一種寬阻帶窄帶腔體濾波器的設(shè)計(jì)

李瑞濤，楊青慧，張懷武

(電子科技大學(xué) 電子薄膜與集成器件國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，四川 成都 610054)

0 引言

微波濾波器在微波和通信系統(tǒng)中起頻率選擇的作用，在阻帶內(nèi)提供衰減特性，以抑制系統(tǒng)雜散和諧波輸出[1]。腔體濾波器因其插入損耗小，功率容量大，結(jié)構(gòu)堅(jiān)固等優(yōu)勢，更是廣泛應(yīng)用于通信雷達(dá)等多種領(lǐng)域。近年來，隨著微波技術(shù)的發(fā)展，在對高次諧波及遠(yuǎn)端雜散的抑制方面均有更高的要求。傳統(tǒng)腔體濾波器由于其結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，往往會在中心頻率的二次或三次諧波處產(chǎn)生明顯的寄生通帶，遠(yuǎn)端抑制能力差，影響濾波器的帶外抑制能力和系統(tǒng)工作[2]。因此，研究具有寬阻帶特性的帶通濾波器對于微波和通信系統(tǒng)的發(fā)展具有重要意義。

1 濾波器的設(shè)計(jì)原理

1.1 切比雪夫?yàn)V波器

具有切比雪夫響應(yīng)的濾波器通帶內(nèi)紋波幅度相等，邊沿陡峭，廣泛應(yīng)用于各類場合。切比雪夫?yàn)V波器傳輸函數(shù)為

(1)

式中：Ω為濾波器歸一化角頻率；ε為濾波器通帶的紋波系數(shù)；Tn(Ω)為n階切比雪夫函數(shù)[3]。

根據(jù)切比雪夫低通原型濾波器衰減特性函數(shù)，可計(jì)算出耦合系數(shù)、外部品質(zhì)因數(shù)等理論值[4]。當(dāng)濾波器的各項(xiàng)參數(shù)仿真值滿足理論計(jì)算值時(shí)，即可得到具有切比雪夫響應(yīng)的帶通濾波器。

1.2 寄生通帶抑制

微波濾波器通常由各個諧振單元組合而成。由于微波電路具有周期性，諧振單元在基本頻率整數(shù)倍的頻點(diǎn)附近會產(chǎn)生諧振，因此，構(gòu)成的微波濾波器也會在其高次模附近產(chǎn)生寄生通帶[5]。

抑制寄生通帶的方法有多種。梳狀腔體濾波器由平行排列的諧振柱及其與接地腔體的等效并聯(lián)電容構(gòu)成，通常濾波器在中心頻率的三次和五次諧波處產(chǎn)生寄生通帶。如果將濾波器耦合結(jié)構(gòu)改為十字橫桿耦合(見圖1)，使得諧振柱開路端面到橫桿連接點(diǎn)的距離為寄生通帶頻率的1/4波長或其奇數(shù)倍；同時(shí)，短路端面到連接點(diǎn)的距離為寄生通帶頻率的1/2波長或其整數(shù)倍，則寄生通帶信號在連接點(diǎn)處為電壓駐波的零點(diǎn)，所以信號流經(jīng)這里被短路。當(dāng)忽略諧振柱間的直接耦合時(shí)，寄生通帶可以在理論上得到有效抑制[6]。但是，若直接采用圖1(b)所示結(jié)構(gòu)，則十字橫桿間距將過近，導(dǎo)致加工難；若采用橫桿上下錯開再靠近重疊的方式耦合，則不能很好地抑制三次和五次諧波。因此，需要在此基礎(chǔ)上進(jìn)一步改進(jìn)設(shè)計(jì)。

圖1 梳狀結(jié)構(gòu)和十字橫桿結(jié)構(gòu)示意圖

2 寬阻帶窄帶濾波器設(shè)計(jì)

基于十字橫桿結(jié)構(gòu)可以在理論上有效抑制寄生通帶，但存在橫桿間距過近，加工難以實(shí)現(xiàn)等問題。因此，針對背景技術(shù)的缺陷，設(shè)計(jì)了帶啞鈴型橫桿的梳狀濾波器結(jié)構(gòu)，結(jié)構(gòu)示意圖如圖2所示。

圖2 帶有啞鈴型橫桿的梳狀排列結(jié)構(gòu)

由于啞鈴型橫桿增加了諧振柱之間的耦合面積，從而增大了相鄰諧振柱之間的耦合電容，故在滿足相同耦合度的條件下，增大了諧振柱間距。此外，由于諧振柱間距的進(jìn)一步增大，諧振柱除啞鈴型橫桿外的耦合作用幾乎可忽略，從而進(jìn)一步提高了對寄生通帶的抑制效果。因此，基于此結(jié)構(gòu)可以在保證微波性能的同時(shí)，滿足加工工藝的要求。

另一方面，由于啞鈴型橫桿位于同一高度上，所以，基于此結(jié)構(gòu)只能抑制通頻帶最近的寄生通帶，而無法抑制更多寄生通帶?？紤]到增加諧振單元的加載電容可以在減小濾波器體積的同時(shí)，將濾波器的寄生通帶向高頻移動[7]，因此，利用電容加載原理，將濾波器寄生通帶向高頻遠(yuǎn)端移動，再利用啞鈴型橫桿抑制寄生通帶，從而使阻帶擴(kuò)展到更寬范圍而不出現(xiàn)寄生通帶，實(shí)現(xiàn)寬阻帶帶通腔體濾波器。

圖3為濾波器諧振單元結(jié)構(gòu)，帶有啞鈴型橫桿的諧振柱和上方的調(diào)諧螺釘構(gòu)成基本諧振結(jié)構(gòu)。諧振柱前、后的兩個長方體金屬塊位于腔體側(cè)壁上，由于啞鈴型橫桿對金屬塊呈半包圍結(jié)構(gòu)，可以顯著增加諧振單元的加載電容。因此，基于此結(jié)構(gòu)進(jìn)行設(shè)計(jì)，即可實(shí)現(xiàn)寬阻帶帶通腔體濾波器。

圖3 帶通濾波器諧振單元結(jié)構(gòu)

3 濾波器設(shè)計(jì)實(shí)例

3.1 濾波器指標(biāo)和參數(shù)計(jì)算

根據(jù)第2節(jié)所述的設(shè)計(jì)思路，設(shè)計(jì)仿真中心頻率為2.45 GHz、帶寬為4.08%的帶通腔體濾波器，仿真結(jié)果要求通帶內(nèi)插入損耗小于1 dB，回波損耗大于20 dB，帶外在4.9 GHz、7.35 GHz處的抑制大于70 dB。

計(jì)算濾波器耦合系數(shù)、外部品質(zhì)因數(shù)(Qe)等理論值有多種方式，其中，利用Couplefil軟件可計(jì)算出基于切比雪夫結(jié)構(gòu)的平行耦合帶通濾波器的各個諧振單元間的耦合帶寬(CBW)、Qe等參數(shù)[8-9]。設(shè)計(jì)濾波器為七階，回波損耗設(shè)為25 dB，可得到濾波器的Qe=20.472 1，CBW1,2=CBW6,7=0.092 2 GHz；CBW2,3=CBW5,6=0.063 1 GHz；CBW3,4=CBW4,5=0.058 5 GHz。

3.2 濾波器CST建模仿真

通過三維電磁場仿真軟件CST，可以完成濾波器的建模和仿真。濾波器的仿真過程包括單腔仿真、雙腔仿真、帶有激勵端口仿真及整體仿真。通過改變模型尺寸參數(shù)，使各項(xiàng)仿真結(jié)果逼近理論計(jì)算值，從而設(shè)計(jì)出具有切比雪夫相應(yīng)的帶通濾波器。單腔仿真模型如圖4(a)所示。

圖4 帶通濾波器各模塊仿真模型

在單腔仿真中，改變諧振柱高度等參數(shù)，使諧振頻率為通帶中心頻率，同時(shí)調(diào)節(jié)加載電容塊大小，使諧振器的高次模向高頻移動。通過仿真可得空氣腔尺寸為6 mm×10 mm×24 mm，諧振柱高為21.7 mm，加載電容金屬塊尺寸為2 mm×1 mm×9 mm，此時(shí)諧振頻率為2.45 GHz，高次模諧振頻率為10.21 GHz，遠(yuǎn)離通帶中心頻率。

由圖4(b)可知，通過改變諧振柱間距，即啞鈴型橫桿間的間隙寬度，可以調(diào)節(jié)CBW，使仿真結(jié)果和理論計(jì)算值接近。帶有激勵端口仿真如圖4(c)所示。設(shè)計(jì)同軸端口內(nèi)、外徑阻抗為50 Ω，通過調(diào)節(jié)端口高度和諧振柱高度，使諧振頻率為通帶中心頻率，同時(shí)使Qe接近理論計(jì)算值。

整體仿真模型如圖5所示。優(yōu)化除啞鈴型橫桿高度外的各個尺寸參數(shù)，使通頻帶的插入損耗和駐波基本滿足仿真指標(biāo)要求，如圖6所示。由圖可知，由于引入了加載電容結(jié)構(gòu)，在中心頻率的四次諧波前阻帶平坦，帶外抑制高，已具有寬阻帶的特性，但在10.15 GHz左右存在明顯寄生通帶。

圖5 帶通濾波器整體仿真模型

圖6 濾波器未抑制寄生通帶仿真結(jié)果

為了抑制距離通帶位置最近的寄生通帶，需要對啞鈴型橫桿的高度進(jìn)行調(diào)整優(yōu)化，從而在橫桿連接點(diǎn)處形成該頻率的傳輸零點(diǎn)，達(dá)到對寄生通帶的抑制效果。優(yōu)化后的仿真結(jié)果如圖7所示。

圖7 濾波器抑制寄生通帶仿真結(jié)果

由圖7可知，10.15 GHz處的寄生通帶得到了明顯抑制，S21<-80 dB。通帶中心頻率的五次諧波位置達(dá)到了80 dB以上的抑制。通帶內(nèi)回波損耗達(dá)到20 dB，插入損耗小于1 dB，帶外抑制高，阻帶范圍寬，實(shí)現(xiàn)了寬阻帶帶通濾波器的仿真設(shè)計(jì)。

4 結(jié)束語

本文介紹了一種寬阻帶窄帶帶通濾波器的設(shè)計(jì)仿真方法。通過模型設(shè)計(jì)、參數(shù)計(jì)算和建模仿真等過程，實(shí)現(xiàn)了一個中心頻率為2.45 GHz，帶寬為4.08%的帶通腔體濾波器。仿真結(jié)果顯示，濾波器通帶性能好，阻帶范圍寬，符合預(yù)期指標(biāo)設(shè)計(jì)，滿足設(shè)計(jì)需求。