摘要：該文設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)了一種高抑制、小型化結(jié)構(gòu)的窄帶腔體濾波器，利用加載電容的原理，在蓋板一側(cè)添加矩形金屬柱，增大了耦合電容，縮小了相鄰諧振腔之間的距離，從而實(shí)現(xiàn)了濾波器的小型化。通過(guò)CST仿真，設(shè)計(jì)了中心頻率為7.325 GHz、帶寬為0.25 GHz的窄帶腔體濾波器。最終經(jīng)過(guò)實(shí)物測(cè)試表明，頻帶內(nèi)駐波比良好，帶外抑制高，實(shí)物體積減小。

0 引言

隨著現(xiàn)代微波技術(shù)的發(fā)展，即要求濾波器等微波無(wú)源器件體積更小，又要求其性能更佳。因此，在小型化的基礎(chǔ)上，還要求提高濾波器的性能。如今，無(wú)線(xiàn)電通信頻率資源日益緊張，分配到各類(lèi)通信系統(tǒng)的頻率間隔必然越來(lái)越窄，這要求濾波器具有高帶外抑制，以提高其頻率選擇能力；通帶內(nèi)低插損，以減少有用信號(hào)的傳輸損耗，提高靈敏度；同時(shí)保持一個(gè)寬的阻帶抑制雜散信號(hào)。因此需要設(shè)計(jì)小尺寸、高性能的濾波器[1]。

1 濾波器設(shè)計(jì)原理

1.1 電容加載原理

電容加載是指在微波諧振腔內(nèi)加載適當(dāng)?shù)牡刃щ娙?，以減小原來(lái)諧振腔的固有諧振頻率。微波諧振腔的種類(lèi)很多，但大多數(shù)都能等效為傳輸線(xiàn)諧振器。傳輸線(xiàn)諧振器由不同的電長(zhǎng)度TEM(一種電場(chǎng)和磁場(chǎng)垂直于傳播方向平面上的電磁波)傳輸線(xiàn)和端接類(lèi)型構(gòu)成。傳輸線(xiàn)諧振器的結(jié)構(gòu)形式多樣，常采用短路λ/4(λ為波長(zhǎng))線(xiàn)型、λ/2線(xiàn)型和開(kāi)路λ/2線(xiàn)型。因?yàn)閭鬏斁€(xiàn)諧振器引入了波導(dǎo)波長(zhǎng)的概念，所以，它不僅適用于一般TEM波傳輸線(xiàn)濾波器，也適用于腔體濾波器[2]。

1.2 切比雪夫?yàn)V波器

切比雪夫?yàn)V波器是在通帶或阻帶上頻率響應(yīng)幅度等波紋波動(dòng)的濾波器。根據(jù)頻率響應(yīng)曲線(xiàn)波動(dòng)位置不同可分為兩種：

1) Ⅰ型切比雪夫?yàn)V波器。在通帶(或稱(chēng)“通頻帶”)上頻率響應(yīng)幅度等波紋波動(dòng)的濾波器稱(chēng)為“I型切比雪夫?yàn)V波器”[3]?！皀”階第一類(lèi)切比雪夫?yàn)V波器的幅度與頻率的關(guān)系為

(1)

式中：

為濾波器在截止頻率ω0的放大率；|ε|<1為通帶波動(dòng)系數(shù)；為n階切比雪夫多項(xiàng)式；ω為通帶頻率。

2) Ⅱ型切比雪夫?yàn)V波器。在阻帶(或稱(chēng)“阻頻帶”)上頻率響應(yīng)幅度等波紋波動(dòng)的濾波器稱(chēng)為“Ⅱ型切比雪夫?yàn)V波器”，也稱(chēng)“倒數(shù)切比雪夫?yàn)V波器”。但其頻率截止速度不如Ⅰ型快，

且需要用更多的電子元件。Ⅱ型切比雪夫?yàn)V波器在通頻帶內(nèi)幅度無(wú)波動(dòng)，只在阻頻帶內(nèi)有幅度波動(dòng)[4]。

Ⅱ型切比雪夫?yàn)V波器的轉(zhuǎn)移函數(shù)為

(2)

(3)

式中γ為阻頻帶的衰減度。

2 新型小型化腔體濾波器的設(shè)計(jì)

2.1 設(shè)計(jì)步驟

1) 首先利用Couplefil計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)軟件確定仿真模型，腔體濾波器的階數(shù)，以及腔與腔之間的耦合系數(shù)。

2) 利用CST軟件建立腔體濾波器的仿真模型，設(shè)置好變量，進(jìn)行仿真。

3) 調(diào)節(jié)相應(yīng)的腔體濾波器的參數(shù)，使其仿真結(jié)果達(dá)到Couplefil設(shè)計(jì)的預(yù)期值，完成整個(gè)仿真設(shè)計(jì)。

2.2 設(shè)計(jì)實(shí)例

1) 濾波器仿真頻率范圍為7.20～7.45 GHz,通帶內(nèi)插入損耗小于2 dB,回波損耗大于15 dB,帶外在4.8 GHz處的抑制大于100 dB。

2) 利用Couplefil計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)軟件，設(shè)置預(yù)期指標(biāo)，設(shè)計(jì)的腔體階數(shù)為9階。計(jì)算各個(gè)腔的耦合系數(shù)(CBW)，得到結(jié)果如下：

CBW1,2=CBW8,9=0.225

(4)

CBW2,3=CBW7,8=0.153

(5)

CBW3,4=CBW6,7=0.140

(6)

CBW4,5=CBW5,6=0.137

(7)

3 利用CST建立仿真模型

一般設(shè)計(jì)濾波器有兩種基本結(jié)構(gòu)：交趾結(jié)構(gòu)和梳狀結(jié)構(gòu)。交趾結(jié)構(gòu)濾波器結(jié)構(gòu)緊湊，易加工，體積小，可靠性和一致性好，被廣泛應(yīng)用在微波系統(tǒng)中。在保證性能一致的前提下，與交趾結(jié)構(gòu)相比，梳狀結(jié)構(gòu)更緊湊，體積更小，但在加工上超出了加工精度范圍，難以實(shí)現(xiàn)[5]。

針對(duì)背景技術(shù)存在的缺陷，設(shè)計(jì)了一種新型的濾波器結(jié)構(gòu)，在蓋板一側(cè)生長(zhǎng)矩形金屬柱，置于諧振柱之間。這使得矩形金屬柱與諧振柱之間產(chǎn)生加載電容，從而增大兩個(gè)諧振柱之間的耦合電容，進(jìn)而使兩端諧振柱之間的間距適當(dāng)增大(滿(mǎn)足加工精度)的同時(shí)滿(mǎn)足了耦合度要求。當(dāng)腔體之間的耦合度達(dá)到要求，且構(gòu)成該腔體的兩個(gè)諧振柱之間的間距已能加工，則無(wú)需設(shè)置矩形金屬柱，更大程度上實(shí)現(xiàn)小型化[6-7]。

單腔耦合仿真模型如圖1所示。濾波器單腔內(nèi)介質(zhì)為空氣，通過(guò)仿真可得空氣腔內(nèi)諧振柱長(zhǎng)為2.5 mm，寬為2.5 mm，高為8.74 mm。調(diào)諧螺釘半徑為1 mm，長(zhǎng)度為2 mm。

圖1 單腔耦合仿真模型

圖2為雙腔耦合仿真模型。模型里為左、右排列的金屬諧振柱，調(diào)諧螺釘和金屬小方塊。通過(guò)仿真優(yōu)化使雙腔耦合系數(shù)達(dá)到預(yù)期值，最終確定小方塊位置高度為4.35 mm，小方塊長(zhǎng)(c)為1.96 mm，寬(a)為1.13 mm，高(b)為1.13 mm；x、y、z分別代表諧振柱的長(zhǎng)度、寬度和高度。

圖2 雙腔耦合仿真模型

確定后的整體仿真模型如圖3所示。

圖3 整體仿真模型

將以上所得參數(shù)模型進(jìn)行總體仿真，設(shè)計(jì)的濾波器為9階模型。小方塊的位置在腔體的前兩腔和后兩腔，然后微調(diào)諧振柱間的間距及小方塊的高度，調(diào)諧螺釘?shù)拈L(zhǎng)度及絕緣子模型的位置，最終得到仿真結(jié)果如圖4所示。由圖可見(jiàn)，通帶范圍為7.16～7.50 GHz，回波損耗小于-19 dB。

圖4 整體仿真結(jié)果圖

利用調(diào)諧螺釘對(duì)裝配好的腔體濾波器進(jìn)行反復(fù)調(diào)節(jié)，使其達(dá)到我們理想的指標(biāo)。利用Agilent矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀，得到最終的測(cè)試結(jié)果如圖5所示。由圖可看出，所得濾波器的中心頻率為7.325 GHz，帶寬為0.25 GHz，插入損耗絕對(duì)值小于2.15 dB(略微偏大)，這可能是由于機(jī)械加工中，諧振柱尺寸加工有誤差，蓋板未加工好，擰上螺釘后有縫隙。帶內(nèi)平坦度好，回波損耗大于15 dB。最終的濾波器實(shí)物圖如圖6所示。

圖5 測(cè)試結(jié)果圖

圖6 濾波器實(shí)物圖

與未加矩形金屬塊的腔體濾波器相比，本文濾波器在體積上有明顯減小，從而在保證高性能的前提下，實(shí)現(xiàn)了體積的小型化。效果對(duì)比圖如圖7所示。

圖7 效果對(duì)比圖

4 結(jié)束語(yǔ)

本文介紹了一種新型小型化腔體濾波器的設(shè)計(jì)方法，經(jīng)過(guò)設(shè)計(jì)、仿真、加工、測(cè)試及調(diào)試過(guò)程，實(shí)現(xiàn)了一個(gè)中心頻率為7.325 GHz，帶寬為0.25 GHz的窄帶腔體濾波器。其滿(mǎn)足設(shè)計(jì)需求，同時(shí)驗(yàn)證了本文濾波器的可行性。

審核編輯：湯梓紅