設計了一種新型的濾波器,就是在傳統的腔體濾波器中加入介質諧振腔,即金屬腔體和介質腔體混合的一種結構.這種混合結構有著介質腔體的高介電常數,很小的頻率溫度系數以及極高的Q值的優點,同時也有著金屬腔體易調試、結構穩定、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.通過仿真軟件Genesys對濾波器電路模型進行設計,用HFSS對濾波器的單腔以及雙腔進行仿真,從而確定了濾波器的尺寸.最后兩種仿真結果基本一致,證明該設計的可行性.

濾波器是一種對信號起分離作用的器件,在特定的通帶里面對信號進行篩選,使有用的信號盡可能無衰減通過,同時最大程度地抑制通帶外的信號.隨著現在無線通信的發展,頻率資源越來越匱乏,如何設計出低插損、高功率、高隔離的濾波器是目前所面臨的新問題.同軸腔體濾波器具有體積小、結構牢固、易調諧、帶外抑制高等優點,設計起來方便靈活,具有非常廣泛的實用性.

介質諧振器早在1939年被美國學者R. D. Richtmyer提出,并在20世紀六七十年代得到快速發展.我們知道,諧振器的尺寸和電介質材料的介電常數的平方根成反比,因此介電常數越高的材料,由它構成的諧振器的體積會很小,同時它具有很小的頻率溫度系數,從而可以實現器件的高穩定性和高可靠性.最重要的一點就是介質諧振器具有非常高的品質因素Q,濾波器的一個非常重要的指標就是插入損耗要低,而Q值越高,插損就越低，同時介質材料的成本也很低.但由于介質濾波器后期產品的調試難度較大,耗時較長,因此它的實用性還不是特別的廣泛.

因此,本文在傳統的同軸腔體濾波器的基礎上,加入了介質諧振器,設計出一款金屬諧振腔能夠與介質諧振腔混合的濾波器.這樣設計的目的是為了充分地利用了介質諧振器的優點,提高整個濾波器的品質因素和功率容量,但又不會增加整個濾波器的調試難度.同時設計了較多的傳輸零點,使得濾波器有著更高的帶外抑制.本次設計是通過Genesys進行電路仿真設計,同時通過HFSS對濾波器的單腔以及雙腔進行仿真,從而確定濾波器的尺寸.最后對比電路仿真與三維仿真,所得結果基本一致.

1 濾波器設計分析

本文設計了一款帶通濾波器,其技術指標如表1.本設計采用的是波紋0.9 dB的廣義切比雪夫公式來設計的.為了達到指標中的帶外抑制的要求,加入了3個感性交叉耦合和一個容性交叉耦合.

表1 濾波器設計指標

Table 1 Design indexes of filter

1.1 拓撲結構和耦合矩陣的建立

由基爾霍夫定理,我們可以寫出各個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,這等于增加了優化的輸入變量,于是得到整個交叉耦合電路的S參數:

(6)

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

(7)

這樣通過式(6)和式(7)建立了廣義切比雪夫函數和交叉耦合等效電路之間的聯系.通過上面的多項式分析,同時我們借助軟件couplefile來對濾波器的耦合矩陣進行綜合設計以滿足濾波器的指標要求.得到的耦合矩陣如表2.其中S代表源,L代表負載,1到9代表著第幾個腔體,其他數字代表每個腔體間的耦合系數.

表2 耦合矩陣

Table 2 coupled matrix

同時我們可以得出濾波器的節數為9節,濾波器有載品質因素Q為41.1.其拓撲結構如圖1.其中,第2個腔體為介質諧振腔,同時整個濾波器的第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: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 拓撲結構

Figure 1 Topological structure

根據該軟件得出濾波器的曲線圖如圖2.其中紅線代表S11,藍線代表S21,從圖中我們可以看出,濾波器的通帶為1 830～1 875 MHz,回波損耗達到了-20 dB,3 dB差損達到了1.3 dB,同時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,都達到了指標要求.因此可將耦合系數用于下面的電路設計中.

圖2 由couplefile得出的曲線圖

Figure 2 Graph of couplefile

1.2 電路設計分析

我們可以使用電路仿真軟件Genesys對濾波器的電路模型進行仿真設計.電路圖如圖3.并將上面所得到的耦合系數帶入模型進行優化仿真,得到優化后的曲線如圖4所示.通過對比圖2和圖4的數據可以得出其結果基本上是一致的.并且濾波器的回波損耗達到了26 dB左右,更優于初始的設計,帶外抑制也都達到了設定的指標.

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軟件對濾波器的三維模型進行仿真.為了使腔體品質因素達到最高,腔體的特性阻抗為76 Ω.首先利用軟件AppCAD來確定腔體的初始尺寸,接著采用經典的單腔雙腔的方法來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為兩個單腔的諧振頻率.本次設計采用的是方腔形狀.腔體的尺寸為48×48×25.5.內導體高度為22.7?mm,上端直徑為17?mm,下端直徑為15?mm,內芯直徑為14?mm,諧振桿直徑為5?mm,介質諧振腔介質外直徑29?mm,內直徑為23?mm,高度為17.5?mm.其中介質諧振器選用的是相對介質為38.8,無載Q值為15 000的微波陶瓷材料.建立濾波器整體模型如圖5，通過本征模式求解得出濾波器有載Q值為65.并對整體模型進行優化仿真,得到的曲線圖如圖6.從圖6可以看出,濾波器的通帶在1 830～1 875?MHz,且回波損耗達到了-22?dB以上.同時插入損耗達到了1.5?dB.根據經驗所得,如果適當地放寬濾波器的通帶帶寬可以得到更優的插入損耗.該濾波器的帶外抑制達到了130?dB@ 1 780?MHz,>50dB@1 880～1 920MHz,130dB@1 920MHz,都充分滿足了指標的要求.綜上所述,該濾波器達到了設計的要求.

圖6 濾波器優化曲線圖

Figure 6 Optimization result of filter

2 結 語

對于同指標的傳統金屬濾波器來說,其有載Q值為41.16(中心頻率除以帶寬),而本文所設計的Q值達到了65.由于Q值的提高使得了濾波器的選擇性更好,同時,由于增加了傳輸零點,讓本文濾波器的帶外抑制得到了有效的提高,根據上面仿真所得(130dB@1 780MHz,>50dB@1 880～1 920MHz,130dB@1 920MHz),相比于沒有加入傳輸零點時,在相同的頻段都要提高了20dB左右.且由于加入了介質諧振腔.該濾波器的插入損耗也只有1.5dB,而傳統濾波器一般有2～3dB.但該濾波器在后期調試的時候會比金屬濾波器需要更多的時間,這也是該濾波器的所存在的缺點.總的來說,濾波器有著體積小、結構穩定等其他的優點,因此該類型濾波器有著十分好的發展前景.

審核編輯：劉清