SynMatrix：设计同轴腔体滤波器-EW帮帮网

这篇博客是关于使用 SynMatrix 软件设计过滤器的。SynMatrix 软件是设计腔体滤波器以及双工器和多路复用器的强大工具。今天项目的目的是设计一个同轴腔体滤波器。但是，我们将以此为基础来解释该工具的工作原理。

以程图显示了 SynMatrix 中可用的一些选项。我们将一一介绍它们。

第 1 阶段：滤波器合成

当您打开 Synmatrix 时，Synthesis 模式将被激活。用户可以选择设计滤波器或双工器、BPF/BSF/LPF 或多频段滤波器，并且需要指定拓扑。让我们来看看。SynMatrix 的界面可以在这里查看。选择单个筛选器、BPF 和拓扑。有各种各样的拓扑可用。在我们的例子中，我们将假设一个简单的直线拓扑。因此，没有变化。

指定滤镜的频带。可以指定 Fo 和 3dB 带宽，也可以切换到开始/结束 3dB 频率。

过滤器的顺序将影响插入曲线下降的速率。为目标波段提供所需的 RL。使用多频段选项时使用 dF 和 dB 值。在最后一个选项中指定每个谐振器的 unloaded Q。空载 Q 是空腔未连接到任何载荷时的最大 Q 因子。当施加负载时，Q 将减小。无损腔的空载 Q 是无限的。如果 Q 不等于无穷大，用户会注意到插入速率降低。

按 Calculate All （全部计算）。该图显示了每个谐振器中的 S 参数、群延迟和存储的能量。您可以通过单击下表中的曲线名称来激活或隐藏任何曲线。

用户也可以添加零。这些是目标频带之外的频率，其中插入应该非常低。在 0.95GHz 和 1.05GHz 处添加一个零。之后，点击全部计算再次。

在此页面顶部指定绘图的频率范围。在这种情况下，我们感兴趣的是绘制从 0.875GHz 到 1.125GHz 的响应。

色散显示在左侧。用户可以指定要应用的色散校正。我们将在视频的结尾讨论色散。

色散是对称滤波器的结果。与另一侧相比，一侧的插入曲线下降得更快。

软件计算的归一化耦合参数如右侧所示。S、源和第一个腔之间的耦合如图所示。值为 1.0873。在 1 到 2 之间，它是 0.9103。您也可以更改显示以显示耦合带宽值，当然以 MHz 为单位。

耦合/BW 计算

归一化耦合系数与耦合带宽的关系

M12 = 分频 / 带宽

M12 ：归一化耦合系数

df ：耦合带宽

BW ：滤波器的带宽

M12 = 0.9103 = 45.5137MHz/50MHz

dF 是使用 2 腔驱动模型计算的。插入必须小于 -25dB。

dF 根据以下从动模型计算：

You may modify these values by editing the matrix. Changing them will alter the shape of the response. It is also possible to change the sign. It is possible to export the S-matrix or the coupling matrix.

Add markers. Select the location and click to place the marker. Here is a list of all the markers that have been added. You may delete or modify any of them.

The last panel is the Specification panel. The purpose of this is for thermal considerations. The thermal settings will be discussed in special sessions.

然后单击 Calculate All 升级设计并进入下一阶段 3D 建模。腔。

第 2 阶段：滤波器设计

Step1：型腔尺寸

提供以下选项：同轴、矩形波导、圆波导、SIW 或平面耦合谐振器。选择同轴电缆.确认并开始新设计。

根据规格，SynMatrix 计算型腔的尺寸。可以进行以下选择：内部谐振器的形状：方形或圆形，腔体的形状：方形、圆形或六边形，最后，调音类型：Flat on Top、Bowl on Top 和 Disk on Top。每种类型都有优点。顶部的 flat 很容易实现，但是谐振频率会随着间隙的二次方变化。变化迅速，间隙小，然后变化非常缓慢，间隙大。由于这种行为，手动调音非常困难。另一方面，顶部碗的谐振频率会随着间隙的扩大而线性变化。

型腔计算
型腔尺寸
R_cavity=Lambda/12	R_cavity ：型腔半径 Fo 处的 Lambda = 0.3e9/1e9=30cm R_cavity = 30 厘米/12 = 2.5 厘米 SynMatrix 精选 1/9.28 =>30cm/9.52=3.15cm
H_cavity=Lambda/4	H_cavity ：型腔高度 Fo 处的 Lambda = 0.3e9/1e9=30cm H_cavity = 30 厘米/4 = 7.5 厘米 SynMatrix selected 1/4.28=> 30cm/4.28=7cm
R_resonator = R_cavity/3.6	R_resonator ：谐振器半径创建 77Ohm. R_resonator = 3.15 厘米/3.6 = 0.692 厘米 SynMatrix 选择 83Ohm => 3.15cm/4=0.788cm
H_resonator=H_cavity的 50%-80%	H_resonator ：谐振器高度 H_resonator = 7*0.75 = 5.25 厘米 SynMatrix 被选中 75%
R_screw=R_resonator/3	R_screw ：螺杆半径 R_screw = 0.788 厘米/3=0.2622 => M5

您在此处看到的范围用于验证。在右侧，如果我选择固定直径，则表示我将高度从 4.288 更改为 5.513。让我们计算一下。SynMatrix 选择了 1.16GHz 的这个点。考虑一下我用固定高度更改半径的情况。正如我们所看到的，Q 值相对于直径而变化。现在，SynMatrix 选择 0.788 cm 直径的原因就清楚了。

下一步是在最终配置中设置单个型腔。我们已经决定了形状和尺寸。用户可以选择向内半径和外半径添加拔模。可以在谐振器的底部选择圆形圆角或分段圆角。

选择 “Apply and next step（应用并下一步）”：调优方案。请再次确认参赛作品。你也可以选择谐振器应该是均匀的（相同的材料）还是非均匀的 - 部分的。

下一步是申请：

在 HFSS 步骤中，指定应使用特征求解器还是驱动求解器。在此阶段，选择特征求解器。然后构建模型。开始模拟。欢迎来到 HFSS。它当前正在运行。可以看出，该模型已完全参数化。HFSS 计算出谐振频率为 1.157，Q 为 7113.5。如果该值大于带的末端，则设计是可接受的。

还应测试螺钉间隙的减小，以确保它产生的频率低于目标下频段。腔体高度为 7，谐振器高度为 5.25。将螺钉调整到 1.7 厘米的高度。谐振频率为 0.892GHz，小于该频段的起始频率 0.975GHz。因此，这种设计能够容纳整个频带。

我们选择使用 1.632cm 的螺钉长度，在 1GHz 处产生谐振，Q = 6551

第 2 步：耦合部分

现在，我们进入下一步，即 “耦合方案”。在此处选择的任何类型都会更改条目。选择第一个选项。我们需要指定 Iris 宽度、台阶宽度、台阶高度、型腔距离，最后是螺钉直径和深度。

应用并继续下一步：HFSS。本研究的目的是使用 HFSS 研究两个谐振器的特征模式。耦合源自前两种模式。这同样适用：“construct and run”。根据 HFSS，耦合系数为 0.0474。在 HFSS 中查看结果时，显示特征模态。

耦合计算

双腔模型的dF_coupling

dF_coupling = BW * M12

BW ：滤波器带宽 = 58MHz

M12 ：由 SynMatrix = 0.9103 得出的耦合

所以所需的 dF_coupling = 52.7974MHz

该型号的dF_coupling为 1.00119GHz-1.00356GHz=2.37MHz。因此，耦合系数为 1.87MHz/50MHz=0.0473。与 SynMatrix 报告的情况类似。

型腔距离必须使我们可以满足表中的所有耦合值或 dF。使用特征求解器求解两个空腔，然后提取前两种模式之间的增量，以满足耦合带宽要求。

M12 = dF / BW（BW 是滤波器的带宽 58MHz）

在 SynMatrix 中激活参数化算例，并更改型腔距离：

对于 0.9738,1 和 2 之间的腔距为 4.85cm，对于 0.6825,2 和 3 之间的腔距为 5.2cm。

第 3 步：输入部分

接下来，我们将讨论 input/output 方案。SynMatrix 提供了许多选项，包括分流器（LPF/BPF）、磁盘（BPF）、循环（BPF）和分流器。对于我们的 BPF，请选择选项卡 1。目标是达到耦合编号 1.1208。这是一个加载的耦合。它不能被卸载。

https://www.microwavejournal.com/ext/resources/pdf-downloads/Hagensen3.pdf

输入/输出计算
QE：滤波器外部的 Q 与耦合系数与群延迟
QE= Fo/（BWM01M01）	Fo ：谐振频率 = 1.158GHz BW ：滤波器带宽 = 58MHz Mo1 ： SynMatrix 得出的耦合 = 1.0873 所以所需的 QE= 19.59
QE= π Fo Gd /2	用于单端口腔 Fo ：谐振频率 = 1.158GHz Gd ：群延迟所以 Gd= 2* 19.59/（3.14*1.158）=10.77ns
QE= Fo / dF_3dB	用于 2 端口腔 Fo ：谐振频率 = 1.158GHz dF_3dB ： 3dB 带宽插入必须< -25dB，因此第二个端口必须具有弱耦合。

我们从端口高度 2.625 得到大约 9ns。10.136 ns 是我们正在寻找的。使用 SynMatrix 中的参数研究选项调整端口高度。端口高度似乎为 2.425。

第 4 步：完整模型

最后阶段是完整的 3D 模型。检查每个型腔的条目，它们是否与您选择的条目匹配。

响应与我们预期的不同。我们需要优化结构。

第 3 阶段：手动优化

下一步是从 HFSS 中提取 s 参数并将其导入 SynMatrix。在 HFSS>Results>Export >Export Matrix Data）中>不覆盖解重新归一化。

回到 SynMatrix。激活 CAT Computer Aided Tuning（CAT 计算机辅助调谐）选项：

单击 “Load the data” 并选择 S 参数文件。如图所示，红线代表预期的 S21 值，而虚线代表从 HFSS 获得的 S21。

很明显，我们想要的和我们得到的之间存在差异。通过按 Extract Matrix 执行逆向工程，这将提取从 HFSS 获得的矩阵。

正如我们所看到的，矩阵是完全不同的。如何判断，请选择 Error Levels （错误级别）面板。

您会注意到 M11 和 M55 很大，这是由于输入杆极大地改变了腔体共振。正值表示需要增加螺钉长度。从 SynMatrix 中，选择 Cavity > Main Body Design

选择腔体 1 和 5，并将调音螺钉深度更改为 1.7 厘米。激进的变革。

转到 Modeling>Update Model>Run Simulation。求解时，以与我们之前相同的方式导出 s 参数。返回 SynMatrix，打开 Track Mode（轨道模式），并导入 S 参数。再次选择 Extract Matrix（提取矩阵）。您看到的是旧值和新值。1.7 太激进了。我们需要回头尝试新的值。

对所有耦合值重复此过程，直到所有差值都最小化到接近零。

虚线在此图中移动。这称为色散效应。当插入曲线在高频段侧下降得更快，而在低频段侧下降得更慢时，就会在对称滤波器中产生色散效应。为了使虚线曲线与实线曲线（尤其是红色曲线）匹配，我们必须在 Synthesis 阶段添加 dispersion。在 Synthesis> Single 下选择与我们在上图中观察到的形状相对应的色散。