同轴腔带通滤波器设计

同轴腔带通滤波器设计

叶 晔

摘 要：带通滤波器的应用前景非常的广阔。本课题详细的分析了同轴腔体带通滤波器，腔体之间的耦合系数通过利用响应函数求导，讨论了同轴谐振腔所具有的电磁特性，主要包括谐振频率、具有耦合结构的谐振腔和外部Q 等。应用分析软件即三维全波分析软件，分析了耦合系数、耦合窗与腔体结构参数之间的关系。以这种结合的方法即路和场的仿真、优化相结合,从而分析出了滤波器的耦合和输入输出结构参数。

关键词：滤波器；带通；同轴

Abstract:In this paper, we analyze the coaxial cavity band-pass filter. And we can get the result between different cavity by using the derivative of response function. In addition, we also research the electromagnetic properties of the coaxial resonator which inchudes resonant frequency, coaxial cavity with the coupling structure and extemal Q paremeter. We can use computer software to analyze the coupling result, coupling window and the relationship of the cavity parameters. And we also can simulate and optimize the electromagnetic properties to get the proper result of the filter.

Key Words : filter; band-pass; coaxial

1. 引言

由电磁振荡而产生的不同频率的电磁信号始终在我们的周围存在着，而只有特定的装置阻止那些无用的频段选取某些频率，来满足我们对于某些特定频率的需求，滤波器就是能够满足我们这种需求的一种装置。现在微波通信系统和我们现代的生活有着越来越紧密的联系，从民用到军用，应用的较为广泛。作为一个特定的具有选频功能的电磁网络，微波滤波器作为微波系统中的一个重要部分，因此在电子科学技术发展中有着举足轻重的地位[1]。

在现代通信系统中，微波滤波器已经成为发射端和接收端不可缺少的一种器件了，它可以对不同频率的微波信号进行分离，尽可能的让需要的信号无衰减的通过，尽可能大的抑制无用的信号。在对微波滤波器的性能指标上，用户的要求也是越来越高，比如高阻带抑制、低带内插损、大功率等各项指标。而且，因为不断出现的新的材料，新的工艺，以及半导体技术的不断更新与发展，各种新的RF [2]模块不断出现，使得技术开发人员不断缩短对毫米波RF 有源电路和微波的研究周期，而且体积不断小，电路的集成度也越来越高。因此，目前毫米波、微波通信领域中，设计出集成度高、体积小、功率大、性能高的无源器件是工程师不断研究和探索微波滤波器的方向与目标，而同轴腔带通滤波器的出现满足了毫米波、微波通信领域通信技术快速发展的需求，其具有高的品质因素、插入损耗比较低、具有高的稳定性能。因此，带通滤波器的应用前景非常的广阔。本课题通过详细分析同轴腔体带通滤波器，以及利用响应函数求到腔体之间的耦合系数，讨论分析了同轴谐振腔所具有的电磁特性，最后分析出了滤波器的耦合和输入输出结构参数。

2. 微波滤波器参数

1）带宽：通带的3dB 带宽；

2）中心频率：c f 或0f ；

3）截止频率：下降沿3dB 点频率；

4）插入损耗：当滤波器与设计要求的负载连接，通带中心衰减；

5）带内波纹绝对衰减：阻带中最大衰减（dB ）；

6）品质因数Q ：中心频率与3dB 带宽之比；

7）反射损耗。

3. 同轴腔带通滤波器的设计

3.1 滤波器的设计步骤

1）确定滤波器的类型以及实现方式

首先根据技术指标的要求，来确定滤波器的类型以及其实现的方式，其中包括带通、高通、低通或是带阻的确定，需要使用哪种逼近函数模型，以及实现的形式（在这里实现的形式可以选择用同轴线、波导或是用微带线等来实现）。

2）确定滤波器的阶数

确定滤波器的阶数，需要依据逼近函数模型以及技术指标要求。阶数主要取决于所选择的衰减逼近函数以及模型带外抑制、带内插损，即元件数n 是由衰减特性曲线所决定的，可以通过查表或者通过一些公式计算得到。

3）通过查表得到低通滤波器原型的各元件值

低通滤波器原型可以通过函数转换得到带通、高通、带阻滤波器的各元件值。

4）使用电路仿真软件进行仿真

优化电路中各元件的值可以使用电路仿真软件进行仿真。

5）使用场仿真软件仿真

一般会使用场仿真软件来确定课题的最终设计，因为场仿真与实际相差比较小。

3.2 滤波器的设计方法

1 、镜像参数法

镜像参数法是人们一向用来设计滤波器的经典办法，其是以滤波网络的内在特性为根据，这种经典方法的特别之处是，变换器损耗的特性可以根据滤波网络的具体电路，用分析的方法推算出来，然后再将这些滤波网络的具体电路拼凑起来，使得所需要的技术要求能用总的LA 特性来满足。而用经典的方法所设计出来的滤波器一般是m 式滤波器、K 式滤波器等，经典方法

的最大优点是理论根据比较简单，而它的最大缺点是在具体的设计要求提出后，还需要进行反复的试探，才能够得到设计的结果，这是一位在分析过程中没有考虑到外接负载的影响。

2 、综合法

综合法与镜像参数法是相反的，综合法可以根据所提出的技术要求，决定频率ω的函数与插入损耗Li (在R2与R1相等时，即变换器损耗LA )的关系，然后根据这种关系应用网络理论综合出具体的电路结构，而镜象参数法是应用已知的特性电路拼凑出满足要求的结构。综合法的缺点是需要用比较难深的网络理论；其优点是设计准确，不需要经过多次试探的程序。但是，综合法缺点是可以弥补的，从实用角度来说，综合法比镜象参数法还要简单的多，在这里综合法缺点的弥补是，只要把满足各种指标要求的母型滤波器设计出来以后，后面的设计程序就只有简单的应用浅近数学方法换算数据和查表读图了[3]。

3.3 设计指标

带外抑制：1700-1755MHz>30dB

1805-1830MHz≥20dB

1830MHz≥30dB

插入损耗：≤1.8dB

回波损耗：≥15dB

输入功率：50W

通带频率：1785-1800MHz(fL--fU)

工作温度范围：-35~+75℃

接口类：SMA(F ）(特性阻抗50Ω)

3.4 参数计算

低通原型的带外抑制可以通过低通原型与带通滤波器的转换得到，滤波器的级数n 可以从低通原型的带外抑制要求得到n=5，由带内波动与阶数n 算出元件的归一化值如下表1 所示：

表1 元件归一化值

耦合系数及QL 值可以根据相对带宽与归一化值求出，即：

0051.03423==K K

0067.04512==K K 04.134=L Q

3.5 仿真与测试

3.5.1 仿真

1.单腔

1）建立本征模求解模型如图1所示：

图1 单腔模型图

建立模型的各尺寸如表2所示：

表2 单腔模型尺寸（单位：mm ）

2）仿真