小型化電容加載腔體濾波器設(shè)計(jì)

梁駿

（電子科技大學(xué) 物理電子學(xué)院，四川 成都 610054）

濾波器作為一類重要的微波無源器件廣泛應(yīng)用在現(xiàn)代通信系統(tǒng)、雷達(dá)系統(tǒng)和電子對(duì)抗系統(tǒng)中。其性能往往對(duì)整個(gè)系統(tǒng)造成重大影響。隨著現(xiàn)代通信技術(shù)的不斷發(fā)展，頻譜資源的日益枯竭而導(dǎo)致各微波通信系統(tǒng)頻率分布間隔不斷密集。由于這些原因使得對(duì)濾波器性能要求越來越高。同時(shí)由于星載、機(jī)載微波系統(tǒng)對(duì)對(duì)濾波器的功率容量、插損、帶外抑制、重量、體積有特殊要求，使得濾波器要在提高性能的同時(shí)小型化方向發(fā)展。

1 電容加載傳輸線縮短理論

圖1（a）中給出了一個(gè)特性阻抗為Z，長(zhǎng)度為L(zhǎng)的傳輸線，其[A]矩陣如下：

圖1 傳輸線與加載電容的傳輸線Fig.1 Transmission line and the transmission line of the loading capacity

圖1（b）中為電容加載的傳輸線模型。兩段傳輸線的特性阻抗都為Z0，長(zhǎng)度為l0。兩段傳輸線中間并聯(lián)電容的電抗為jB。該網(wǎng)絡(luò)的[A]矩陣用[B]表示，其表達(dá)式如下：

對(duì)兩電路進(jìn)行等效，當(dāng) β=β0，[A]=[B]時(shí)，由式（1），（2）可得：

若濾波器采用空腔諧振器作為基本諧振單元，利用λg/2作為諧振腔長(zhǎng)度，由上述理論分析可知，將并聯(lián)電容加載在半波長(zhǎng)空腔諧振器中，可以在諧振頻率不變的情況下減小腔體諧振器尺寸?？赏ㄟ^以下兩種方法實(shí)現(xiàn)諧振腔的電容加載。1）在諧振腔中加入一段金屬凸臺(tái)，其結(jié)構(gòu)示意圖如圖2（a）所示。 金屬凸臺(tái)的長(zhǎng)度、寬度和高度分別為L(zhǎng)s1、Ws1、Hs1，其等效電路如圖1右部所示，金屬凸臺(tái)等效為電路中的并聯(lián)電容；2）在諧振腔中加入一段T型金屬結(jié)構(gòu)，其結(jié)構(gòu)示意圖如圖2（b）所示。T型結(jié)構(gòu)下端金屬長(zhǎng)方體的長(zhǎng)度、寬度、高度分別為L(zhǎng)s2、Ws2、Hs2，T型結(jié)構(gòu) 上端金屬長(zhǎng)方體的長(zhǎng)度、 寬度、高度分別為 Ls3、Ws3、Hs3，其等效電路如圖 1右部所示，T型金屬結(jié)構(gòu)等效為電路中的并聯(lián)電容。

圖2 腔體諧振器Fig.2 Cavity resonator

作為例子，表1中給出了利用HFSS電磁仿真軟件計(jì)算得到諧振頻率為2.4 GHz的3種腔體諧振器的結(jié)構(gòu)尺寸。

表1 諧振頻率為2.4 GHz時(shí)3種腔體諧振器的尺寸參數(shù)Tab.1 Size parameters of the three cavity resonators，frequency of 2.4 GHz

由表1可以看出，當(dāng)空腔諧振器內(nèi)加入金屬凸臺(tái)或T型金屬結(jié)構(gòu)時(shí)，在相同的諧振頻率，腔體尺寸能夠大大減小。加入T型金屬結(jié)構(gòu)的腔體諧振器尺寸與其他兩種諧振器相比，尺寸最小。所以利用這種結(jié)構(gòu)作為設(shè)計(jì)腔體濾波器的基本結(jié)構(gòu)，能夠有效減小濾波器體積，從而有利于其小型化應(yīng)用。

2 電容加載腔體濾波器設(shè)計(jì)

文中設(shè)計(jì)的電容加載腔體帶通濾波器的參數(shù)指標(biāo)為：中心頻率為2.4 GHz，相對(duì)帶寬為10%，帶外抑制為-40 dBc@2 BW，通帶內(nèi)波紋≤0.5 dB，插入損耗≤1 dB。根據(jù)給出的參數(shù)指標(biāo)進(jìn)行綜合，可知濾波器采用切比雪夫型，計(jì)算得到該濾波器的階數(shù)n=4，低通原型值為：

g0=1，g1=1.108 8，g2=1.306 1，g3=1.770 3，g4=1.818 0，g5=1.354 4。 按照以上結(jié)構(gòu)，利用HFSS電磁仿真軟件模擬得到了一個(gè)電容加載腔體帶通濾波器。其結(jié)構(gòu)示意圖如圖3所示，仿真曲線如圖4所示。

圖3 電容加載腔體帶通濾波器結(jié)構(gòu)示意圖Fig.3 Structure diagram of the capacity-loaded cavity band-pass filter

文中另外給出了一個(gè)常規(guī)腔體濾波器的仿真結(jié)果，仿真曲線如圖5所示。

圖4 電容加載腔體帶通濾波器仿真曲線Fig.4 Simulation curve of the capacity-loaded cavity band-pass filter

圖5 普通腔體帶通濾波器仿真曲線Fig.5 Simulation curve of a traditional cavity filter

由圖3可以看出，電容加載腔體濾波器由4個(gè)加載了T型金屬結(jié)構(gòu)的腔體與腔體之間的耦合結(jié)構(gòu)構(gòu)成，濾波器總長(zhǎng)度為121.8 mm，長(zhǎng)度和高度為34.8 mm和21 mm，而常規(guī)腔體濾波器的尺寸為：86.4 mm×43.2 mm×351.8 mm?？梢钥闯鲭娙菁虞d腔體濾波器的體積大大減小。電容加載腔體濾波器中腔體間的耦合利用耦合桿實(shí)現(xiàn)。耦合桿的寬度與T型金屬結(jié)構(gòu)下端的長(zhǎng)方體寬度相同，高度由腔體間的耦合量決定。電容加載濾波器的輸入輸出結(jié)構(gòu)采用抽頭結(jié)構(gòu)，接頭采用可拆卸的SMA接頭。抽頭探針與腔內(nèi)T型結(jié)構(gòu)下端的長(zhǎng)方體金屬塊直接焊接。由圖4仿真曲線可以看出，電容加載腔體濾波器通帶內(nèi)S11≤-20 dB，遠(yuǎn)端寄生通帶在3倍中心頻率上出現(xiàn)，而常規(guī)腔體濾波器的寄生通帶出現(xiàn)在2倍中心頻率處，所以采用本結(jié)構(gòu)的濾波器帶外抑制性能優(yōu)于常規(guī)腔體濾波器。

3 電容加載腔體濾波器樣品及測(cè)試

由仿真優(yōu)化結(jié)果，文中加工制作出一套濾波器樣品。其外觀照片和內(nèi)部結(jié)構(gòu)照片如圖6、圖7所示。為了修正該濾波器的加工誤差，需在濾波器的中心線上安裝一排調(diào)諧螺釘。圖8為該濾波器的實(shí)際測(cè)試曲線。由圖8可以看出，實(shí)際加工出來的濾波器中心頻率為：2.4 GHz，帶寬為：240 MHz，通帶內(nèi)插損小于0.8 dB，駐波比小于1.25（反射系數(shù)小于-20 dB），帶外抑制在1.9 GHz和2.8 GHz處都達(dá)到了40 dB。該濾波器的寄生通帶出現(xiàn)在7.3 GHz以外。

圖6 電容加載腔體帶通濾波器樣品照片F(xiàn)ig.6 Sample’s photo of the capacity-loaded cavity band-pass filter

圖7 電容加載腔體帶通濾波器內(nèi)部結(jié)構(gòu)照片F(xiàn)ig.7 Internal structure’s photo of the capacity-loaded cavity band-pass filter

圖8 電容加載腔體帶通濾波器測(cè)試曲線Fig.8 Test curve of the capacity-loaded cavity band-pass filter

4 結(jié)束語

文中介紹了一種電容加載腔體帶通濾波器的設(shè)計(jì)與測(cè)試結(jié)果。首先根據(jù)傳輸線理論證明了采用電容加載的方式可以是傳輸線長(zhǎng)度縮短。利用HFSS電磁仿真軟件，仿真優(yōu)化得到了一個(gè)電容加載的小型化腔體帶通濾波器。通過對(duì)實(shí)際加工制作出的濾波器進(jìn)行調(diào)節(jié)測(cè)試，其測(cè)試結(jié)果證明了該濾波器具有體積小，小插損，高帶外抑制，寄生通帶遠(yuǎn)等優(yōu)點(diǎn)。

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