腔体滤波器智能调试平台设计及实现

摘要：微波滤波器应用广泛，在大批量的生产中，为了减少调试对于工程经验的依赖性，不断提高微波滤波器调试的效率，设计并实现了针对腔体滤波器智能调试平台。平台采用计算机智能提取滤波器的响应参数，通过步进电机自动调整滤波器。该调试平台在滤波器调试实际应用中获得了显著的经济效益。
关键词：微波滤波器；调试；参数提取；智能

0 引言
    微波滤波器在卫星通信、中继通信、雷达、电子对抗及微波测量仪表中都有着广泛的应用。在卫星通信系统中，微波滤波器的性能直接影响着转发器通道的通信品质；对于无线通信系统而言，滤波器是一种至关重要的微波射频器件，它的使用对于分离频谱信息、提高通信质量、防止信号串扰有着十分重要的意义。在电磁环境日益复杂和频谱范围日益拥挤的今天，实现选频和去噪等重要功能的微波滤波器越来越受到使用者的重视。
    一般而言，滤波器手动调试实际上是一个实时迭代优化的过程。为了便于调试，滤波器结构上会有调试用的调谐螺钉，或者有其他形式的调谐元件，以便调试技术人员调试的时候可以改变滤波器谐振单元的谐振频率和谐振单元间的耦合量。调试技术人员调试的时候，根据矢量网络分析仪图形变化反复拧调谐螺钉，直到滤波器的性能达到设计要求。对许多调试技术人员而言，手动调试的过程更像一门手艺而不是一门科学。因此，复杂结构微小滤波器的手动调试一般都是由十分有经验的调试技术人员来完成的。
    在大批量的调试生产过程中，功率容量、温度效应、材料机械特性、无源三阶交调以及尺寸限制等都是滤波器实际加工中的重要考虑因素。微波滤波器的调试已经成为产业化过程中的瓶颈问题，目前工程中大量还是凭借矢网诊断和人工手动调试，难以做到快速准确的调试，特别是对缺乏经验的滤波器调试人员来说更是难以掌握。

1 滤波器智能调试原理及流程
    滤波器智能调试平台研制的目的是为了不断提高微波滤波器的调试效率，大大减少调试对于工程经验的依赖性，尽可能减少人的劳动。滤波器智能调试平台的目标是建立以计算机为核心的自动化调试平台，让计算机去充当重复工作的角色并且赋予其一定水平的智能判断来指导调试人员的工作。
    目前，基于计算机控制的智能调试方法主要分为频域方法和时域方法两类：
    (1)时域调试方法：这种方法主要是利用信号的频时域转换，得到滤波器的时域响应，寻找各可调元件与时域响应之间的变化规律，进行相应的调试。其中，较为突出的是安捷伦公司提出的时域调试方法。这种调试方法的缺点是：需要有一个理想的调试好了的滤波器的时域响应做模版。而且对于交叉耦合滤波器来讲，在滤波器调试参数与时域响应曲线之间不存在明显的关系。
    (2)频域调试方法：该方法基本思想是对滤波器S参数的频域响应曲线应用各种不同的数值计算方法，提取滤波器模型参数，找出与理想模型参数的差距，进行相应的调试。本系统采用了频域调试方法。

    如图1所示，两类方法都是在等效电路参数方面做文章，其主要步骤如下：
    ①测试待调滤波器的响应；
    ②利用等效电路模型进行参数提取；
    ③对比实际响应提取参数与理想响应理想参数的差异；
    ④根据以上差异获取下一步调试的方向和幅度，改变可调部件的实际位置；
    ⑤重复以上步骤①～步骤④，直至实测响应达到指标为止。

2 滤波器智能调试平台
    如图2所示，滤波器智能调试平台主要由计算机、调试机械(如电机)、矢量网络分析仪和待调试滤波器组成。其基本工作流程是：首先，矢量网络分析仪测试出滤波器参数，然后将参数采集到计算机中，通过软件分析，得出需要调试的物理量，然后通过计算机控制直流电机带动特制的调试设备，去调试滤波器的调试螺钉，直到矢量网络分析仪测试出滤波器参数符合设计要求为止。

2．1 矢量网络分析仪
    矢量网络分析仪能全面评测射频和微波器件。其包括集成的合成源，测试装置和调谐接收器。内装的S参数测试装置提供正向和反向的全范围幅度和相位测量，如图3所示。

2．2 调试机械
    本方案采用直流电机带动特制的调试设备，将调试螺钉调到最佳位置。目前的控制台由五台电机控制，分别是x轴，y轴，z轴，DM(锁紧螺帽的电机)，DT(调谐螺钉的电机)；其中x，y，z用的是步进电机，DM、DT用的是伺服电机。
2．3 工业控制计算机
    在工业控制计算机上运行相应的软件，来读取网络分析仪的测试参数，分析并计算出需要调试的物理量，然后去控制直流电机调试设备进行调试。如图4所示，用户只需在软件界面中点击开始调试，调试平台就能自动地完成调试过程，对于调试过程中出现的异常也能够进行友好的提示。

3 结语
    微波滤波器在通信、雷达和测量等领域广泛应用，随着社会的发展，它的需求也日益增加。微波滤波器的调试是一项复杂工作，它需要丰富的实际操作经验。随着滤波器节数的增加，调试所涉及参数的数量也增加，调试难度也大大增加。引人智能化的计算机辅助调试技术，既能减少调试人员的工作量，又能提高生产效率，具有很好的应用前景。
    本文提出的针对腔体滤波器的智能调试平台，能够实现计算机自动调试滤波器，它能降低微波部件的试验调试难度，缩短调试周期，又大大降低对操作者调试经验的要求，是提高微波滤波器批量生产能力的一条非常好的途径。