八腔帶通腔體濾波器的設(shè)計

陳建囡，李 卉，馬雯瑩，吳 梅

(中國船舶重工集團公司第七二四研究所，南京 211153)

0 引 言

濾波器在系統(tǒng)中具有篩選信號的功能，對于系統(tǒng)所需要的有用信號則讓其盡可能通過，對于系統(tǒng)不需要的帶外頻率信號則進行最大限度的抑制。正因為這樣特殊的功能使濾波器在電子系統(tǒng)中占有極其重要的地位，在軍用、民用雷達(dá)及通信領(lǐng)域都有大量的應(yīng)用?，F(xiàn)代電子設(shè)備與系統(tǒng)研發(fā)的小型化和快速化對如何在較短周期內(nèi)研制出高性能、低成本及小尺寸的濾波器提出了苛刻的要求。為了適應(yīng)這一技術(shù)趨勢，各種濾波器應(yīng)運而生，其中腔體濾波器具有Q值高、插損小、功率容量大等優(yōu)點，并可通過手動調(diào)諧、調(diào)耦來消除機械加工偏差。與波導(dǎo)濾波器相比，腔體濾波器的設(shè)計方法更為靈活，尺寸更小，能容納更大的加工誤差。本文通過計算機仿真軟件Super Filter和HFSS的三維設(shè)計可以迅速地設(shè)計出一款符合系統(tǒng)技術(shù)指標(biāo)的濾波器，為電子設(shè)備高性能、高性價比頻率選擇濾波需求提供解決方案。

1 理論研究

1.1 廣義切比雪夫理論

設(shè)CN(W)是N階的廣義切比雪夫濾波器的特征函數(shù)，具有如下形式：

(1)

式中

(2)

(3)

(4)

式中，ω是歸一化實頻率變量，是帶通濾波器通帶內(nèi)紋波系數(shù)；RL為帶通濾波器通帶內(nèi)回波損耗。由無源網(wǎng)絡(luò)能量守恒定律：

(5)

得到

(6)

式中

CN(ω)=FN(ω)/PN(ω)

(7)

S21的傳輸零點就是CN(ω)的奇點，故S21的分子PN(ω)是已知的，通過濾波函數(shù)CN(ω)即可以推導(dǎo)出散射參數(shù)S11和S21的有理多項式，利用Cameron多項式遞歸技術(shù)推導(dǎo)廣義切比雪夫多項式。

根據(jù)反射函數(shù)和傳輸函數(shù)，運用網(wǎng)絡(luò)綜合的理論得到輸入輸出耦合系數(shù)R=[R1,R2]和耦合矩陣M=[M0,i,j=1…n]。通過非相鄰諧振器之間的交叉耦合，濾波器能產(chǎn)生傳輸零點，再將耦合矩陣消元，即可得到電路拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。

2 腔體濾波器的仿真設(shè)計

2.1 計算機輔助設(shè)計

本文所設(shè)計的腔體帶通濾波器的技術(shù)指標(biāo)要求為：中心頻率f0=5 725 MHz,1 dB帶寬≥260 MHz，帶內(nèi)波動≤0.6 dB，帶內(nèi)插損≤1.5 dB，駐波比≤1.3，帶外抑制≥30 dBc@F0±200 MHz，≥50 dBc@F0±500 MHz。

利用計算機仿真軟件Super Filter設(shè)計腔體濾波器時，只需要在參數(shù)設(shè)置項中輸入濾波器的中心頻率、帶寬、腔體數(shù)、回波損耗等指標(biāo)，相關(guān)結(jié)果便在相應(yīng)模塊窗口中顯示出來。調(diào)整濾波器的諧振腔個數(shù)，結(jié)合幅頻特性窗口中的相關(guān)指標(biāo)情況，便能確定出合適的腔體濾波器腔數(shù)值。[1]如果腔數(shù)設(shè)置太少，則帶外抑制指標(biāo)無法滿足要求；如果腔數(shù)設(shè)置較多，則插入損耗指標(biāo)不能滿足要求。由電性能指標(biāo)要求可得出，該款濾波器需要八腔，Q值需要達(dá)到1 500以上，該款濾波器的帶外抑制和插損才能滿足要求，得到如圖1所示的濾波器S參數(shù)曲線。

從圖中可以看出，濾波器回波損耗指標(biāo)和帶寬指標(biāo)都有一定余量，設(shè)計結(jié)果能完全滿足項目指標(biāo)要求。

由Super Filter軟件中濾波器參數(shù)模塊，得到如表1所示的濾波器m系數(shù)。輸入接頭與第1諧振腔之間的耦合系數(shù)同第八諧振腔與輸出接頭之間的耦合系數(shù)相等，其值均為1.049； 第1諧振腔與第2諧振腔之間的耦合系數(shù)同第8諧振腔與第7諧振腔之間的耦合系數(shù)相等，其值均為0.873；第2諧振腔與第3諧振腔之間的耦合系數(shù)同第7諧振腔與第6諧振腔之間的耦合系數(shù)相等為0.608。第3諧振腔與第4諧振腔之間的耦合系數(shù)同第6諧振腔與第5諧振腔之間的耦合系數(shù)相等為 0.564。第4諧振腔與第5諧振腔之間的耦合系數(shù)為0.554。依據(jù)這些參數(shù)為目標(biāo)進行三維仿真，便能得到所設(shè)計濾波器的結(jié)構(gòu)尺寸。

圖1 計算機輔助設(shè)計結(jié)果

表1 濾波器的m系數(shù)

根據(jù)技術(shù)指標(biāo)外形尺寸要求、諧振腔腔數(shù)以及輸入輸出接頭自身的尺寸，利用HFSS優(yōu)化諧振器尺寸仿真單腔結(jié)果如圖2所示。

圖2 單腔仿真結(jié)果

單腔仿真后可看出頻率為5.665 GHz，Q值為1 685，結(jié)果滿足要求(頻率很接近5 725 GHz，可調(diào)試到5 725，Q值大于1 500)。

耦合系數(shù)的m系數(shù)向K系數(shù)的轉(zhuǎn)換關(guān)系為

Kn(n-1)=bw×mn(n-1)

表2 濾波器的K系數(shù)

圖3 兩單腔仿真結(jié)果

由表2耦合系數(shù)值和圖3兩單腔仿真曲線圖可得到兩單腔的窗口尺寸，分別為5.7、4.9、4.8、4.8、4.8、4.9、5.7 mm。

根據(jù)已經(jīng)確定了濾波器諧振腔和耦合結(jié)構(gòu)的初始尺寸，將8個相同的諧振腔用耦合結(jié)構(gòu)連接起來加工出的八腔帶通濾波器如圖4所示。用矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀測試該腔體濾波器，測試濾波器S參數(shù)曲線如圖5所示。

圖4 實物圖

圖5 腔體濾波器測試結(jié)果

測試結(jié)果表明腔體濾波器的1 dB帶寬約為260 MHz，通帶插損小于1.5 dB，所得到的曲線指標(biāo)與仿真結(jié)果基本吻合，而且全部滿足技術(shù)指標(biāo)要求。

3 結(jié)束語

本文利用Super Filter計算機輔助設(shè)計軟件和Ansoft HFSS 三維仿真軟件設(shè)計了一款中心頻率為5 725 MHz，帶寬為260 MHz 的腔體濾波器，并對濾波器實物進行了指標(biāo)測試，測試結(jié)果與仿真設(shè)計基本一致，充分證明了本腔體濾波器設(shè)計方法的工程可用性。