耦合滤波器的功率容量分析
目 录
1 概述 .......................................................................................................................................... 2 2 功率容量的仿真分析 ................................................................................................................. 2 2.1 击穿场强的仿真分析 ........................................................................................................... 2 2.2 最大场强的仿真分析 ........................................................................................................... 2 2.2.1 整体模型仿真法 ............................................................................................................ 2 2.2.2 单腔本征模分析法： ..................................................................................................... 2 2.2.3 单腔模型对比法： ......................................................................................................... 3 3 分析举例 ................................................................................................................................... 3
第1页,共5页
第六章：耦合滤波器的功率容量分析
1 概述
射频带通滤波器通常由多个谐振器以及相互之间的耦合构成，为了能够产生传输零点，通常需要不相邻的两个谐振器之间的耦合，这种不相邻的耦合称作交叉耦合。本文主要介绍交叉耦合滤波器的电路模型分析与综合方法。
2 功率容量的仿真分析
滤波器输入功率越高，内部场强越大，当内部电场强度超过击穿场强时，将引起气体电离导通，形成短路，大功率在内部释放，产生的热量同时使得空气温度升高，加速气体的电离，形成恶性循环。对于镀银的同轴腔滤波器来说，热量使得表面温度升高，导致镀银层迅速氧化，形成氧化银黑点。
已知击穿场强Eb，和1瓦功率输入时的滤波器内部最大场强Em，从电磁原理可知，滤波器输入功率和内部场强的平方成正比，滤波器的功率容量为：
?Em?公式1. P???E??
?b?22.1 击穿场强分析
击穿场强Eb（V/m）主要和温度Te（℃）、气压Pa（毫米汞柱）、峰值功率持续时间?p（秒）、频率?（Hz），有效距离Leff（cm）密切相关。
??2??10620?公式2. Eb?375p?1?2??22?64000??
vpLp?c??effp????式中，
316273?p?Pa?273?Te 公式3. ??v?5?109p?c2.2 最大场强的仿真分析
滤波器最大场强的仿真有两个途径：
一是通过滤波器的模型综合，结构尺寸综合获得整个滤波器的精确尺寸，把滤波器的整个结构模型放入电磁仿真软件（HFSS，CST等）去仿真，分析得到内部最大场强，HFSS缺省的输入功率是1瓦，这种分析方法称作整体模型分析法。该方法直接准确，对于小模型的滤波器比较适用，比如单个谐振腔的滤波器，对于复杂的多腔滤波器来说，一方面准确的结构尺寸模型很难获得，另一
第5页,共5页
第六章：耦合滤波器的功率容量分析
方面HFSS仿真处理能力有限，复杂模型仿真精度低，花费时间长而得不到精确的结果，所以该方法通常不使用。
二是电路模型等效法，先通过滤波器的电路模型，分析输入功率1瓦时各个谐振腔的功率（储能和谐振频率乘积），再使用电磁仿真软件分析单个谐振腔的谐振频率、储能和最大场强，对比最大场强和击穿场强，得到单个谐振腔的最大功率。由于使用了等效的滤波器电路模型，以及只仿真了单个腔的结构模型，所以仿真结果上存在一定的偏差，通过后面的分析和试验验证，这种方法是快捷且行之有效的。
单个谐振腔的最大场强获取有本征模仿真法和单谐振腔滤波器仿真法，下面分别详细介绍。
2.2.1 单腔本征模仿真
这里以HFSS为例，介绍单腔本征模仿真法分析单个谐振腔的功率容量。仿真模型如下图所示，方腔40（W）×40（W）×28（H）。谐振杆尺寸Φ14×24，谐振盘尺寸Φ30×2，谐振杆内孔尺寸Φ12×15，调谐螺钉Φ6×10，顶部帽和上盖板间距是2，调谐螺钉和谐振盘边缘倒角1，所有尺寸单位是mm。谐振腔对称性，这里只仿真一半结构，对称面设为对称H面边界条件。
图1 本征模法单个谐振腔HFSS仿真模型
根据电磁理论，谐振腔的储能为：
公式4. W?0.5?0EdV
V?2谐振腔内部的最大场强和储能使用“Field Calculator”工具计算，结果如下，由于这里只仿真了一半结构，因此谐振腔储能应是仿真值的两倍。
仿真得到的谐振频率为934.85MHz。假设击穿场强为3000000V/m，单个谐振腔的功率容量为：
第5页,共5页
第六章：耦合滤波器的功率容量分析
?Eb??3?106?6?19公式5. P?2?fW??0.4532???214(kW) ?E???6.28?934.8?10?8.33?10?????m?222.2.2 单腔滤波器仿真法：
HFSS仿真模型如下，腔体尺寸和前面相同，同轴端口的内径和外径分别是3mm和7mm，端口中心的高度是8mm。
图2 单腔滤波器法HFSS仿真模型
该滤波器的传输响应仿真结果如下：
Ansoft Corporation0.00XY Plot 1cavity2Curve InfodB(S(WavePort1,WavePort2)Setup1 : Sweep1dB(S(WavePort1,WavePort2))-5.00-10.00-15.00800.00850.00900.00950.001000.001050.001100.001150.001200.00Freq [MHz] 图3 单腔滤波器的传输响应
由该曲线可以分析得到，滤波器的单腔谐振频率为973.34MHz，有载品质因子Qe为21.11。 由于只仿真了对称的一半结构，端口源的功率只有一半，因此在HFSS源设置中，“Scaling Factor”设为0.5，如下图所示。
第5页,共5页
第六章：耦合滤波器的功率容量分析
重新设置Setup中的分析频率为973.34MHz，完成后在“Field Calculator”工具中计算最大场强，由于滤波器中电场的幅度随着输入信号的相位变化而变化，以及端口输入信号的相位具有不确定性，这里需要分析复电场的幅度，最大场强为30980V/m。
假设击穿场强为3000000V/m，则谐振腔的功率容量为：
2?Eb??3000000??公式6. P?Qe??21.11????198(kW) ?E??30980??m?23 分析举例
第5页,共5页
06.耦合滤波器的功率容量分析
