滤波器设计软件有哪些超导滤波器原理讲解 _知识分享

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。

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常见的腔体滤波器（图片来源与网络）

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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。
指标项值中心频率2500MHz
带宽100MHz
带内插损≤1dB
带内波动≤0.5dB
带外抑制≥40dBc@f0±100MHz
带内驻波≤1.5
端口阻抗50Ω
尺寸≤70mm*45mm*20mm
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）。

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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。

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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。

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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。

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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。

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HFSS中单腔模型

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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。

滤波器设计软件有哪些 超导滤波器原理讲解

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