寫下這個題目時頓覺胸中有千言，下筆已忘言。從哪里寫起呢，帶通濾波器是一個太寬泛的概念了，窄帶的寬帶的，LC/微帶/同軸/波導/介質的。各種花樣的諧振器，各種花樣的耦合結構。但不管如何變化，有兩個概念始終無法避開；諧振和耦合，各種設計方法也都是為了如何準確的確定諧振頻率和諧振器間的耦合量。各種技術進步也都是為了找到更小，Q值更高的諧振結構。

同時自己為什么這么喜歡濾波器，濾波器是微波的一個基礎器件，在前人的論文中已經證明了任何寬帶匹配網絡都是濾波器結構，自己對微波的感覺也從這個器件中獲益良多。

· 一個波導同軸轉換是一個濾波器結構
· 一個極化轉換器是一個濾波器結構
· 一個OMT是一個濾波器結構
· 一個功分器也可以是一個濾波器結構
· 甚至一個天線也是一個濾波器結構（實現了50歐和自由空間阻抗的匹配）
· 你也可以把濾波器和衰減器結合起來設計一個均衡器

當通過大量的實踐，有了大量不同結構的諧振結構和耦合結構的概念，我們在微波有源產品設計中你可以感覺到信號可能會從那些地方竄來竄去，你可以讓你的鏈路更加干凈有序。未來一段時間計劃總結一下有價值的濾波器設計理念，今天用一個5階1805MHz～1880MHz的同軸梳線濾波器的例子來說明如何設計一個簡單的帶通濾波器。

1.帶通濾波器的設計步驟

一個帶通濾波器應該遵循以下設計步驟：

1.1）指標分析，方案初步規劃：多少級諧振，多大的Q值合適，什么樣的結構形式。這些可以通過couple-fil進行，結構形式能達到的功率容量/溫度特性/Q值等物理特性需根據經驗判斷。一般情況下Q值為：

· 微帶/LC：一個量級 約為50～200左右
· 懸置帶線/螺旋濾波器/TEM介質：約為200~ 800量級
· 同軸梳線：800～2000量級
· 波導：6000左右
· TE01介質：1000~ 20000左右

1.2）結構規劃：結構規劃是產品設計很重要的一步，通過結構規劃你可以確定諧振器如何排布，用什么樣子的耦合方式合適，為后續設計指明方向。

1.3) 仿真

1.4）出圖

該文章主要介紹如何進行快速仿真設計。

2.濾波器仿真步驟

現在有很多軟件可以直接算出濾波器結構尺寸的初值(ansoft designer/ADS/genersys/uwave等)，本文介紹如何自己一步一步確定結構尺寸。仿真實例地址：鏈接：https://pan.baidu.com/s/1oAgeKEQ 密碼：ipl3

2.1）本征模式確定單個諧振器尺寸

在計算本征模式前，我們可以通過計算傳輸線波長大致估算出諧振器長度，但很多時候產品尺寸受限，就只能在限制范圍內進行諧振器設計了。本振模的詳細設置見附件實例eigenmode 設計。

圖1 本征模式頻率和Ｑ值仿真結果

2.2）確定輸入耦合抽頭位置

通過excel的計算小工具  地址：鏈接：https://pan.baidu.com/s/1o9ZtjCm 密碼：xs23  可計算出5階該濾波器的理想群時延和外部Q值。

圖2 5階1840MHz BW80M濾波器理想設計參數

確定輸入耦合有兩種方式一種回波群時延方式，一種外部Q值方式（用PML端口加eigenmode仿真Q值即可）本文通過群時延方法來確定輸入耦合，模型和結果如圖 3所示（第二個諧振器失諧或不畫），抽頭位置大約為5.5mm。

圖3 輸入耦合仿真

3.3）確定級間耦合尺寸

級間耦合也有兩種確定方式，耦合系數法和群時延法，耦合系數法采用雙諧振器本征模式仿真出2個模式，通過(f1²- f2²) /(f1²+f2²)來計算耦合系數。本文采用群時延法。查圖2的表格知道12耦合群時延需要10.5ns，23耦合群時延需要21ns。

級間耦合有很多種方式改變，可以通過調整兩個諧振器間的距離來實現，可以固定間距通過加脊或加窗實現，此處為方便起見通過改變諧振器間距離來實現。將第二級諧振器高度調整到第一級諧振器相同的高度。通過掃描兩個諧振器間距離來找到合適的耦合參數。

模型和第一次掃描結果如圖 4所示，第一次掃描發現兩個頻率沒有對齊（群時延圖形不對成），那是因為輸入耦合對第一級諧振頻率存在牽引。選定一個間距例如LS1=14mm，微調一下諧振器2的高度，使群時延圖形對稱。掃描結果見圖5。

圖4 級間耦合第一次掃描

圖5 級間耦合第二次掃描

通過第二次掃描可知，諧振器2高度取27.3mm，12諧振器間距取14.5mm，23諧振器間距取略大于16，這里取16.5mm.可以加寬掃描范圍獲取更準確的值。

2.4）濾波器整體模型初步仿真

通過前面的步驟獲取了諧振器尺寸和耦合尺寸，現在就可以把這些尺寸帶入模型進行濾波器整體仿真了。模型和初步結果見圖 6?？梢钥吹交旧蠟V波器的形狀已經出來了，駐波稍差。

這是因為加入12以及23耦合后對諧振器2和3有頻率牽引，通常濾波器中間的諧振器尺寸基本相當，這里使h3=h2再進行一次細微掃描，結果應該就會比較好了，掃描了一次結果見。

圖6 濾波器初步仿真結果

圖7 略微掃描h2的高度后的結果

實際上對于腔體類的濾波器由于存在大范圍的調諧裝置，到了這個階段基本不需要去把模型優化的非常精細了，可以直接出圖紙加工了。出圖時稍微減小一些諧振器高度，避免加工出來的產品頻率偏低無法調試。

其他所有類型的濾波器都可以通過這樣的步驟來做到精確設計。

作者：趙強 微信號：q_zhao_ls

簡介：
2004～2011 華中科技大學 微電子學與固體電子學 碩士
2011～2015 中電29所西科微波通訊有限公司
2015~ 2018 華為技術有限公司
2018～至今 航天微電科技有限公司成都分公司

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