign engineers are very interested in the research of Microwave filters theory and practical design for the microwave filters．This paper chooses cavity asana band-pass filter as research object, combining the method of the synthetic classic formula with computer simulation tools to study, therefore simplifies the design process, and improve the accuracy of designing and machining. In the process. The study mainly includes several aspects:1.Starting from the network design theory of filter, based on coupling resonatorband-pass filter theory, this paper studies the design process developed from Low-pass prototype filter to Coupling resonance cavity adjustable band-pass filter.2. To design cavity band-pass filter, this paper researches and analyzes the relationshipbetween filter frequency variation and filter performance parameters. As a result, it finds out the designing formula.3. According to the design index, this research makes use of Chebyshev functionband-pass filter, and uses HFSS simulation software to simulate and optimize the initial geometric parameters to get the final value of geometric parameters of filter, so it can meet its original design requirements. The final simulation results demonstrate the feasibility and practicability of this method.Key words：Band-pass filter Microwave filter Coaxial-cavity Chebyshev HFSS Thesis ： Application Research1 绪论1 绪论1.1 滤波器概述当前，无线通信技术高速发展，业务范围不断扩大，人们对无线产品的需求迅速增长。
宽带同轴腔体滤波器的设计
宽带同轴腔体滤波器的设计
宽带同轴腔体滤波器的设计：
宽带同轴腔体滤波器（wideband coaxial cavity filter）是一种用于过滤信号的电路，主要由多个同轴腔体组成。
它通常应用在射频（RF）和微波（microwave）系统之间，用于过滤掉某一特定频率以外的所有不需要的信号。
它能够有效地将某一特定范围内的信号通过，而抑制其他频率范围内的信号。
宽带同轴腔体滤波器的设计主要由以下几个步骤组成：
第一步：定义滤波器的频率范围。
根据不同的应用场景，需要选择恰当的频率范围。
第二步：选择合适的材料。
由于同轴腔体滤波器需要使用电磁相关的材料，因此需要根据应用场景选择合适的材料。
第三步：确定同轴腔体的尺寸。
根据滤波器的频率范围和材料性质，需要确定同轴腔体的尺寸和形状以满足该频率范围的电磁特性。
第四步：确定滤波器的工作电压和阻抗。
为了确保滤波器的正常工作，必须确定滤波器的工作电压和阻抗。
第五步：调整滤波器的特性。
调整滤波器的特性可以通过改变滤波器中的阻抗元件的参数来实现。
最后，宽带同轴腔体滤波器的设计需要充分考虑上述几个因素，以确保滤波器能够正常工作，并达到所需的性能要求。
同轴腔体滤波器设计入门-无交叉耦合结构
同轴腔体滤波器设计入门-无交叉耦合结构同轴腔体滤波器设计入门（无交叉耦合结构）仿佛记得射频铁三角是功率、频率、和阻抗。
涉及射频电路设计，总是离不开这三个要素。
那么在滤波器的设计中最关键的因素是什么呢？答案是谐振和耦合。
无论什么样的滤波器，终归离不开谐振和耦合。
以通信系统中常见的同轴腔体带通滤波器为例，谐振就是单腔的谐振，对于对称结构而言，单腔的自耦合为零，换句话说，每一个腔体都谐振在该带通滤波器的中心频率上。
同轴腔体滤波器的单腔可以被看作是一个由同轴传输线和分布电容构成的并联谐振器。
那么很容易理解，在谐振频率的时候，并联谐振器的对地阻抗为无穷大，即满足Z0tan（Bd）=1/wC的条件。
此时，信号可以无衰减的从一个腔耦合到下一个腔。
什么又是耦合呢，耦合指的是谐振器之间电磁场的相互作用，耦合包括级间耦合和输入输出耦合。
对于无交叉耦合的结构来说，级间耦合仅仅包涵非相邻腔之间的耦合。
对于级间耦合，需要理解阻抗变换器的概念，我记得《现代微波滤波器的结构与设计》上有句话是这么描述的，一个理想的阻抗变换器，好像是工作在任意频率上的四分之一波长变换线一样。
换句话说，一个理想的级间耦合在任意频率上都是四分之一波长的。
并不依赖于频率而存在。
实际中的耦合当然不是这样，腔间主耦合常常是磁耦合，而交叉耦合滤波器有时会用到电耦合。
那么通过电路仿真会发现，电耦合和磁耦合对于带外抑制的影响是不同的。
地址：深圳市南山区西丽镇新光路工业区10栋4楼腔间耦合为磁耦合时，阻带高端的抑制度会优于阻带低端。
而电耦合时，恰恰相反。
这是因为磁耦合和电耦合都是依赖于频率的，它们仅仅通带的在中心频率处可等效为四分之一波长线。
而带外则稍有差异。
造成了抑制度的差异。
那么腔间的耦合如何识别呢。
在HFSS中可以通过电磁场来判断腔间耦合。
磁耦合的情况下，在对称面上磁场是连续的，电耦合的情况下呢，对称面上电场是连续的。
这是一种很简单的方法适合初学者。
而对于一个有经验的设计者对于常用的耦合都非常熟悉，可以凭经验判断出耦合的方式。
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Reverse
a2
Incident
2005-3-27
Allrizon Communication Corp
S-Parameters with Common Measurement Terms
S11 = forward reflection coefficient (input match) S22 = reverse reflection coefficient (output match) S21 = forward transmission coefficient (gain or loss) S12 = reverse transmission coefficient (isolation)
将计算出的K值同Mii相结合准确计算出谐振器间的窗口大小（使 用工具为CST)
出设计图纸并调试，优化设计并作最终记录
2005-3-27
Allrizon Communication Corp
腔体滤波器的基本理论
电路模型
2005-3-27
Allrizon Communication Corp
耦合谐振滤波器最基本的耦合结构
腔体滤波器的设计流程
分析客户指标，结合机械结构初步确定谐振级数和Q值及零点个数 确定电路模型及拓扑结构
通过平面电路设计得到归一化耦合矩阵Mii及输入输出阻抗特性 (使用工具为TouchStone或Cleod)
机械结构设计验证上述电气指标设计特别是拓扑结构的可行性， 最终确定谐振级数和Q值
利用双腔本征模三维模型确定谐振铜管尺寸并计算耦合系数K值 （使用工具为CST)
通常谐振在大约1/8波长或更短以减少滤波器的尺寸
谐振器可用矩形杆或圆杆，方腔圆杆的阻抗计算公式： Z=(60/er^0.5)ln(1.0787b/a) er：相对介电常数 b: 方腔的边长 a: 谐振杆的直径 通常b/a约为3以实现Q值最优
2005-3-27
Allrizon Communication Corp
[例] 甲功率比乙功率大一倍，那么10lg （甲功率/乙功率）=10lg2=3dB。也就是 说，甲的功率比乙的功率大3 dB。
2005-3-27
Allrizon Communication Corp
dBm是一个考征功率绝对值的值，计算公式为： 10lgP（功率值/1mw）。
[例1] 如果发射功率P为1mw，折算为dBm后为 0dBm。
Incident
=
b1 a1
b
=
2
a1
a2 = 0 a2 = 0
S 22 = Reflected
Incident
S 12 = Transmitted
Incident
=
b2 a2
b
=
1
a2
a1 = 0 a1 = 0
Z0
Load
ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ
a1 = 0
b 1 Transmitted
DUT
S 12
b2
S 22
Reflected
电路原理图
2005-3-27
Allrizon Communication Corp
场分布
2005-3-27
Allrizon Communication Corp
电场分布：越靠近腔体顶部越强
磁场分布：越靠近腔体底部越强
总体来讲：谐振器间以磁耦合为主，窗口开得越大，
调节螺钉深得越靠近底部则耦合越大，反之耦合越 小。在仿真计算中，TouchStone中的Mii和CST中的K 值都是表征谐振器间的耦合系数，也是我们在仿真 计算过程中遇到的最主要的参数，它直接影响我们 最终的机械设计和产品性能。
2005-3-27
Allrizon Communication Corp
Measuring S-Parameters
a1
Incident
Forward
S 11
Reflected
b1
S 21
Transmitted
b2
Z0
DUT
Load
a2 = 0
S 11 = Reflected
Incident
S 21 = Transmitted
基本概念
1. 窄带滤波器的相对带宽：BW=(f2-f1)/f0 f1，f2分别是通带的起止频率 f0是通带中心频率 窄带滤波器的相对带宽一般在20%以下
2. 几个概念的辨析：dB，dBm，dBc
2005-3-27
Allrizon Communication Corp
概念辨析
dB是一个表征相对值的值，当考虑甲的 功率相比于乙功率大或小多少个dB时， 按下面计算公式：10lg（甲功率/乙功率）
[例2] 对于40W的功率，按dBm单位进行折算后 的值应为：
10lg（40W/1mw)=10lg（40000） =10lg4+10lg10+10lg1000=46dBm。
2005-3-27
Allrizon Communication Corp
dBc也是一个表示功率相对值的单位，与dB的 计算方法完全一样。一般来说，dBc 是相对于 载波（Carrier）功率而言，在许多情况下，用 来度量与载波功率的相对值，如用来度量干扰 （如互调干扰、交调干扰等）以及耦合、杂散 等的相对量值。如通带插损为1dB,带外隔离为 91dB,则隔离度为90dBc.
腔体滤波器的分析与设计
边登峰
Dengfeng_bian@
Outline
腔体滤波器的设计流程 腔体滤波器的设计相关的基本理论 Q值分析和测试 交叉耦合的功能和使用 温度对产品的影响 EDA设计工具的使用 Q&A
2005-3-27
Allrizon Communication Corp
2005-3-27
Allrizon Communication Corp
决定谐振频率的因素
f0 1/ LC
2005-3-27
Allrizon Communication Corp
1.谐振频率同波长成反比。频率越高单腔尺寸越小，频 率 越低单腔尺寸越大
2. L同谐振杆的尺寸密切相关。谐振杆越长越细，L越大， 频率越低；谐振杆越短越粗，L越小，频率越高
馈源只与一个谐振器耦合，负载 端仅与一个谐振器耦合，且中间只 有一条耦合路径即主路径，各级谐 振器之间逐级耦合。
2005-3-27
Allrizon Communication Corp
梳状线滤波器结构示意图
2005-3-27
注意：接地良好与否直接影响性能！
Allrizon Communication Corp
3. C可用谐振杆与盖板的间隙大小和谐振杆的法兰盘大小来 反映。法兰盘越大间隙越小则C越大，频率越低；反之则C 越小，频率越高
2005-3-27
Allrizon Communication Corp
谐振器间的耦合是由平行耦合线间的边缘场得到
在无集总电容C的情况下，谐振线应是1/4波长（中心频率）， 此时该结构是无通带的全阻带结构