八腔帶通腔體濾波器的設計

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

濾波器在系統中具有篩選信號的功能，對于系統所需要的有用信號則讓其盡可能通過，對于系統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中占有極其重要的地位，在軍用、民用雷達及通信領域都有大量的應用。現代電子設備與系統研發的小型化和快速化對如何在較短周期內研制出高性能、低成本及小尺寸的濾波器提出了苛刻的要求。為了適應這一技術趨勢，各種濾波器應運而生，其中腔體濾波器具有Q值高、插損小、功率容量大等優點，并可通過手動調諧、調耦來消除機械加工偏差。與波導濾波器相比，腔體濾波器的設計方法更為靈活，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的三維設計可以迅速地設計出一款符合系統技術指標的濾波器，為電子設備高性能、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CN(W)是N階的廣義切比雪夫濾波器的特征函數，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紋波系數；RL為帶通濾波器通帶內回波損耗。由無源網絡能量守恒定律：

(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CN(ω)即可以推導出散射參數S11和S21的有理多項式，利用Cameron多項式遞歸技術推導廣義切比雪夫多項式。

根據反射函數和傳輸函數，運用網絡綜合的理論得到輸入輸出耦合系數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，濾波器能產生傳輸零點，再將耦合矩陣消元，即可得到電路拓撲結構。

2 腔體濾波器的仿真設計

2.1 計算機輔助設計

本文所設計的腔體帶通濾波器的技術指標要求為：中心頻率f0=5 725 MHz,1 dB帶寬≥260 MHz，帶內波動≤0.6 dB，帶內插損≤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設計腔體濾波器時，只需要在參數設置項中輸入濾波器的中心頻率、帶寬、腔體數、回波損耗等指標，相關結果便在相應模塊窗口中顯示出來。調整濾波器的諧振腔個數，結合幅頻特性窗口中的相關指標情況，便能確定出合適的腔體濾波器腔數值。[1]如果腔數設置太少，則帶外抑制指標無法滿足要求；如果腔數設置較多，則插入損耗指標不能滿足要求。由電性能指標要求可得出，該款濾波器需要八腔，Q值需要達到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參數曲線。

從圖中可以看出，濾波器回波損耗指標和帶寬指標都有一定余量，設計結果能完全滿足項目指標要求。

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

圖1 計算機輔助設計結果

表1 濾波器的m系數

根據技術指標外形尺寸要求、諧振腔腔數以及輸入輸出接頭自身的尺寸，利用HFSS優化諧振器尺寸仿真單腔結果如圖2所示。

圖2 單腔仿真結果

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

耦合系數的m系數向K系數的轉換關系為

Kn(n-1)=bw×mn(n-1)

表2 濾波器的K系數

圖3 兩單腔仿真結果

由表2耦合系數值和圖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。

根據已經確定了濾波器諧振腔和耦合結構的初始尺寸，將8個相同的諧振腔用耦合結構連接起來加工出的八腔帶通濾波器如圖4所示。用矢量網絡分析儀測試該腔體濾波器，測試濾波器S參數曲線如圖5所示。

圖4 實物圖

圖5 腔體濾波器測試結果

測試結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，所得到的曲線指標與仿真結果基本吻合，而且全部滿足技術指標要求。

3 結束語

本文利用Super Filter計算機輔助設計軟件和Ansoft HFSS 三維仿真軟件設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測試，測試結果與仿真設計基本一致，充分證明了本腔體濾波器設計方法的工程可用性。