双同轴腔DC-SIR带通滤波器设计

式中w为相对带宽。  

经计算可得Qe1=Qe2=110.2，k1，2=k3，4=0.0836，k2，3=0.066  

HFSS仿真分析  

在Ansoft HFSS中建立三维模型，分别仿真单腔的谐振频率、外部品质因素Qe和耦合系数k。根据计算的结构参数，在Ansoft HFSS里面建立单腔的谐振频率扫描模型。在仿真扫描谐振频率的时候不需要加激励，在Eigenmode模式中改变谐振器顶部加载的频率调谐螺钉长度，可以调节谐振腔的谐振频率。当频率调谐螺钉长度增加时，加载的电容增大，谐振频率降低。

建立外部品质因素Qe计算模型（图2），在单腔模型中加入激励可以计算Qe，在边界设置的时候把激励在腔外的一段设置成LumpRLC边界，并且设置这段导体的阻抗为50Ω。通过扫描激励的高度和激励到谐振杆的距离可以得到期望的Qe。  

建立耦合系数扫描模型（图3），建立两个谐振腔，中间通过矩形空气孔耦合连接起来，通过扫描耦合孔的宽度和深度，可以得到不同的耦合系数，具体耦合系数的计算公式为：  

其中f1和f2为Eigenmode模式下的谐振频率。  

在设计中，仿真扫描耦合系数时一般都要在耦合孔上面加耦合螺钉，以便设计调试滤波器时修正加工与仿真的误差。  

通过与前面计算的耦合系数理论值的比较，可以选择合适的耦合孔及耦合螺钉的初始值建立整体仿真模型（图4）。一般这种初始值进行整体仿真的结果与期望的滤波器指标有一定的偏差，通过调节耦合螺钉的深度、激励的位置以及频率调谐螺钉的深度可使滤波器达到期望的指标。  

在该滤波器的结构实现中，选择方腔边长10mm，方腔高度11mm，谐振杆低阻抗部分半径4mm，低阻抗部分长度3.5mm，谐振杆高阻抗部分半径1.3mm，高阻抗部分长度4.6mm，谐振杆顶部空腔半径3mm，空腔高3mm。  

仿真结果及分析  

通过优化得到滤波器的仿真结果如图5所示，在仿真过程中为了提高仿真速度，全部的材料都设置成理想材料，所以仿真结果中滤波器插损为零。实际测试的滤波器的波形如图6所示，可以看出，该方法设计的滤波器实际测试的结果与仿真的结果非常吻合，能够达到指标要求。  


在本文中首先忽略DC-SIR的空腔对谐振杆结构的影响，通过计算得其基本结构参数，再使用Ansoft HFSS场仿真软件对空腔的尺寸及谐振杆低阻抗部分的长度进行优化，并对滤波器的外部品质因素Qe、级间耦合系数和谐振频率等进行单独仿真，最后整体仿真，确定滤波器的最终尺寸。测试结果表明，实际滤波器指标与仿真结果基本一致，说明了该方法设计滤波器的可行性。