小型化電容加載腔體濾波器設計

梁駿

（電子科技大學 物理電子學院，四川 成都 610054）

濾波器作為一類重要的微波無源器件廣泛應用在現代通信系統、雷達系統和電子對抗系統中。其性能往往對整個系統造成重大影響。隨著現代通信技術的不斷發展，頻譜資源的日益枯竭而導致各微波通信系統頻率分布間隔不斷密集。由于這些原因使得對濾波器性能要求越來越高。同時由于星載、機載微波系統對對濾波器的功率容量、插損、帶外抑制、重量、體積有特殊要求，使得濾波器要在提高性能的同時小型化方向發展。

1 電容加載傳輸線縮短理論

圖1（a）中給出了一個特性阻抗為Z，長度為L的傳輸線，其[A]矩陣如下：

圖1 傳輸線與加載電容的傳輸線Fig.1 Transmission line and the transmission line of the loading capacity

圖1（b）中為電容加載的傳輸線模型。兩段傳輸線的特性阻抗都為Z0，長度為l0。兩段傳輸線中間并聯電容的電抗為jB。該網絡的[A]矩陣用[B]表示，其表達式如下：

對兩電路進行等效，當 β=β0，[A]=[B]時，由式（1），（2）可得：

若濾波器采用空腔諧振器作為基本諧振單元，利用λg/2作為諧振腔長度，由上述理論分析可知，將并聯電容加載在半波長空腔諧振器中，可以在諧振頻率不變的情況下減小腔體諧振器尺寸。可通過以下兩種方法實現諧振腔的電容加載。1）在諧振腔中加入一段金屬凸臺，其結構示意圖如圖2（a）所示。 金屬凸臺的長度、寬度和高度分別為Ls1、Ws1、Hs1，其等效電路如圖1右部所示，金屬凸臺等效為電路中的并聯電容；2）在諧振腔中加入一段T型金屬結構，其結構示意圖如圖2（b）所示。T型結構下端金屬長方體的長度、寬度、高度分別為Ls2、Ws2、Hs2，T型結構 上端金屬長方體的長度、 寬度、高度分別為 Ls3、Ws3、Hs3，其等效電路如圖 1右部所示，T型金屬結構等效為電路中的并聯電容。

圖2 腔體諧振器Fig.2 Cavity resonator

作為例子，表1中給出了利用HFSS電磁仿真軟件計算得到諧振頻率為2.4 GHz的3種腔體諧振器的結構尺寸。

表1 諧振頻率為2.4 GHz時3種腔體諧振器的尺寸參數Tab.1 Size parameters of the three cavity resonators，frequency of 2.4 GHz

由表1可以看出，當空腔諧振器內加入金屬凸臺或T型金屬結構時，在相同的諧振頻率，腔體尺寸能夠大大減小。加入T型金屬結構的腔體諧振器尺寸與其他兩種諧振器相比，尺寸最小。所以利用這種結構作為設計腔體濾波器的基本結構，能夠有效減小濾波器體積，從而有利于其小型化應用。

2 電容加載腔體濾波器設計

文中設計的電容加載腔體帶通濾波器的參數指標為：中心頻率為2.4 GHz，相對帶寬為10%，帶外抑制為-40 dBc@2 BW，通帶內波紋≤0.5 dB，插入損耗≤1 dB。根據給出的參數指標進行綜合，可知濾波器采用切比雪夫型，計算得到該濾波器的階數n=4，低通原型值為：

g0=1，g1=1.108 8，g2=1.306 1，g3=1.770 3，g4=1.818 0，g5=1.354 4。 按照以上結構，利用HFSS電磁仿真軟件模擬得到了一個電容加載腔體帶通濾波器。其結構示意圖如圖3所示，仿真曲線如圖4所示。

圖3 電容加載腔體帶通濾波器結構示意圖Fig.3 Structure diagram of the capacity-loaded cavity band-pass filter

文中另外給出了一個常規腔體濾波器的仿真結果，仿真曲線如圖5所示。

圖4 電容加載腔體帶通濾波器仿真曲線Fig.4 Simulation curve of the capacity-loaded cavity band-pass filter

圖5 普通腔體帶通濾波器仿真曲線Fig.5 Simulation curve of a traditional cavity filter

由圖3可以看出，電容加載腔體濾波器由4個加載了T型金屬結構的腔體與腔體之間的耦合結構構成，濾波器總長度為121.8 mm，長度和高度為34.8 mm和21 mm，而常規腔體濾波器的尺寸為：86.4 mm×43.2 mm×351.8 mm。可以看出電容加載腔體濾波器的體積大大減小。電容加載腔體濾波器中腔體間的耦合利用耦合桿實現。耦合桿的寬度與T型金屬結構下端的長方體寬度相同，高度由腔體間的耦合量決定。電容加載濾波器的輸入輸出結構采用抽頭結構，接頭采用可拆卸的SMA接頭。抽頭探針與腔內T型結構下端的長方體金屬塊直接焊接。由圖4仿真曲線可以看出，電容加載腔體濾波器通帶內S11≤-20 dB，遠端寄生通帶在3倍中心頻率上出現，而常規腔體濾波器的寄生通帶出現在2倍中心頻率處，所以采用本結構的濾波器帶外抑制性能優于常規腔體濾波器。

3 電容加載腔體濾波器樣品及測試

由仿真優化結果，文中加工制作出一套濾波器樣品。其外觀照片和內部結構照片如圖6、圖7所示。為了修正該濾波器的加工誤差，需在濾波器的中心線上安裝一排調諧螺釘。圖8為該濾波器的實際測試曲線。由圖8可以看出，實際加工出來的濾波器中心頻率為：2.4 GHz，帶寬為：240 MHz，通帶內插損小于0.8 dB，駐波比小于1.25（反射系數小于-20 dB），帶外抑制在1.9 GHz和2.8 GHz處都達到了40 dB。該濾波器的寄生通帶出現在7.3 GHz以外。

圖6 電容加載腔體帶通濾波器樣品照片Fig.6 Sample’s photo of the capacity-loaded cavity band-pass filter

圖7 電容加載腔體帶通濾波器內部結構照片Fig.7 Internal structure’s photo of the capacity-loaded cavity band-pass filter

圖8 電容加載腔體帶通濾波器測試曲線Fig.8 Test curve of the capacity-loaded cavity band-pass filter

4 結束語

文中介紹了一種電容加載腔體帶通濾波器的設計與測試結果。首先根據傳輸線理論證明了采用電容加載的方式可以是傳輸線長度縮短。利用HFSS電磁仿真軟件，仿真優化得到了一個電容加載的小型化腔體帶通濾波器。通過對實際加工制作出的濾波器進行調節測試，其測試結果證明了該濾波器具有體積小，小插損，高帶外抑制，寄生通帶遠等優點。

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