小體積微波濾波器的設(shè)計(jì)

柳 妮

（四川文理學(xué)院，四川 達(dá)州 635000）

0 引言

濾波電路廣泛運(yùn)用于電源濾波電路、電磁屏蔽、基帶電路和算法[1-3]，以及各種通信系統(tǒng)中，根據(jù)濾波器的結(jié)構(gòu)類型采用不同設(shè)計(jì)方法，對(duì)于微帶濾波器的設(shè)計(jì)采用軟件[4]，具有較大加載電容的梳狀線濾波器，由于它的諧振桿長度小于波長的八分之一；因此體積小，結(jié)構(gòu)緊湊，強(qiáng)度高，被廣范圍應(yīng)用；它的理論研究在參考文獻(xiàn)[5]中有已經(jīng)給出。圓桿梳狀線由于采用了圓柱金屬桿，其加工成本低，精度高，保證了電氣指標(biāo)的實(shí)現(xiàn)，與比矩形桿相比其性能優(yōu)良。

傳統(tǒng)的設(shè)計(jì)梳狀線濾波器方法采用試驗(yàn)法與等效電路原理結(jié)合，往往需要重復(fù)加工，反復(fù)調(diào)試，加工成功率很低，成本高，成品率低，使得生產(chǎn)周期很長。

用等效電路原理從理論上計(jì)算出圓桿梳狀線各個(gè)部分的最初尺寸，結(jié)合CST電磁場(chǎng)仿真軟件仿真電氣指標(biāo)。求圓桿梳狀線帶通濾波器的最初尺寸的計(jì)算公式見參考文獻(xiàn)[6]。本文設(shè)計(jì)出了中心頻率為1675 MHz圓桿梳狀線濾波器，并進(jìn)行了加工，得到了濾波器的S參數(shù)曲線的測(cè)試結(jié)果和CST軟件仿真結(jié)果。技術(shù)指標(biāo)相比實(shí)測(cè)結(jié)果兩者一致。

1 微波濾波器的設(shè)計(jì)

圖1給出了梳狀線帶通濾波器的原理圖，在圖1中諧振器由一端通過集中電容接地和一端短路平行耦合線構(gòu)成。 圖1中的1線到線n和與之相連的電容構(gòu)成相應(yīng)的諧振器；線0和線n+1是阻抗變換段的一部分，其阻抗變換的作用。

圖1 梳狀線濾波器原理

濾波器的電氣指標(biāo)如下。

中心頻率：f0=1.675 GHz ；帶寬：Δf=30 MHz；1 dB帶內(nèi)插損：LAr＜ 1.5 dB ；1 dB駐波系數(shù)：ρ＜1.2；帶外抑制：f0± 45 MHz ，大于46 dB。

[7]采用一般切比雪夫型函數(shù)濾波器，跟據(jù)參考文獻(xiàn)[5]可以計(jì)算得到階數(shù)n=6，梳狀濾波器的低通原型數(shù)值：g0=1，g1=1.1681，g2=1.4039，g3=2.0562， g4=1.5170，g5=1.9029，g6=0.8616，g7=1.3554。采用參考文獻(xiàn)[3]給出的計(jì)算公式計(jì)算圓桿梳狀線帶通濾波器，表1給出了自電容和歸一化電容的計(jì)算結(jié)果。

表1 梳狀濾波器的歸一化電容和自電容

表1給出了采用參考文獻(xiàn)[3]中的圖表與公式計(jì)算得出的數(shù)值；表2給出了采用等效電路原理方法計(jì)算得到的圓桿梳狀線濾帶通波器的尺寸；表3給出了CST軟件優(yōu)化得到的濾波器尺寸。

設(shè)計(jì)出的圓桿梳狀線濾波器的長僅 13 cm，寬僅2.3 cm，高僅1.14 cm。對(duì)表2與表3的尺寸，采用CST軟件仿真的濾波器的S參數(shù)見圖2與圖3。

表2 采用等效電路原理方法得出的圓桿梳狀濾波器的各部分尺寸參數(shù)

表3 CST軟件優(yōu)化計(jì)算得到的圓桿線梳狀濾波器各部分的尺寸參數(shù)

圖2 表2中尺寸的CST仿真的S參數(shù)

圖3 表3中尺寸的CST仿真的S參數(shù)

對(duì)比表2和表3的尺寸得出：等效電路原理的方法得到的濾波器各部分的尺寸和軟件優(yōu)化得到的尺寸不相同；同時(shí)比較圖2、圖3的濾波器的S11和S21電氣指標(biāo)曲線得出，等效電路原理沒有考慮諧振桿之間的相互耦合，僅僅只考慮了鄰近諧振桿之間的相互耦合，導(dǎo)致其計(jì)算的準(zhǔn)確度低；由于CST軟件的優(yōu)化計(jì)算考慮了所有諧振桿的相互耦合，因此其計(jì)算結(jié)果準(zhǔn)確度高。圖4為按照CST軟件優(yōu)化的尺寸，加工的實(shí)物圖片。

圖4 梳狀濾波器實(shí)物

圖5為其測(cè)試的特性曲線；圖5中，參考值線RFE位0 dB，特性曲線S11每格為5 dB，特性曲線S21每格為 10 dB，從圖 5可以得出回?fù)軗p耗小于-21 dB，f0± 45 MHz處的帶外抑制度大于 48 dB，通帶內(nèi)的插損小于LAr＜ 1.2 dB ，滿足電氣指標(biāo)要求。

圖5 梳狀濾波器參數(shù)的測(cè)試曲線

2 結(jié)語

本文采用等效電路原理計(jì)算得到濾波器尺寸初值，用CST軟件優(yōu)化設(shè)計(jì)了梳狀線帶通濾波器；設(shè)計(jì)的微波濾波器的帶外抑制高和帶內(nèi)插損小。由于只采用了一次，因而縮短了生產(chǎn)周期；進(jìn)行了濾波器實(shí)物加工測(cè)試，實(shí)測(cè)濾波器的指標(biāo)優(yōu)于要求的電氣指標(biāo)。采用大電容加載的圓桿梳狀結(jié)構(gòu)，因此體積小，結(jié)構(gòu)緊湊。

參考文獻(xiàn)

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[6]甘本祓.吳萬春.現(xiàn)代微波濾波器的結(jié)構(gòu)與設(shè)計(jì)[M].北京:科學(xué)出版社，1973.

[7]COHN S B.Parallel-coupled Transmission-lineresonator Filters.IRE Trans[J].Microw.Theory Tech., 1958, 4(04): 223-231.