一種采用螺旋耦合環(huán)的同軸腔可調(diào)濾波器

張忠海 官伯然

(1.西安電子科技大學(xué)電子工程學(xué)院，陜西 西安710071； 2.杭州電子科技大學(xué)天線與微波技術(shù)研究所，浙江 杭州 310018)

1. 引 言

濾波器是通信設(shè)備中的關(guān)鍵部件，現(xiàn)代通信設(shè)備的便攜性和高頻譜利用率要求給濾波器設(shè)計(jì)帶來新的挑戰(zhàn)[1-3]。對于可調(diào)濾波器，這種挑戰(zhàn)包括小型化，在全部可調(diào)范圍內(nèi)帶寬不變和高功率容量等[4-10]。有多種技術(shù)可以設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)可調(diào)濾波器，包括可調(diào)電容加載的低溫共燒陶瓷(LTCC)濾波器[1]，可調(diào)電容加載的微帶濾波器[2-3]，同軸腔濾波器[4-7]等。在文獻(xiàn)[8]和[9]中，給出了兩種設(shè)計(jì)基于變?nèi)荻O管的可調(diào)濾波器設(shè)計(jì)方法?；谶@兩種方法的可調(diào)帶通濾波器能夠?qū)崿F(xiàn)全工作頻段內(nèi)通帶帶寬的差別小于5%。但是，這兩種濾波器的功率容量有限，帶外隔離特性也比較差。同軸諧振腔可調(diào)濾波器由于其高功率容量和高Q值特性而引起人們的關(guān)注并獲得廣泛應(yīng)用[1，6，7，10]。

同軸腔濾波器通常采用四分之一波長同軸腔作為基本諧振單元，其腔間耦合利用腔體之間的矩形或者圓形耦合窗口實(shí)現(xiàn)[6-7]。通過調(diào)節(jié)耦合窗口的位置及軸向長度，能夠減小可調(diào)濾波器在工作頻段內(nèi)的高低端帶寬差別[6]。然而，窗口軸向尺寸的加大最終會(huì)導(dǎo)致濾波器的體積變大，從而不能滿足小型化可調(diào)濾波器的設(shè)計(jì)要求[6]?？烧{(diào)電容加載的同軸腔諧振器通常用來縮小可調(diào)濾波器的體積。但是，同軸腔諧振器尺寸的縮小也會(huì)導(dǎo)致耦合窗口軸向尺寸的縮小，進(jìn)而導(dǎo)致同軸腔濾波器的高低端帶寬差別變大。由以上的分析可知，僅采用耦合窗口實(shí)現(xiàn)腔間耦合會(huì)導(dǎo)致可調(diào)濾波器的帶寬隨調(diào)諧頻率發(fā)生變化，通帶帶寬隨調(diào)諧頻率的增加而變大。這種現(xiàn)象對可調(diào)頻率范圍比較寬的帶通濾波器尤為嚴(yán)重[4]。

本文提出了一種采用新型腔間耦合結(jié)構(gòu)的同軸腔可調(diào)濾波器。該濾波器采用電容加載以縮小可調(diào)濾波器的體積，其長度僅為170 mm，小于中心頻率(320 MHz)的四分之一波長。文獻(xiàn)[6]中的濾波器長度大于二分之一波長。本文提出的可調(diào)濾波器腔間耦合結(jié)構(gòu)由矩形耦合窗口和螺旋耦合環(huán)組成，采用這種腔間耦合結(jié)構(gòu)的可調(diào)濾波器能夠在整個(gè)工作頻段內(nèi)(230～410 MHz)具有幾乎不變的帶寬。此外，螺旋耦合環(huán)的加入同時(shí)改善了可調(diào)濾波器的插入損耗和紋波，并使濾波器的調(diào)整更加容易。

2.理論分析

2.1 同軸腔可調(diào)濾波器帶寬變化分析

對于同軸腔可調(diào)濾波器，影響其工作頻段內(nèi)的絕對帶寬的因素主要是腔間耦合以及輸入輸出耦合，而這兩種耦合都會(huì)隨頻率的變化而變化。

首先分析腔間耦合對同軸腔可調(diào)濾波器的影響。對于經(jīng)典的同軸腔濾波器，磁場耦合起絕對作用。耦合的磁通量越多，則腔間耦合系數(shù)越大，實(shí)現(xiàn)的腔體濾波器的帶寬就越大。一般通過腔間的矩形或者是圓形耦合窗口來實(shí)現(xiàn)腔間磁耦合，通過調(diào)整耦合窗口的大小和位置可以調(diào)節(jié)耦合帶寬的大小。對于中心頻率在一定頻率范圍內(nèi)變化的可調(diào)濾波器，頻率的變化會(huì)帶來同軸腔內(nèi)磁場分布的變化，由此引起耦合系數(shù)的變化，即帶寬會(huì)發(fā)生變化。因此，分析可調(diào)濾波器的帶寬變化首先要分析不同頻率下同軸腔內(nèi)磁場分布的變化。

對于四分之一波長同軸腔，其內(nèi)部的電磁場分布為[11]。

(1)

式中：a為同軸腔內(nèi)導(dǎo)體外徑；η是空氣波阻抗。

調(diào)節(jié)同軸腔的加載電容，令同軸腔諧振于兩個(gè)頻率f1和f2，f1

(2)

式中：H01對應(yīng)f1；H02對應(yīng)f02。

文中設(shè)計(jì)的濾波器調(diào)諧頻率范圍為230～410 MHz。由公式(2)可以得出兩個(gè)頻率下同軸腔距短路端120 mm以內(nèi)的磁場分布如圖1所示：

圖1 不同頻率情況下四分之一同軸腔內(nèi)磁場歸一化幅度沿軸向變化曲線

由圖1可以看出，對于給定的高低端頻率，短路端的磁場強(qiáng)度都是最大的，然后沿軸向逐漸減小。在短路端，高頻端的磁場強(qiáng)度大于低頻端的磁場強(qiáng)度，但是頻率較低的時(shí)候磁場沿軸向下降較緩，頻率高的時(shí)候則下降較快。在距離短路端99 mm處，高頻端磁場強(qiáng)度和低頻端磁場強(qiáng)度相等。在此之后，高頻磁場強(qiáng)度就小于低頻磁場強(qiáng)度。因?yàn)轳詈洗磐康拇笮『婉詈舷禂?shù)有直接的關(guān)系，耦合的磁通量多耦合系數(shù)就大，反之就小。由此可以得到結(jié)論：如果耦合窗口足夠長，并且中心位置在距離短路端99 mm附近，可以做到低頻和高頻的耦合系數(shù)相等，甚至低頻端的耦合系數(shù)大于高頻端的耦合系數(shù)。但是對于小型化的電容加載可調(diào)同軸腔濾波器來說，耦合窗口軸向長度由于空間限制通常小于八分之一波長，而且為了保證帶寬和差損的指標(biāo)耦合窗口的起始位置通常置于短路端，所以僅采用腔間耦合窗口的耦合方式將會(huì)導(dǎo)致高頻端的耦合系數(shù)大于低頻端的耦合系數(shù)。

在四分之一波長同軸腔濾波器的設(shè)計(jì)過程中，可以利用高頻電磁仿真軟件(HFSS)，電磁仿真軟件(CST)等高頻仿真軟件來確定耦合窗口的耦合帶寬和頻率的關(guān)系。固定耦合窗口的尺寸和位置，矩形耦合窗口的耦合帶寬隨頻率的變化如圖2所示。其中，矩形耦合窗口從短路端開始，長120 mm，寬34 mm.

圖2 矩形耦合窗口的耦合帶寬隨頻率變化曲線

如圖2所示，濾波器的帶寬隨著頻率的升高而升高。在230～410 MHz這個(gè)工作頻率范圍內(nèi)，對于矩形耦合窗口，可調(diào)濾波器的帶寬從1.8 MHz 增大到3.57 MHz，有±198%的差別。此時(shí)，耦合窗口的長度為100 mm，寬度45 mm.

同軸腔濾波器中通常采用將同軸連接器內(nèi)導(dǎo)體與同軸腔內(nèi)導(dǎo)體相連接做為輸入輸出耦合方式，其連接位置可以根據(jù)可調(diào)濾波器的有載Q值確定，有載Q值與濾波器帶寬之間的關(guān)系為

(3)

式中：f0是濾波器的中心頻率；g1是低通原型值；BW是濾波器的帶寬。由式(3)可知，如欲保持可調(diào)同軸腔濾波器的絕對帶寬不變，則要求濾波器的輸入輸出端口的有載Q值隨濾波器工作的中心頻率增大而增大。固定同軸連接器內(nèi)導(dǎo)體與同軸腔內(nèi)導(dǎo)體連接位置，可調(diào)濾波器的有載Q值隨著頻率的變化曲線如圖3所示。由圖3可知，隨著頻率的升高，可調(diào)濾波器的輸入輸出有載Q值變小。根據(jù)公式(3)，在頻率增加，輸入輸出有載Q值減小的情況下，會(huì)導(dǎo)致濾波器帶寬增大，從而，可調(diào)濾波器的高低端帶寬差進(jìn)一步惡化。

圖3 可調(diào)濾波器輸入輸出有載Q值隨著頻率的變化曲線

2.2 采用螺旋耦合環(huán)和耦合窗口結(jié)合的濾波器

由圖2和圖3可以看出，僅僅采用耦合窗口的可調(diào)濾波器，隨著頻率的升高濾波器的帶寬也隨之增加。為了平衡高低端帶寬，同軸腔濾波器的腔間耦合結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)需要滿足在減小高頻端耦合磁通量的同時(shí)增加低頻端耦合的磁通量的要求。為了滿足這個(gè)要求，要求腔間耦合窗口中心能覆蓋圖1中99 mm處的位置，并且盡量包括高頻磁場強(qiáng)度小于低頻磁場強(qiáng)度的位置，即99～110 mm之間的位置。但是因?yàn)闉V波器的尺寸所限，耦合窗口不可能太長，本文中設(shè)計(jì)的小型化濾波器能夠允許的耦合窗口最長只能110 mm。同時(shí)為了滿足濾波器的帶寬要求，耦合窗口需要覆蓋短路端。本文采用在耦合窗口中插入螺旋耦合環(huán)來保證帶寬，并實(shí)現(xiàn)在可調(diào)濾波器全工作頻段內(nèi)通帶帶寬保持不變的目標(biāo)。采用螺旋耦合環(huán)的3腔同軸腔濾波器結(jié)構(gòu)如圖4所示。可調(diào)濾波器帶寬由螺旋耦合環(huán)和矩形耦合窗口共同確定。采用螺旋耦合環(huán)的可調(diào)濾波器耦合帶寬的HFSS仿真結(jié)果如圖5所示。由圖5可知，在工作頻率230～410 MHz內(nèi)，濾波器的帶寬從6.47 MHz變化到6.52 MHz，帶寬變化小于±0.7 %。

圖4 采用螺旋耦合環(huán)的3腔同軸腔濾波器結(jié)構(gòu)圖

圖5 采用螺旋耦合環(huán)的濾波器耦合帶寬隨頻率的變化

3.實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析

根據(jù)上面的分析，設(shè)計(jì)并且制作了采用矩形耦合窗口結(jié)合螺旋耦合環(huán)的3腔同軸腔可調(diào)濾波器。確定螺旋耦合環(huán)的尺寸的方法與確定矩形窗口的方法相似。螺旋耦合環(huán)的耦合帶寬隨尺寸變化的曲線可以通過電磁仿真工具得到，并根據(jù)仿真結(jié)果提取所需要的尺寸。本文所設(shè)計(jì)的同軸強(qiáng)可調(diào)濾波器長170 mm，矩形窗口長110 mm，螺旋耦合環(huán)長95 mm，螺旋部分的寬度38 mm，長度35 mm，螺距2 mm。可調(diào)帶通濾波器工作于230 MHz至406 MHz范圍內(nèi)。可調(diào)濾波器高低端傳輸特性的測試結(jié)果分別如圖6和圖7所示。

圖6 采用螺旋耦合環(huán)同軸腔可調(diào)濾波器的低端傳輸特性測試曲線

圖7 采用螺旋耦合環(huán)同軸腔可調(diào)濾波器的高端傳輸特性測試曲線

由圖5中可知：采用螺旋耦合環(huán)的同軸腔可調(diào)濾波器的耦合帶寬隨頻率的變化不是嚴(yán)格的常數(shù)，所實(shí)現(xiàn)的可調(diào)濾波器的帶寬在整個(gè)頻段內(nèi)會(huì)有一些差別。

由圖6和圖7得出，該濾波器的3 dB帶寬在低頻端為6.4 MHz，在高頻端為6.5 MHz，帶寬差為1.5%。在230 MHz處的通帶插入損耗為1.1 dB，在406 MHz處的通帶插入損耗為1.0 dB。

采用矩形耦合窗口結(jié)合螺旋耦合環(huán)的可調(diào)同軸腔濾波器的帶寬是矩形窗口和螺旋耦合環(huán)共同的貢獻(xiàn)，在矩形耦合窗口中插入螺旋耦合環(huán)可以平衡濾波器的高低端帶寬。同時(shí)，因?yàn)樵黾恿饲婚g耦合，可調(diào)濾波器的帶寬也有所增加。如果僅采用矩形耦合窗口，因窗口軸長受腔體尺寸的限制，窗口覆蓋區(qū)域中高頻磁場強(qiáng)度小于低頻磁場強(qiáng)度的區(qū)域很小，無法平衡高低端帶寬。由于螺旋耦合環(huán)能實(shí)現(xiàn)腔間輔助耦合，并且在設(shè)計(jì)中使其覆蓋99 mm到110 mm區(qū)域，能夠達(dá)到平衡高低端帶寬的目的。

圖6中可調(diào)濾波器的低頻端帶內(nèi)紋波比圖7中高頻端的帶內(nèi)紋波大，這是因?yàn)樵O(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)的可調(diào)濾波器的帶寬比較大，因此，低頻端耦合還略顯不足。加長矩形耦合窗口的長度或者增加螺旋耦合環(huán)的圈數(shù)都可以增加低頻端的耦合，減小低頻端的帶內(nèi)紋波。

如果設(shè)計(jì)的可調(diào)濾波器的帶寬較窄，則可以將矩形耦合窗口的起始位置向同軸腔的開路端移動(dòng)，同時(shí)借助螺旋耦合環(huán)，則可更加容易平衡濾波器的高低端帶寬。

因?yàn)榧庸ぞ鹊脑驅(qū)е聹y試的可調(diào)濾波器的高端頻率比設(shè)計(jì)預(yù)期值略低。本文中的濾波器采用電容膜片結(jié)構(gòu)的調(diào)諧機(jī)構(gòu)，而為了實(shí)現(xiàn)小型化可調(diào)濾波器，需要加載大電容，所以，這種電容膜片之間的距離比較小，需要很高的加工精度。在實(shí)際的應(yīng)用過程中，只要將設(shè)計(jì)的頻率范圍高低端都延展10 MHz，就能補(bǔ)償加工精度帶來的頻率偏移，不影響實(shí)際應(yīng)用。

4.結(jié) 論

提出了一種耦合窗口結(jié)合螺旋耦合環(huán)的耦合結(jié)構(gòu)。采用這種結(jié)構(gòu)的可調(diào)濾波器可以在整個(gè)工作頻段內(nèi)保持幾乎不變的帶寬。同時(shí)改善了可調(diào)濾波器插入損耗。螺旋耦合環(huán)的加入給可調(diào)濾波器增加了可調(diào)量，從而使可調(diào)濾波器更加容易調(diào)整。采用這種結(jié)構(gòu)可調(diào)濾波器可以根據(jù)需要在一定范圍內(nèi)調(diào)節(jié)帶寬而無需重新加工昂貴的腔體。這種耦合結(jié)構(gòu)適用于小型化的同軸腔可調(diào)濾波器設(shè)計(jì)中。

[1] 墨晶巖，馬哲旺. 低溫共燒陶瓷(LTCC)四級低通濾波器設(shè)計(jì)[J]. 電波科學(xué)學(xué)報(bào), 2005, 20(5): 566-569.

MO Jingyan, MA Zhewang. Design of an LTCC four-pole lowpass filter with two transmission zeros in its stopband[J]. Chinese Journal of Radio Science, 2005, 20(5): 566-569. (in Chinese )

[2] 彭 毅，章文勛. 應(yīng)用交指電容加載環(huán)諧振器的微帶帶阻濾波器[J]. 電波科學(xué)學(xué)報(bào),2009, 4(5):909-913.

PENG Yi, ZHANG Wenxun. Compact microstrip band-stop filter using interdigital capacitance loading loop resonator[J]. Chinese Journal of Radio Science, 2009, 4(5):909-913. (in Chinese)

[3] 付淑洪，童創(chuàng)明，李西敏. 一種新穎的開口環(huán)地面缺陷結(jié)構(gòu)低通濾波器[J]. 電波科學(xué)學(xué)報(bào)，2009, 24(6):1115-1118.

FU Shuhong, TONG Chuangming, LI Ximin. A novel split-ring resonator defected ground structure lowpass filter[J]. Chinese Journal of Radio Science, 2009, 24(6):1115-1118. (in Chinese)

[4] 熊瑩霞. 可調(diào)腔體帶通濾波器的研究與設(shè)計(jì)[D]. 上海： 華東師范大學(xué)，2005.

[5] KURZROK R M. Design of Interstage Coupling Apertures for Narrow-Band Tunable Coaxial Band-Pass Filters[J]. IEEE Trans. Microwave Theory Tech, 1962, 10(2): 143-144.

[6] 姚 毅，賈金玲.四腔同軸調(diào)諧微波濾波器的研制[J]. 四川輕化工學(xué)院學(xué)報(bào)，1997，10(1): 1-7.

YAO Yi, JIA Jinling. The Development of A Coaxial Tunable Microwave Filter of Four Cavities[J]. Journal of Sichuan Institute of Light Industry and Chemical Technology, 1997，10(1): 1-7. (in Chinese)

[7] 朱華彬，漆蘭芬.多腔體射頻可調(diào)諧濾波器的研究[J]. 華中科技大學(xué)學(xué)報(bào)(自然科學(xué)版)，2003，31(2):87-89.

ZHU Huabin,QI Lanfen. The study of multiple2cavity RF tunable filter[J]. Huazhong Univ. of Sci. & Tech. (Nature Science Edition), 2003，31(2):87-89. (in Chinese)

[8] ESTES J C. TUNABLE R F. Bandpass Pass Filter with Variable Resonator Coupling[C]. IEEE MTT-S Int. Microwave Symp.Dig. 2008: 1035-1038.

[9] PARK S J, REBEIZ G M. Low-loss two-pole tunable filters with three different predefined Bandwidth Characteristics[J]. IEEE Trans. Microwave Theory Techn. 2008, 56(5): 1137-1148.

[10] 韓世虎，王錫良，樊 勇. 廣義切比雪夫?yàn)V波器耦合矩陣的優(yōu)化提取[J]. 電波科學(xué)學(xué)報(bào)，2007, 22(1):153-157.

HAN Shihu, WANG Xiliang, FAN Yong. Optimization method for extracting coupling matrix of generalized chebyshev filter[J]. Chinese Journal of Radio Science, 2007, 22(1):153-157. (in Chinese)

[11] 梁昌洪，謝擁軍，官伯然. 簡明微波[M]. 北京：高等教育出版社，2006：145-146.