同軸腔體帶通濾波器的研究與設(shè)計(jì)＊

楊永俠，劉方方，郭 亮

（1．西安工業(yè)大學(xué) 電子信息工程學(xué)院，西安710021；2．中國(guó)兵器工業(yè)集團(tuán)公司第205研究所，西安710065）

近年來(lái)，隨著微波、毫米波技術(shù)的迅速發(fā)展，無(wú)線(xiàn)通信系統(tǒng)得到了蓬勃的發(fā)展．微波濾波器作為一種頻率選擇裝置，是現(xiàn)代微波、毫米波通信系統(tǒng)中一個(gè)非常重要的組成部分，是不可缺少的器件之一．由于現(xiàn)在民用移動(dòng)通信正處于三網(wǎng)融合的3G時(shí)代甚至?xí)u漸步入4G時(shí)代，頻段通常比較低，傳統(tǒng)的空腔濾波器，體積較大；超導(dǎo)薄膜濾波器對(duì)工作環(huán)境要求太嚴(yán)格，而且價(jià)格昂貴；微帶濾波器無(wú)法承受發(fā)射機(jī)的高功率而且插損也較大．同軸腔體具有Q值高、易于實(shí)現(xiàn)的特點(diǎn)，特別適用于通帶窄、帶內(nèi)插損小、帶外抑制高的場(chǎng)合．所以目前移動(dòng)通信基站上的收發(fā)機(jī)使用的濾波器大多以鋁銅等材料設(shè)計(jì)的腔體濾波器．并且這種性能優(yōu)良、價(jià)格低廉、微型化的腔體濾波器已經(jīng)成為移動(dòng)通信行業(yè)中研究的重點(diǎn)［1］．

抑制CDMA800MHz網(wǎng)絡(luò)上行頻段噪聲的腔體濾波器，采用傳統(tǒng)的方法進(jìn)行設(shè)計(jì)，尺寸大、周期長(zhǎng)、成本高是不可回避的．文中設(shè)計(jì)中引入交叉耦合產(chǎn)生零點(diǎn)．交叉耦合同軸腔體濾波器在現(xiàn)代射頻、微波系統(tǒng)中得到了廣泛的應(yīng)用，其設(shè)計(jì)靈活，帶外傳輸零點(diǎn)可以任意指定，最多可以實(shí)現(xiàn)和濾波器節(jié)數(shù)一樣多的傳輸零點(diǎn)，傳輸零點(diǎn)的位置既可以放在通帶外以提高阻帶抑制，又可以放在通帶內(nèi)將濾波器的一個(gè)通帶分成多個(gè)通帶，傳輸零點(diǎn)不僅可以位于實(shí)軸來(lái)提高頻率選擇性，又可以位于虛軸來(lái)平坦濾波器的群時(shí)延．文中還利用二維電路仿真軟件AWR和三維電磁仿真軟件（High Frequency Structure Simulator，HFSS）的協(xié)同仿真進(jìn)行設(shè)計(jì)，不但縮小了設(shè)計(jì)周期還節(jié)省了成本，提高了設(shè)計(jì)的有效性．

1 帶通濾波器的設(shè)計(jì)理論

1．1 低通原型濾波器

所有類(lèi)型的濾波器，都是由低通濾波器原型變換來(lái)的．低通濾波器原型是網(wǎng)絡(luò)綜合法設(shè)計(jì)濾波器的基礎(chǔ)，他是一種歸一化的低通濾波器，即g0＝1，截止角頻率Ωc＝1［2］．

1．2 倒置變換器

文中利用J阻抗變換器和并聯(lián)的諧振回路實(shí)現(xiàn)帶通濾波器［2］．引入阻抗變換器之后，g0…gn，Jn，n＋1，耦合系數(shù)kn，n＋1，有載品質(zhì)因數(shù)Qe之間的數(shù)值關(guān)系推導(dǎo)如下：

電納斜率參數(shù)為

在推導(dǎo)過(guò)程中發(fā)現(xiàn)耦合系數(shù)kn，n＋1的最終形式只與相對(duì)帶寬W和低通模型中g(shù)ngn＋1有關(guān)，跟電納斜率無(wú)關(guān)．所以在單個(gè)諧振網(wǎng)絡(luò)中，不管電容電感怎么取值，只要諧振頻率符合即可．

2 設(shè)計(jì)與仿真

2．1 設(shè)計(jì)指標(biāo)

濾波器的設(shè)計(jì)指標(biāo)見(jiàn)表1．該濾波器工作于移動(dòng)通信基站CDMA800MHz網(wǎng)絡(luò)，中心頻率f0在875MHz，工作帶寬BW為10MHz，濾波器的回波損耗RL＞-20dB，插入損耗IL＜0．25dB，要求比較嚴(yán)格，所以濾波器可采用同軸諧振腔來(lái)實(shí)現(xiàn)［3］；濾波器要求對(duì)移動(dòng)通信基站中在CDMA800 MHz網(wǎng)絡(luò)的上行頻段（825～835MHz）的抑制達(dá)到80dB，因此就要考慮引入交叉耦合來(lái)實(shí)現(xiàn)［4-5］．

表1 濾波器的設(shè)計(jì)指標(biāo)Tab．1 The design index of the filter

2．2 設(shè)計(jì)步驟

腔體濾波器設(shè)計(jì)流程為：根據(jù)設(shè)計(jì)指標(biāo)要求選擇適合的濾波器模型，然后用AWR軟件優(yōu)化計(jì)算得到k，q值，然后用HFSS實(shí)現(xiàn)其物理結(jié)構(gòu)并對(duì)其完成單腔仿真，雙腔仿真，和抽頭仿真，分別來(lái)確定斜杠桿長(zhǎng)度和尺寸，耦合窗的大小，和輸入輸出的位置，從而實(shí)現(xiàn)全腔仿真．最后對(duì)其進(jìn)行調(diào)試使其達(dá)到設(shè)計(jì)要求．

2．3 仿真結(jié)果

①根據(jù)AWR理論電路結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)仿真并優(yōu)化后，結(jié)果如圖1所示，其帶內(nèi)插入損耗為-0．167 6dB；回波損耗為-30dB，在帶外頻率為0．832GHz時(shí)其帶外抑制為-86．29dB，可以看出濾波器的各項(xiàng)指標(biāo)都滿(mǎn)足，并且留有余量．計(jì)算求取諧振器間耦合系數(shù)以及各諧振腔的諧振頻率分別為

圖1 仿真優(yōu)化結(jié)果Fig．1 The simulation optimization results

②根據(jù)AWR中原理圖的仿真基礎(chǔ)，在HFSS軟件中進(jìn)行物理尺寸的確定［6-7］．首先在在單腔仿真中確定中心頻率f0＝0．885 9GHz，品質(zhì)因數(shù)Q＝4 463．諧振桿長(zhǎng)度一般采用λ／4，最終確定諧振桿高度為27mm，半徑2mm；單腔尺寸半徑30mm，高38mm；諧振腔半徑7．5mm，高30mm；其次根據(jù)AWR中確定的耦合系數(shù)確定HFSS中各腔體的尺寸以及諧振桿的大??；最后進(jìn)行全腔仿真，建立了五腔體模型［8］如圖2所示．

圖2 腔體濾波器設(shè)計(jì)流程Fig．2 The design process of the cavity filter

通過(guò)S參數(shù)的仿真曲線(xiàn)來(lái)判斷濾波器是否滿(mǎn)足要求，實(shí)際仿真結(jié)果如圖3所示：通帶內(nèi)回波損耗S11為-20．236 8dB，插入損耗S21為-0．252 2 dB，帶外抑制為-98．695 8dB．可以看出在頻率、插損和抑制度方面，濾波器均達(dá)到設(shè)計(jì)要求．最終設(shè)計(jì)尺寸見(jiàn)表2．

2．4 影響濾波器性能參數(shù)的因素分析

物理尺寸對(duì)濾波器性能起著決定性的作用，本文中設(shè)計(jì)了一個(gè)五腔體的濾波器，諧振桿的長(zhǎng)度，雙腔開(kāi)窗的大小以及輸入輸出位置等決定著濾波器的性能是否達(dá)到要求，在此將做以簡(jiǎn)單介紹［9］．

圖3 仿真優(yōu)化結(jié)果Fig．3 The simulation optimization results

表2 濾波器的最終尺寸Tab．2 The final size of the filter

①諧振桿長(zhǎng)度的影響

通過(guò)HFSS對(duì)單腔模型進(jìn)行仿真，使得單腔諧振在中心頻率附近，利用HFSS的本征模對(duì)同軸諧振腔的諧振桿高度進(jìn)行掃描，可以得到無(wú)載品質(zhì)因數(shù)Q0值以及諧振頻率隨諧振桿的高度的變化曲線(xiàn)．仿真結(jié)果如圖4所示．

在圖4（a）中隨著諧振桿高度的增大，諧振腔的無(wú)載品質(zhì)因數(shù)隨之增大，在諧振桿取27mm時(shí)，無(wú)載品質(zhì)因數(shù)Q0達(dá)到最大值5 500左右，而Q0決定了濾波器的插入損耗，Q0越大，插入損耗越??；圖4（b）中則是諧振頻率隨著諧振桿高度的變化曲線(xiàn)圖，諧振桿越長(zhǎng)，諧振頻率越低，他們之間存在的反比關(guān)系．

②耦合桿的長(zhǎng)度以及窗口寬度的影響

通過(guò)HFSS雙腔仿真得到雙腔間的耦合結(jié)構(gòu)及耦合系數(shù)為例，如圖5所示．如圖5（a）所示隨著耦合桿的增加，其腔間耦合系數(shù)隨之增加．如圖5（b）所示，窗口寬度增加時(shí)，耦合系數(shù)略有增加．

對(duì)雙模型中交叉耦合模型也進(jìn)行了同樣的掃描仿真，結(jié)果如圖6～7所示，耦合桿越長(zhǎng)，耦合系數(shù)越大；窗口寬度增大，耦合系數(shù)增大．

圖4 濾波器模型Fig．4 The filter model

圖5 雙腔耦合的影響因數(shù)Fig．5 The influencing factors on double cavity coupling

圖6 交叉耦合系數(shù)的變化曲線(xiàn)Fig．6 The change curve of cross coupling coefficient

③ 抽頭位置對(duì)濾波器的影響

在軟件中對(duì)抽頭位置進(jìn)行掃描，得到S21以及S11的變化曲線(xiàn)如圖89所示．

圖7 窗口寬度的影響變化Fig．7 The changes of window-width

從仿真結(jié)果可以看出，當(dāng)抽頭位置改變時(shí)，圖8（a）～（b）都可以看出濾波器的中心頻率發(fā)生了偏移，同時(shí)圖8（a）中的插入損耗S21隨著抽頭位置的增高而減小，圖8（b）中的回波損耗S11則隨之增大．

圖8 參數(shù)S的變化曲線(xiàn)Fig．8 The changing curves of parameters

3 設(shè)計(jì)驗(yàn)證

采用編程的思想，把耦合矩陣綜合以及耦合矩陣的變換過(guò)程編寫(xiě)成了 Matlab程序［10］．在用Matlab綜合耦合矩陣的過(guò)程中，只需要輸入濾波器的設(shè)計(jì)指標(biāo)，進(jìn)行Matlab程序就可以得到耦合矩陣和外部品質(zhì)因數(shù)．通過(guò)Matlab編程使得耦合矩陣綜合過(guò)程大大的簡(jiǎn)化了，并且可以節(jié)省很多設(shè)計(jì)時(shí)間［10］．通過(guò)計(jì)算仿真得到如圖9所示結(jié)果．

圖9 Matlab編程仿真的S曲線(xiàn)Fig．9 Matlab simulation of Scurve

通過(guò)圖9（a）所示的S21曲線(xiàn)可以看出，在通帶內(nèi)濾波器的插入損耗非常小，完全達(dá)到指標(biāo)要求；同時(shí)在帶外低頻處通過(guò)產(chǎn)生的兩個(gè)零點(diǎn)使得頻率在825～835MHz的位置，其帶外抑制度高達(dá)-120dB，這是理論上達(dá)到的效果，從圖9（b）中所示的S11曲線(xiàn)可以看出，濾波器的帶內(nèi)回波損耗在通帶內(nèi)小于-15dB．

4 結(jié) 論

通過(guò)比較三種仿軟件的仿真結(jié)果可以看出：用兩種方法設(shè)計(jì)的濾波器都可以達(dá)到技術(shù)指標(biāo)的要求，中心頻率都在875MHz，利用AWR和HFSS協(xié)調(diào)仿真設(shè)計(jì)的濾波器回波損耗為-20．54dB，插入損耗為-0．2522dB，其帶外抑制為-98．69dB；運(yùn)用Matlab仿真設(shè)計(jì)的濾波器其回波損耗為-15 dB，插入損耗為-0．08dB，其帶外抑制高達(dá)-120 dB．實(shí)驗(yàn)結(jié)果證明了該濾波器具有在通帶內(nèi)插入損耗小，帶外高性能抑制等優(yōu)點(diǎn)，具有良好的應(yīng)用前景．

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