設(shè)計(jì)了一種新型的濾波器,就是在傳統(tǒng)的腔體濾波器中加入介質(zhì)諧振腔,即金屬腔體和介質(zhì)腔體混合的一種結(jié)構(gòu).這種混合結(jié)構(gòu)有著介質(zhì)腔體的高介電常數(shù),很小的頻率溫度系數(shù)以及極高的Q值的優(yōu)點(diǎn),同時(shí)也有著金屬腔體易調(diào)試、結(jié)構(gòu)穩(wěn)定、體積小等好處.為了使濾波器擁有更好的帶外抑制,我們還加入了較多的傳輸零點(diǎn).通過(guò)仿真軟件Genesys對(duì)濾波器電路模型進(jìn)行設(shè)計(jì),用HFSS對(duì)濾波器的單腔以及雙腔進(jìn)行仿真,從而確定了濾波器的尺寸.最后兩種仿真結(jié)果基本一致,證明該設(shè)計(jì)的可行性.

濾波器是一種對(duì)信號(hào)起分離作用的器件,在特定的通帶里面對(duì)信號(hào)進(jìn)行篩選,使有用的信號(hào)盡可能無(wú)衰減通過(guò),同時(shí)最大程度地抑制通帶外的信號(hào).隨著現(xiàn)在無(wú)線(xiàn)通信的發(fā)展,頻率資源越來(lái)越匱乏,如何設(shè)計(jì)出低插損、高功率、高隔離的濾波器是目前所面臨的新問(wèn)題.同軸腔體濾波器具有體積小、結(jié)構(gòu)牢固、易調(diào)諧、帶外抑制高等優(yōu)點(diǎn),設(shè)計(jì)起來(lái)方便靈活,具有非常廣泛的實(shí)用性.

介質(zhì)諧振器早在1939年被美國(guó)學(xué)者R. D. Richtmyer提出,并在20世紀(jì)六七十年代得到快速發(fā)展.我們知道,諧振器的尺寸和電介質(zhì)材料的介電常數(shù)的平方根成反比,因此介電常數(shù)越高的材料,由它構(gòu)成的諧振器的體積會(huì)很小,同時(shí)它具有很小的頻率溫度系數(shù),從而可以實(shí)現(xiàn)器件的高穩(wěn)定性和高可靠性.最重要的一點(diǎn)就是介質(zhì)諧振器具有非常高的品質(zhì)因素Q,濾波器的一個(gè)非常重要的指標(biāo)就是插入損耗要低,而Q值越高,插損就越低，同時(shí)介質(zhì)材料的成本也很低.但由于介質(zhì)濾波器后期產(chǎn)品的調(diào)試難度較大,耗時(shí)較長(zhǎng),因此它的實(shí)用性還不是特別的廣泛.

因此,本文在傳統(tǒng)的同軸腔體濾波器的基礎(chǔ)上,加入了介質(zhì)諧振器,設(shè)計(jì)出一款金屬諧振腔能夠與介質(zhì)諧振腔混合的濾波器.這樣設(shè)計(jì)的目的是為了充分地利用了介質(zhì)諧振器的優(yōu)點(diǎn),提高整個(gè)濾波器的品質(zhì)因素和功率容量,但又不會(huì)增加整個(gè)濾波器的調(diào)試難度.同時(shí)設(shè)計(jì)了較多的傳輸零點(diǎn),使得濾波器有著更高的帶外抑制.本次設(shè)計(jì)是通過(guò)Genesys進(jìn)行電路仿真設(shè)計(jì),同時(shí)通過(guò)HFSS對(duì)濾波器的單腔以及雙腔進(jìn)行仿真,從而確定濾波器的尺寸.最后對(duì)比電路仿真與三維仿真,所得結(jié)果基本一致.

1 濾波器設(shè)計(jì)分析

本文設(shè)計(jì)了一款帶通濾波器,其技術(shù)指標(biāo)如表1.本設(shè)計(jì)采用的是波紋0.9 dB的廣義切比雪夫公式來(lái)設(shè)計(jì)的.為了達(dá)到指標(biāo)中的帶外抑制的要求,加入了3個(gè)感性交叉耦合和一個(gè)容性交叉耦合.

表1 濾波器設(shè)計(jì)指標(biāo)

Table 1 Design indexes of filter

1.1 拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)和耦合矩陣的建立

由基爾霍夫定理,我們可以寫(xiě)出各個(gè)諧振腔之間的回路方程

(1)

在窄帶近似條件下,將上面各式歸一化,令相對(duì)帶寬FBW=Δω/ω0=Δf/f0,于是有:

(2)

(3)

(4)

(5)

在式(4)和式(5)中,ω′為歸一化角頻率為各諧振器的諧振頻率.ωk可以不等于中心角頻率ω0,這等于增加了優(yōu)化的輸入變量,于是得到整個(gè)交叉耦合電路的S參數(shù):

(6)

S11=1-2R1i1=1+2jR1[Z-1].

(7)

這樣通過(guò)式(6)和式(7)建立了廣義切比雪夫函數(shù)和交叉耦合等效電路之間的聯(lián)系.通過(guò)上面的多項(xiàng)式分析,同時(shí)我們借助軟件couplefile來(lái)對(duì)濾波器的耦合矩陣進(jìn)行綜合設(shè)計(jì)以滿(mǎn)足濾波器的指標(biāo)要求.得到的耦合矩陣如表2.其中S代表源,L代表負(fù)載,1到9代表著第幾個(gè)腔體,其他數(shù)字代表每個(gè)腔體間的耦合系數(shù).

表2 耦合矩陣

Table 2 coupled matrix

同時(shí)我們可以得出濾波器的節(jié)數(shù)為9節(jié),濾波器有載品質(zhì)因素Q為41.1.其拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)如圖1.其中,第2個(gè)腔體為介質(zhì)諧振腔,同時(shí)整個(gè)濾波器的第1和第3腔,第5和第7以及第7和第9是感性交叉耦合,第4和第7是容性交叉耦合.各腔體耦合系數(shù):K12=0.802 74,K23=0.574 17,K13=-0.141 82,K34=0.548 78,K45=0.513 11,K47=0.171 14,K56=0.193 21,K57=0.440 8,K67=0.273 98,K78=0.554 49,K79=0.222 4,K89=0.784 25.

圖1 拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)

Figure 1 Topological structure

根據(jù)該軟件得出濾波器的曲線(xiàn)圖如圖2.其中紅線(xiàn)代表S11,藍(lán)線(xiàn)代表S21,從圖中我們可以看出,濾波器的通帶為1 830～1 875 MHz,回波損耗達(dá)到了-20 dB,3 dB差損達(dá)到了1.3 dB,同時(shí)濾波器的帶外抑制為110 dB@1 780 MHz,65 dB@

1 880～1 920 MHz,90 dB@1 920 MHz,都達(dá)到了指標(biāo)要求.因此可將耦合系數(shù)用于下面的電路設(shè)計(jì)中.

圖2 由couplefile得出的曲線(xiàn)圖

Figure 2 Graph of couplefile

1.2 電路設(shè)計(jì)分析

我們可以使用電路仿真軟件Genesys對(duì)濾波器的電路模型進(jìn)行仿真設(shè)計(jì).電路圖如圖3.并將上面所得到的耦合系數(shù)帶入模型進(jìn)行優(yōu)化仿真,得到優(yōu)化后的曲線(xiàn)如圖4所示.通過(guò)對(duì)比圖2和圖4的數(shù)據(jù)可以得出其結(jié)果基本上是一致的.并且濾波器的回波損耗達(dá)到了26 dB左右,更優(yōu)于初始的設(shè)計(jì),帶外抑制也都達(dá)到了設(shè)定的指標(biāo).

圖3 濾波器電路模型

Figure 3 Circuit model of filter

圖4 濾波器電路模型的S曲線(xiàn)圖

Figure 4 S parameters of circuit model of filter

1.3 濾波器尺寸確定

圖5 濾波器整體模型

Figure 5 Model of the filter

采用HFSS軟件對(duì)濾波器的三維模型進(jìn)行仿真.為了使腔體品質(zhì)因素達(dá)到最高,腔體的特性阻抗為76 Ω.首先利用軟件AppCAD來(lái)確定腔體的初始尺寸,接著采用經(jīng)典的單腔雙腔的方法來(lái)確定最終腔體的尺寸,并求得濾波器的本征模.本征模的求解公式為其中fm和fc為兩個(gè)單腔的諧振頻率.本次設(shè)計(jì)采用的是方腔形狀.腔體的尺寸為48×48×25.5.內(nèi)導(dǎo)體高度為22.7?mm,上端直徑為17?mm,下端直徑為15?mm,內(nèi)芯直徑為14?mm,諧振桿直徑為5?mm,介質(zhì)諧振腔介質(zhì)外直徑29?mm,內(nèi)直徑為23?mm,高度為17.5?mm.其中介質(zhì)諧振器選用的是相對(duì)介質(zhì)為38.8,無(wú)載Q值為15 000的微波陶瓷材料.建立濾波器整體模型如圖5，通過(guò)本征模式求解得出濾波器有載Q值為65.并對(duì)整體模型進(jìn)行優(yōu)化仿真,得到的曲線(xiàn)圖如圖6.從圖6可以看出,濾波器的通帶在1 830～1 875?MHz,且回波損耗達(dá)到了-22?dB以上.同時(shí)插入損耗達(dá)到了1.5?dB.根據(jù)經(jīng)驗(yàn)所得,如果適當(dāng)?shù)胤艑挒V波器的通帶帶寬可以得到更優(yōu)的插入損耗.該濾波器的帶外抑制達(dá)到了130?dB@ 1 780?MHz,>50dB@1 880～1 920MHz,130dB@1 920MHz,都充分滿(mǎn)足了指標(biāo)的要求.綜上所述,該濾波器達(dá)到了設(shè)計(jì)的要求.

圖6 濾波器優(yōu)化曲線(xiàn)圖

Figure 6 Optimization result of filter

2 結(jié) 語(yǔ)

對(duì)于同指標(biāo)的傳統(tǒng)金屬濾波器來(lái)說(shuō),其有載Q值為41.16(中心頻率除以帶寬),而本文所設(shè)計(jì)的Q值達(dá)到了65.由于Q值的提高使得了濾波器的選擇性更好,同時(shí),由于增加了傳輸零點(diǎn),讓本文濾波器的帶外抑制得到了有效的提高,根據(jù)上面仿真所得(130dB@1 780MHz,>50dB@1 880～1 920MHz,130dB@1 920MHz),相比于沒(méi)有加入傳輸零點(diǎn)時(shí),在相同的頻段都要提高了20dB左右.且由于加入了介質(zhì)諧振腔.該濾波器的插入損耗也只有1.5dB,而傳統(tǒng)濾波器一般有2～3dB.但該濾波器在后期調(diào)試的時(shí)候會(huì)比金屬濾波器需要更多的時(shí)間,這也是該濾波器的所存在的缺點(diǎn).總的來(lái)說(shuō),濾波器有著體積小、結(jié)構(gòu)穩(wěn)定等其他的優(yōu)點(diǎn),因此該類(lèi)型濾波器有著十分好的發(fā)展前景.

審核編輯：劉清