一种新型小型化窄带腔体滤波器的设计

0 引言

随着现代微波技术的发展，即要求滤波器等微波无源器件体积更小，又要求其性能更佳。因此，在小型化的基础上，还要求提高滤波器的性能。如今，无线电通信频率资源日益紧张，分配到各类通信系统的频率间隔必然越来越窄，这要求滤波器具有高带外抑制，以提高其频率选择能力；通带内低插损，以减少有用信号的传输损耗，提高灵敏度；同时保持一个宽的阻带抑制杂散信号。因此需要设计小尺寸、高性能的滤波器[1]。

1 滤波器设计原理

1.1 电容加载原理

电容加载是指在微波谐振腔内加载适当的等效电容，以减小原来谐振腔的固有谐振频率。微波谐振腔的种类很多，但大多数都能等效为传输线谐振器。传输线谐振器由不同的电长度TEM(一种电场和磁场垂直于传播方向平面上的电磁波)传输线和端接类型构成。传输线谐振器的结构形式多样，常采用短路λ/4(λ为波长)线型、λ/2线型和开路λ/2线型。因为传输线谐振器引入了波导波长的概念，所以，它不仅适用于一般TEM波传输线滤波器，也适用于腔体滤波器[2]。

1.2 切比雪夫滤波器

切比雪夫滤波器是在通带或阻带上频率响应幅度等波纹波动的滤波器。根据频率响应曲线波动位置不同可分为两种：

1) Ⅰ型切比雪夫滤波器。在通带(或称“通频带”)上频率响应幅度等波纹波动的滤波器称为“I型切比雪夫滤波器”[3]。“n”阶第一类切比雪夫滤波器的幅度与频率的关系为

(1)

式中：为滤波器在截止频率ω0的放大率；|ε|<1为通带波动系数；为n阶切比雪夫多项式；ω为通带频率。

2) Ⅱ型切比雪夫滤波器。在阻带(或称“阻频带”)上频率响应幅度等波纹波动的滤波器称为“Ⅱ型切比雪夫滤波器”，也称“倒数切比雪夫滤波器”。但其频率截止速度不如Ⅰ型快，且需要用更多的电子元件。Ⅱ型切比雪夫滤波器在通频带内幅度无波动，只在阻频带内有幅度波动[4]。

Ⅱ型切比雪夫滤波器的转移函数为

(2)

(3)

式中γ为阻频带的衰减度。

2 新型小型化腔体滤波器的设计

2.1 设计步骤

1) 首先利用Couplefil计算机辅助设计软件确定仿真模型，腔体滤波器的阶数，以及腔与腔之间的耦合系数。

2) 利用CST软件建立腔体滤波器的仿真模型，设置好变量，进行仿真。

3) 调节相应的腔体滤波器的参数，使其仿真结果达到Couplefil设计的预期值，完成整个仿真设计。

2.2 设计实例

1) 滤波器仿真频率范围为7.20～7.45 GHz,通带内插入损耗小于2 dB,回波损耗大于15 dB,带外在4.8 GHz处的抑制大于100 dB。

2) 利用Couplefil计算机辅助设计软件，设置预期指标，设计的腔体阶数为9阶。计算各个腔的耦合系数(CBW)，得到结果如下：

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

一般设计滤波器有两种基本结构：交趾结构和梳状结构。交趾结构滤波器结构紧凑，易加工，体积小，可靠性和一致性好，被广泛应用在微波系统中。在保证性能一致的前提下，与交趾结构相比，梳状结构更紧凑，体积更小，但在加工上超出了加工精度范围，难以实现[5]。

针对背景技术存在的缺陷，设计了一种新型的滤波器结构，在盖板一侧生长矩形金属柱，置于谐振柱之间。这使得矩形金属柱与谐振柱之间产生加载电容，从而增大两个谐振柱之间的耦合电容，进而使两端谐振柱之间的间距适当增大(满足加工精度)的同时满足了耦合度要求。当腔体之间的耦合度达到要求，且构成该腔体的两个谐振柱之间的间距已能加工，则无需设置矩形金属柱，更大程度上实现小型化[6-7]。

单腔耦合仿真模型如图1所示。滤波器单腔内介质为空气，通过仿真可得空气腔内谐振柱长为2.5 mm，宽为2.5 mm，高为8.74 mm。调谐螺钉半径为1 mm，长度为2 mm。

图1 单腔耦合仿真模型

图2为双腔耦合仿真模型。模型里为左、右排列的金属谐振柱，调谐螺钉和金属小方块。通过仿真优化使双腔耦合系数达到预期值，最终确定小方块位置高度为4.35 mm，小方块长(c)为1.96 mm，宽(a)为1.13 mm，高(b)为1.13 mm；x、y、z分别代表谐振柱的长度、宽度和高度。

图2 双腔耦合仿真模型

确定后的整体仿真模型如图3所示。

图3 整体仿真模型

将以上所得参数模型进行总体仿真，设计的滤波器为9阶模型。小方块的位置在腔体的前两腔和后两腔，然后微调谐振柱间的间距及小方块的高度，调谐螺钉的长度及绝缘子模型的位置，最终得到仿真结果如图4所示。由图可见，通带范围为7.16～7.50 GHz，回波损耗小于-19 dB。

图4 整体仿真结果图

利用调谐螺钉对装配好的腔体滤波器进行反复调节，使其达到我们理想的指标。利用Agilent矢量网络分析仪，得到最终的测试结果如图5所示。由图可看出，所得滤波器的中心频率为7.325 GHz，带宽为0.25 GHz，插入损耗绝对值小于2.15 dB(略微偏大)，这可能是由于机械加工中，谐振柱尺寸加工有误差，盖板未加工好，拧上螺钉后有缝隙。带内平坦度好，回波损耗大于15 dB。最终的滤波器实物图如图6所示。

图5 测试结果图

图6 滤波器实物图

与未加矩形金属块的腔体滤波器相比，本文滤波器在体积上有明显减小，从而在保证高性能的前提下，实现了体积的小型化。效果对比图如图7所示。

图7 效果对比图

4 结束语

本文介绍了一种新型小型化腔体滤波器的设计方法，经过设计、仿真、加工、测试及调试过程，实现了一个中心频率为7.325 GHz，带宽为0.25 GHz的窄带腔体滤波器。其满足设计需求，同时验证了本文滤波器的可行性。