一種新型小型化窄帶腔體濾波器的設計

摘要：該文設計實現了一種高抑制、小型化結構的窄帶腔體濾波器，利用加載電容的原理，在蓋板一側添加矩形金屬柱，增大了耦合電容，縮小了相鄰諧振腔之間的距離，從而實現了濾波器的小型化。通過CST仿真，設計了中心頻率為7.325 GHz、帶寬為0.25 GHz的窄帶腔體濾波器。最終經過實物測試表明，頻帶內駐波比良好，帶外抑制高，實物體積減小。

0 引言

隨著現代微波技術的發展，即要求濾波器等微波無源器件體積更小，又要求其性能更佳。因此，在小型化的基礎上，還要求提高濾波器的性能。如今，無線電通信頻率資源日益緊張，分配到各類通信系統的頻率間隔必然越來越窄，這要求濾波器具有高帶外抑制，以提高其頻率選擇能力；通帶內低插損，以減少有用信號的傳輸損耗，提高靈敏度；同時保持一個寬的阻帶抑制雜散信號。因此需要設計小尺寸、高性能的濾波器[1]。

1 濾波器設計原理

1.1 電容加載原理

電容加載是指在微波諧振腔內加載適當的等效電容，以減小原來諧振腔的固有諧振頻率。微波諧振腔的種類很多，但大多數都能等效為傳輸線諧振器。傳輸線諧振器由不同的電長度TEM(一種電場和磁場垂直于傳播方向平面上的電磁波)傳輸線和端接類型構成。傳輸線諧振器的結構形式多樣，常采用短路λ/4(λ為波長)線型、λ/2線型和開路λ/2線型。因為傳輸線諧振器引入了波導波長的概念，所以，它不僅適用于一般TEM波傳輸線濾波器，也適用于腔體濾波器[2]。

1.2 切比雪夫濾波器

切比雪夫濾波器是在通帶或阻帶上頻率響應幅度等波紋波動的濾波器。根據頻率響應曲線波動位置不同可分為兩種：

1) Ⅰ型切比雪夫濾波器。在通帶(或稱“通頻帶”)上頻率響應幅度等波紋波動的濾波器稱為“I型切比雪夫濾波器”[3]?！皀”階第一類切比雪夫濾波器的幅度與頻率的關系為

(1)

式中：

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

2) Ⅱ型切比雪夫濾波器。在阻帶(或稱“阻頻帶”)上頻率響應幅度等波紋波動的濾波器稱為“Ⅱ型切比雪夫濾波器”，也稱“倒數切比雪夫濾波器”。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型切比雪夫濾波器在通頻帶內幅度無波動，只在阻頻帶內有幅度波動[4]。

Ⅱ型切比雪夫濾波器的轉移函數為

(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計

2.1 設計步驟

1) 首先利用Couplefil計算機輔助設計軟件確定仿真模型，腔體濾波器的階數，以及腔與腔之間的耦合系數。

2) 利用CST軟件建立腔體濾波器的仿真模型，設置好變量，進行仿真。

3) 調節相應的腔體濾波器的參數，使其仿真結果達到Couplefil設計的預期值，完成整個仿真設計。

2.2 設計實例

1) 濾波器仿真頻率范圍為7.20～7.45 GHz,通帶內插入損耗小于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計算機輔助設計軟件，設置預期指標，設計的腔體階數為9階。計算各個腔的耦合系數(CBW)，得到結果如下：

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

一般設計濾波器有兩種基本結構：交趾結構和梳狀結構。交趾結構濾波器結構緊湊，易加工，體積小，可靠性和一致性好，被廣泛應用在微波系統中。在保證性能一致的前提下，與交趾結構相比，梳狀結構更緊湊，體積更小，但在加工上超出了加工精度范圍，難以實現[5]。

針對背景技術存在的缺陷，設計了一種新型的濾波器結構，在蓋板一側生長矩形金屬柱，置于諧振柱之間。這使得矩形金屬柱與諧振柱之間產生加載電容，從而增大兩個諧振柱之間的耦合電容，進而使兩端諧振柱之間的間距適當增大(滿足加工精度)的同時滿足了耦合度要求。當腔體之間的耦合度達到要求，且構成該腔體的兩個諧振柱之間的間距已能加工，則無需設置矩形金屬柱，更大程度上實現小型化[6-7]。

單腔耦合仿真模型如圖1所示。濾波器單腔內介質為空氣，通過仿真可得空氣腔內諧振柱長為2.5 mm，寬為2.5 mm，高為8.74 mm。調諧螺釘半徑為1 mm，長度為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，調諧螺釘和金屬小方塊。通過仿真優化使雙腔耦合系數達到預期值，最終確定小方塊位置高度為4.35 mm，小方塊長(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

將以上所得參數模型進行總體仿真，設計的濾波器為9階模型。小方塊的位置在腔體的前兩腔和后兩腔，然后微調諧振柱間的間距及小方塊的高度，調諧螺釘的長度及絕緣子模型的位置，最終得到仿真結果如圖4所示。由圖可見，通帶范圍為7.16～7.50 GHz，回波損耗小于-19 dB。

圖4 整體仿真結果圖

利用調諧螺釘對裝配好的腔體濾波器進行反復調節，使其達到我們理想的指標。利用Agilent矢量網絡分析儀，得到最終的測試結果如圖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，插入損耗絕對值小于2.15 dB(略微偏大)，這可能是由于機械加工中，諧振柱尺寸加工有誤差，蓋板未加工好，擰上螺釘后有縫隙。帶內平坦度好，回波損耗大于15 dB。最終的濾波器實物圖如圖6所示。

圖5 測試結果圖

圖6 濾波器實物圖

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，實現了體積的小型化。效果對比圖如圖7所示。

圖7 效果對比圖

4 結束語

本文介紹了一種新型小型化腔體濾波器的設計方法，經過設計、仿真、加工、測試及調試過程，實現了一個中心頻率為7.325 GHz，帶寬為0.25 GHz的窄帶腔體濾波器。其滿足設計需求，同時驗證了本文濾波器的可行性。

審核編輯：湯梓紅