小型化梳狀腔體濾波器的設計與實現

摘 要：微波濾波器作為最重要的無源器件之一，在無線基站通信、衛星通信、雷達探測等系統中都有著不可替代的地位。濾波器的重要性使得其性能的優劣程度往往會影響到整個系統的質量。因此，隨著各種微波系統對性能要求的日益提高，對濾波器也提出了越來越嚴苛的要求。本文從實際工程應用需求出發，以微波濾波器的基本理論為基礎，研制了一種高性能、小型化梳狀濾波器。

關鍵詞：梳狀濾波器；三維仿真；小型化

中圖分類號：TN713 文獻標識碼：A 文章編號：1004-7344（2018）17-0259-01

1 腔體濾波器的概述

1.1 腔體濾波器的仿真和設計理論

濾波器是無線電技術中許多設計問題的中心，幾乎所有的微波接收機、發射機和微波實驗裝備都要求具有濾波的功能。工程上常用采用網絡綜合法，即以滿足一定濾波器指標的衰減和相位特性的要求為基礎，利用綜合理論，求出集總元件低通原型電路的結構及各元件的參數，再經過適當的頻率變化，轉換到所需要的低通、高通、帶通、帶阻四種微波濾波器，最后將集總參數元件用具體的分布參數的物理結構來實現。相比于傳統的分布參數法和影象參數法的設計方法，網絡綜合法具有計算相對簡單，準確度良好，能導出最佳設計的優勢。

腔體濾波器是由通過一定耦合方式將各個諧振器連接起來所組成的微波元器件，濾波器設計的一個重要環節就是諧振器和耦合結構選取和分析，特別對于腔體帶通濾波器設計，對諧振器和耦合結構的分析是非常必要的一個環節，分析諧振器和耦合結構有助于確定諧振器和耦合結構大概尺寸，同時有助于分析諧振頻率、Q值、高次模的影響和耦合系數。

微波諧振器具有儲能和選頻作用，是構成許多微波元器件如濾波器、振蕩器等必不可少的部分。實際中諧振器將與其它電路耦合，進行一定的能量交換才能完成能量傳輸過程，實現選頻和濾波的功能。微波諧振器主要的特性參數有諧振頻率和品質因數。根據傳輸線的電容加載縮短理論可將諧振器長度減少，實現濾波器的小型化。

1.2 腔體濾波器的設計方法

由梳狀線濾波器的等效電路和設計公式可以初步確定各線元的尺寸和距離，但是設計繁瑣，精度不高。在實際工程設計中，為了提高濾波器設計周期和指標精度，通常在已有的微波濾波器設計理論基礎之上，采用電磁仿真軟件HFSS進行輔助設計。在借助HFSS設計濾波器之前，首先要根據濾波器指標要求（如中心頻率、帶寬和插入損耗等）確定出滿足一定諧振頻率和無載Q值的單腔諧振器的HFSS模型，然后分析諧振腔之間的耦合結構，對其尺寸初值進行選取。

2 腔體濾波器的仿真設計

2.1 腔體濾波器的主要指標

腔體濾波器的主要指標如下：

中心頻率f0=5061MHz，帶寬BW≥400MHz，駐波比小于1.5（回波損耗>13.98dB），帶內插入損耗≤1dB，帶外抑制LS≥45dB@1～2GHz，LS≥25dB@7～8GHz，外形尺寸：≤28mm×15mm×13mm。

2.2 ADS低頻模型的分析

查切比雪夫濾波器的元件數值表，可得波紋系數為0.01的三階切比雪夫響應的g值為：g0=1，g1=0.6291，g3=0.6291，g4=1，以此建立ADS低頻等效電路模型，用并聯諧振電路代表每個諧振腔，不同諧振器中集總參數電容C0和電感值L0一樣，腔體之間的耦合用的1/4波長傳輸線做導納變換器，1/4波長傳輸線本身是K變換器，其K值與其特性阻抗相等，所以將其特性阻抗設為耦合系數的倒數，以實現J變換器的功能。

設計中主要計算的參數為耦合系數，其中輸入輸出和各腔之間的耦合系數分別為：

kn，n+1=GAFBW/gngn+1；kj，j+1=FBW/■（1）

根據公式（1）可以算出濾波器的耦合系數如下：k01=k34=0.35445，k12=k23=0.10117。

2.3 單諧振腔模型的仿真計算

首先在HFSS中建立一個單腔的模型，參數選擇為：腔體長度L=6.5，腔體寬度W=5，墻體高度H=6.5，金屬柱長度l=1.7，金屬柱寬度w=1.7，金屬柱高度h=5～6，金屬板長度l1=4，金屬板寬度w1=4，金屬板高度h1=0.3（單位為mm）。

上述單腔模型沒有端口，無激勵源，采用本征模求解，只求解頻率。將腔體設置為空氣，邊界條件設置為pefect E，并將諧振桿設置為良導體。

仿真后得到金屬柱高度為5.8mm。此時的諧振頻率為5232MHz，Q值為1547。由于腔體濾波器是由多個諧振腔耦合組成的，中心頻率會比單個諧振腔有所下降，所以單諧振腔的中心頻率要比實際的中心頻率稍大。

2.4 耦合系數的腔體結構實現

在單諧振腔模型的基礎上建立雙諧振腔模型，并在耦合窗中建立一個調節耦合大小的調耦螺釘，并通過仿真獲得濾波器耦合窗口的尺寸。

對此模型求解得：當調耦螺釘長度l=6.4mm時，耦合系數為0.10117。

由于3階濾波器為對稱結構，腔體間的耦合系數相同，所以諧振腔之間的耦合結構尺寸就能確定了。

2.5 腔體濾波器模型的仿真計算

根據直接耦合的方式，建立腔體濾波器的最終模型。

仿真后得出濾波器的1dB帶寬為510MHz，插損約為0.3dB，回波損耗大于18.0329dB，在1GHz處的抑制為59.4636dB，在7GHz處得抑制為50.1739dB，以上指標均滿足要求。

3 腔體濾波器的實物測試

根據腔體濾波器的三維模型，對其進行實物加工如圖1所示。

測試腔體濾波器的S21、S11和駐波比，可以得到以下結果：

（1）插入損耗為0.56dB，1dB帶寬為715MHz，1GHz處的抑制約為56.72dB，7GHz處的抑制約為48.63dB；

（2）4861MHz處回波損耗約為28.91dB，5261MHz處回波損耗約為31.22dB；

（3）中心頻率5061MHz處的駐波比為1.019，在4751～5354MHz的范圍內駐波比均小于1.3。

4 結 論

本文在對腔體濾波器的設計中，采用的是仿真軟件ADS和HFSS相結合的方法，分析數據主要依靠大量的電磁仿真。最終，加工的腔體濾波器實物滿足了指標要求。

收稿日期：2018-5-12