做滤波器插损降不下来？先吃透谐振器 Q 值与结构选型

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作者 | stone 仿真秀优秀讲师
首发 | 仿真秀APP  

   

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01    

品质因数与带通滤波器插入损耗的关系    

在设计带通滤波器时，尤其是耦合谐振结构带通滤波器时，品质因数(Q0)是设计师考虑的一个重要因素。在其它参量不变的情况下，Q0越高则带通滤波器的插入损耗就会越低。

通常在分析指标时，在规划好多少级谐振器后，就要考虑多大的Q0合适，以及用什么样的结构来呈现。这些我们现在都可以使用EDA设计软件如CST、Couplefil等来进行分析，目前常规谐振器的Q0大致可以参考如下：

• LC或微带结构：约为50 – 200
• 悬置带线结构：约为200 – 700
• 同轴梳状和交指：约为1000-2000
• 同轴腔体：约为1500 – 4500
• 波导：约为5000以上
• 介质：约为1000 - 20000

以这款中心工作频率为3GHz，带宽100MHz的带通滤波器举例说明Q0对损耗的影响。这里我们使用的是CST内部集成的Filter Designer 3D来分析。保持滤波器阶数为5和回波损耗为15dB时，当设置Unloaded Q为180时，中心频率3GHz处的插入损耗为-4.97dB，当增大Q0为2000时，可以明显看到插入损耗为-0.45dB。

谐振器Q0为180时

谐振器Q0为2000时

Q0在180左右我们可以选择LC或者微带线结构。若要求较低的插入损耗Q0则要求大于2000，可以考虑同轴腔体结构。学会通过判断滤波器需要的Q0，然后选择对应的谐振器结构，是我们微波滤波器设计者所需掌握的一个技能。

02    

滤波器仿真实例分析    

下面以一个实际的滤波器仿真实例来介绍Q值对插入损耗的影响。滤波器的指标如下：

• CenterFrequency: 3GHz
• Bandwidth: 100MHz
• Insertion Loss: <5.0dB
• Return Loss: >15dB
• Rejection: >40dB@2850MHz, >40dB@3150MHz

   

   

滤波器参数计算  

耦合带通滤波器指标分析可以采用的方法有很多，如公式计算、查表和辅助设计软件等。这里我们采用自己编写的Excel表格来计算滤波器的阶数和耦合系数。带入滤波器指标，N要求大于等于4.03，因此这里我们取整数N=5。

带通滤波器阶数计算

计算得到阶数也就是谐振器数量后，再计算耦合系数与外部Qe，这里同样使用这个Excel表格，只需要输入中心频率、带宽和回波损耗要求，再找到对应5阶的耦合系数与时延即可。

带通滤波器耦合系数与时延计算

   

   

电路仿真验证  

计算得到上述设计参数以后，为验证这个滤波器的可行性，可以将这些参数带入ADS中创建一个耦合带通滤波器电路，然后查看其理论响应曲线。下图是带入上面Excel表格计算得到的参数后的滤波器响应曲线。

ADS带通滤波器仿真电路

ADS带通滤波器响应

ADS带通滤波器馈电端群时延响应

   

   

三维电磁仿真  

ADS的电路仿真验证无误后，则可以在HFSS中进行详细的分步骤仿真。耦合结构的带通滤波器的一种设计方法是分析频率-扫描耦合-再仿真时延，具体的设计流程如下所示：

耦合带通滤波器设计流程

这里我们只在HFSS中进行仿真验证，不涉及图纸加工和实物调试。第一步进行谐振器仿真，这里我们采用微带结构来设计。所使用板材是Rogers4350B，板厚0.762mm。HFSS中创建的开口谐振环谐振器如下图所示：

HFSS开口谐振环滤波器谐振器频率仿真

调整谐振环的尺寸和开口尺寸，使其谐振频率工作于3GHz处附近。

HFSS开口谐振环滤波器谐振器频率仿真

谐振器仿真完成后，进行耦合结构的仿真，由谐振器仿真确定的尺寸，建立双谐振器仿真模型，扫描谐振器之间的间隙S，使其对应计算得到的耦合系数。耦合仿真模型如下：

HFSS开口谐振环滤波器耦合仿真

HFSS开口谐振环滤波器耦合仿真数据

耦合仿真 主要是计算得到谐振环的间距Sij与耦合系数kij之间的对应关系。

最后进行输入输出结构仿真，这里采用直接馈电的形式，HFSS模型如下所示：

HFSS开口谐振环滤波器输入时延仿真

通过频率-耦合和时延仿真，一般我们就得到一款耦合带通滤波器的初始设计参数。请注意这里并不是最终的设计参数，很多朋友说完成上述分析过程后，建立的全仿真模型，仿真得以的S参数很差。要得到最终准确结果，还需要进行调试和优化。这里我们先利用前面的分析得到的参数创建全仿真模型，如下图：

HFSS开口谐振环滤波器全仿真模型

HFSS开口谐振环滤波器初始响应

从仿真结果来看，这款滤波器主要问题就是频偏，主要表现为频率往高频方向偏移。这个时候我们就要对其参数进行调试或者优化，使其工作于3GHz处附近，并且回波损耗要满足-15dB。调试完成后的滤波器响应如下所示：

HFSS开口谐振环滤波器优化后的结果

从最终的结果来看，回波损耗满足要求，只是插入损耗较差，最差一点的插入损耗只有-6.5dB，这和我们想要-5.0dB差距较大。

   

   

提高Q值优化插入损耗  

那要想解决这个问题，通过前面的介绍可知，只需要提高谐振器Q值即可，也就是找到一种高Q的谐振器来设计这款滤波器。一种方法是抛弃平面结构，选择三维结构的同轴腔体滤波器来实现，同轴结构的谐振器Q值一般在1500以上，通过CSTFilter Desinger 3D来看，可以直接将插入降低到-0.5dB。还有一种方法是保持当前所使用的板材不变，使用悬置带线结构。

悬置带线的带通滤波器设计过程和这里介绍的微带滤波器过程类似，都是仿真频率-耦合和时延，最后再进行全仿真调试与优化。详细的过程我们这里不在介绍，最终采用悬置带线仿真这款滤波器的模型和结果如下所示：

HFSS悬置线结构开口谐振环滤波器模型

HFSS悬置线结构开口谐振环滤波器优化后的结果

可以看出，保持板材不变，只是将其改换为悬置结构后，滤波器的插入损耗就有极大的改善，从-6.5dB改善到了-2.97dB。主要原因就是悬置线结构的谐振器的Q0相比微带结构有了较大的提升。

HFSS悬置线结构开口谐振环谐振器频率与Q0

最后总结一下，谐振器的品质因数Q0在一定程度上影响了滤波器的插入损耗，若想到得到一个较低损耗的滤波器，可以采用高Q0的谐振器。当然品质因数并不是影响滤波器插入损耗的唯一因素，滤波器的阶数、带宽和带外抑制在一定程度上也会影响插入损耗，作为滤波器设计者我们要综合考虑尺寸、功率和设计成本，选择合适的滤波器结构。

03    

微带滤波器仿真与设计攻略    

综上所述，谐振器 Q 值对滤波器插入损耗起着决定性作用，同时滤波器阶数、带宽、带外抑制、结构选型等也会综合影响整体性能，设计中需要兼顾尺寸、功率、成本多维度选型适配。

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第一章 微波滤波器基础

 讲1 课程内容简介

 讲2 软件设置与建模技巧

 讲3 微波滤波器技术参数

 讲4 低通原型滤波器

 讲5 频率变换——低通-低通的频率变换

 讲6 频率变换——低通-高通的频率变换

 讲7 频率变换——低通-带通的频率变换

 讲8 频率变换——低通-带阻的频率变换

 讲9 倒置变换器(K、J变换器)

 第二章 低通滤波器仿真与设计

 讲10 LC低通滤波器

 讲11 半集总低通滤波器

 讲12 微带低通滤波器设计——阶梯阻抗微带低通滤波器

 讲13 微带低通滤波器设计——开路短截线微带低通滤波器 

讲14 微带低通滤波器设计——椭圆函数微带低通滤波器 

讲15 微带低通滤波器设计——带传输零点微带低通滤波器

讲16 扩展——同轴阶梯阻抗低通滤波器 

讲17 含金属屏蔽腔的微带低通滤波器

 讲18 悬置带线低通滤波器

 第三章 高通滤波器仿真与设计

 讲19 LC高通滤波器

 讲20 半集总高通滤波器

 讲21 最佳分布式高通滤波器

 讲22 悬置带线高通滤波器

 第四章 带通滤波器仿真与设计

 讲23 LC带通滤波器

 讲24 耦合谐振式带通滤波器

 讲25 平行耦合微带带通滤波器

 讲26 微带发夹线滤波器

 讲27 微带梳状线滤波器

 讲28 微带交指线滤波器

 讲29 悬置带线带通滤波器

 讲30 低通、高通级联设计带通滤波器

 第五章 带阻滤波器仿真与设计

 讲31 LC带阻滤波器

 讲32 窄带带阻滤波器

 讲33 宽带带阻滤波器

 讲34 悬置带线带阻滤波器

 第六章 双工器与多工器

 讲35 微带双工器

 讲36 悬置带线双工器

 讲37 多工器概念与设计

（完）    

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