宽带同轴腔体滤波器的设计
第38卷第2期
2016年04h
压电与声光vol-38No.2ADr.2016
PIEZOELECTRICS&ACOUSTOOPTICS
文章编号:1004~2474(2016)02—0253—04
宽带同轴腔体滤波器的设计
范仁钰,杨青慧,张怀武
(电子科技大学电子薄膜与集成器件国家重点实验室,四川成都610054)
摘
要:首先分析了宽带滤波器的制作难点,利用同轴腔体的形式实现了一款宽带带通滤波器,并通过加载电
容的原理实现了滤波器的小型化。最后通过仿真软件CST设计了中心频率4.24GHz,带宽为44.3%的宽带滤波。结果表明,滤波器实物在整个频带内电压驻波比、带外抑制良好,满足手持雷达装置使用要求。
关键词:同轴;宽带滤波器;切比雪夫;带外抑制;腔体
中图分类号:TN713文献标识码:A
DesignofBroadbandCoaxialCavityFilter
FANRenyu,YANGQinghui。ZHANGHuaiwu
(StateKeyLab.ofElectronicThinFilmsandIntegratedDevices,UniversityofElectronicScienceandTechnologyofChina,
Chengdu610054,China)
Abstract:Thefabricatingdifficultiesofthebroadbandfilterweretheoreticallyanalyzedand
pass
a
broadbandband—
filterwasrealizedbytheformofcoaxialcavity.Theminiaturizationofthefilterwasachievedbytheprinciple
center
ofloadingcapacitance.Finally,thebroadbandfilterwiththe
was
frequencyof4.24GHzandbandwidthof44.3%
designedthroughthesimulationsoftwareCST.Theresultsshowedthatthedesignedfilterhadgoodperform—ofvoltagestandingwaveratioandout—of-bandrejection,whichcouldwellmeettherequirementsofthehand—
ances
heldradardevice.
Keywords:coaxial;broadbandfilter;Chebyshev;bandrejection;cavity
0
引言
在微波通信系统中,滤波器性能的好坏对系统
高时,可选用LC集总参数滤波器和介质滤波器i微带线和带状线滤波器有较低的品质因数Q值和较小的体积,在不需要低插损而需要小型化的使用背景下,将具有突出的优势;腔体滤波器具有小的插损,且可承受很高的功率;因此,根据滤波器的实际应用和目的来选择不同类型的滤波器是很有必要
的。
会造成很大的影响。随着通信技术日益更新,对滤
波器的性能提出了更苛刻的要求。在各类带通滤波器中,腔体滤波器因为低插损,高功率容量而被广泛使用。
超宽带通信技术有低功耗,高宽带,保密性能好等特点。宽带带通滤波器作为超宽带通信系统中必不可少的组成部分,对整个通信系统的性能具有重大的影响。随着手持移动通信系统的发展,对滤波器提出了结构紧凑,低插入损耗,高谐波抑制等要求,因此,研究腔体滤波器对通信系统的改善具有重要的指导意义[1j。
1
切比雪夫型腔体滤波器的使用场景为手持雷达装置,雷达设计人员所提指标通带为3.5GHz点频,需要在3.5GHz二、三次谐波处有良好的带外抑制。腔体滤波器难以实现点频通带,且窄带滤波器插损较大,会影响通信系统性能。一般情况下,腔体滤波器在三次谐波附近会有寄生通带,导致三次谐波处的抑制很差。所以设计时适当增大滤波器的带通范围,既可减小插损又可使滤波器的寄生通带远离原先频率的三次谐波(为3.5GHz的三次谐
滤波器的方案选择
每种滤波器都有各自的优势和不足,当频率不
收稿日期:2015—06—16
基金项目:国家自然科学基金资助项目(61021061.51272036,51002021,61131005>国际合作基金资助项目(2012DFR
2013HH0003)
10730,
作者简介:范仁钰(1991一),男,江苏盐城人,硕士生,主要从事微波器件设计的研究。杨青慧(1979一),教授,主要从事液相外延及微波毫米
波器件的研究。E—mail:78158521@qq.tom。
254
压电与声光
2016年
波)。加大频带范围,最后确定滤波器的指标为中心频率(4.24GHz),带宽为44.3%(此带宽范围包含原先3.5GHz,可实现3.5GHz处信号通过,文中三次谐波均为3.5GHz的谐波)。
2
滤波器的设计
在制作宽带腔体滤波器的过程中,限制滤波器
2.1宽带滤波器的难点
一
图2加激励信号的T型腔
带宽的因素有:
1)两腔间的耦合[2j。2)较小的有载Q值。
如需设计带通滤波器的带宽越大,会要求相邻两腔间的耦合越大。但如果两腔间的耦合太大,会导致两腔离得很近,而使目前机械加工精度达不到。且两腔距离近将无法安装调谐螺钉。如果设计的腔体滤波器带宽越大,所需有载Q值将会越小。普通加载电容T型腔实现小的有载Q值较难。同时,在抽头加激励信号后,调节抽头位置达到小的有载Q值会使首尾腔的谐振频率发生变化。图1为
6mm×6mm×16.62
凸起小方块
t;
mm加载电容T型腔,腔体
内为T型金属柱跟调谐螺钉。在此高度下,经仿真软件CST计算得单腔的谐振频率为4.24GHz。图2为同样大小且加抽头激励的T型腔,用此模型来仿真有载Q值。图3为有载Q值仿真模型。假设要制作37%的带宽的腔体滤波器,经计算需要1.96的有载Q值。调节抽头的高度位置[3],通过图2的模型仿真可知,需要1.96的有载Q值时,在同样的金属柱跟腔体高度下,单腔谐振频率变成了
7.366
图3有载Q值仿真模型
通过仿真软件可看出,加激励信号后,首尾腔的谐振频率会发生变化。此问题的解决方法有两种:
1)在不增加腔体和谐振柱高度情况下调谐螺钉往下伸(仅增加谐振柱的高度原理与此相同),增大加载电容。但这样会导致螺钉跟谐振柱间没有足够的安全间距,在调试过程中可能会导致第一腔的
GHz,这与之前单腔的谐振频率有很大的差
别。
壹
j
11。霪
加载电容不够而使驻波变差。
2)增加腔体的高度来使频率降低,但这样会增加滤波器的高度以至于体积变大。2.2仿真设计与加工
常用的腔体带通滤波器有梳状和交趾两种结构。梳状结构适用于窄带滤波器,交趾结构适用宽带滤波器。腔体滤波器采用铝镀银为原料,如需较小的插损,则可采用镀金或变大腔体来实现(腔体变大后,无载Q值将会变大,可通过软件本征仿真来验证)。切比雪夫滤波器的设计是通过CST或HF—SS等仿真软件,采用从单腔频率、有载Q值,双腔
图1加载电容T型腔
耦合到整体仿真的思想来实现。腔体滤波器的有载
第2期
范仁钰等:宽带同轴腔体滤波器的设计
Q值计算式Ⅲ为
Q一塾号≯』
两腔间的耦合理论值计算式为
。+I
(1)
k。+,:占2—===
qgtgl+I
(2)(Z)
是。川一*删
(3)
式中:Ⅳ为带通滤波器的相对带宽;g。,g,,g,,g…
为归一化的低通元件值(i—I,2,3…聍);f。,f2为
双腔本征模仿真时得到的2种模式频率值(仿真结果为.厂:>厂,);通过式(2)算出耦合系数k¨+。后再通过CST仿真得到/’。、厂。,最后通过式(3)计算得到合适的结构形状和尺寸。
制作中心频率4.24GHz,带宽为44.3%的腔体滤波器时,所需耦合大,以致于第一、二腔间没有足够距离来安放相邻腔体间的耦合调谐螺钉(切比雪夫滤波器总是第一、二腔耦合最大,然后依次减小)。所以设计滤波器时移除腔体间的耦合调谐螺钉,这样就需仿真时极其精确才能保证实物调试有较好的效果。通过不同指标的滤波器实物测试结果发现,移除耦合调节螺钉后,实物调试带宽和仿真结果基本相同,故此方法可行。图3中凸起的长方体金属柱是增加单腔的加载电容,从而使单腔谐振频率下降。这样,在相同的腔体和金属柱高度下,会得到更小的谐振频率,以达到小型化的目的。为得到良好的远端带外抑制,此滤波器用了十三阶,但也导致了其尺寸有点长。使用式(1)、(2)计算出需要的理论值为Q一1.697,归一化耦合系数分别为KⅥ一
1.804、K2.。=I.168、K。.。一1.047、K。.5—1.005、Ks.6—0.987、K6.7—0.980、K7.8—0.980、K8.9—0.987、K9.10一1.005、K№1l一1.047、K11.12—1.168、
3
谢f『f『f『姗
频翠/GHz
图6仿真结果图
宽带滤波器的测试
图7为滤波器实物图。滤波器装配完成后,使
用Agilent的矢量网络分析仪对滤波器的指标进行测试。需要测试的参数分别为回波损耗S。,、插损Sz,及远端抑制。调试过程中,通过调节调谐螺钉改善各项指标。调试完成后,剪掉螺钉,在剪过的螺钉上涂上环氧树脂封住。测试结果如图8、9所示。
●口
●■・
K忆,。=1.804。使用仿真软件仿真可得,滤波器的单腔为6分别为2
mm×6mm×18
每
●●o
图7
实物图
mm的空气腔,空气腔里
mm的长方体金属柱
mm×2mm×15.74
和M2.0的调谐螺钉。通过仿真可得抽头的高度为
10.1
mm。图4为双腔耦合的仿真模型,模型里为
上、下排列的金属柱跟调谐螺钉。图5为整体仿真模型,代入单腔大小与腔体间距的数据后,模型最终
大小为55mm×6mm×17.8mm,图6为仿真结
果。由图可看出,滤波器的通带范围为3.4~
5.28
GHz,在3.5GHz的二、三次谐波处的抑制分
dB、一157dB。
幽6测试幽
别为一134
256
压电与声光
2016正
达装置使用要求。
4
结束语
本文分析了宽带滤波器的制作难点,通过仿真
软件设计了一款宽带同轴腔体滤波器。测试结果表明,滤波器在手持雷达装置中应用良好。参考文献:
图9测试图
[1]吴国建,腔体滤波器的小型化研究[D].成都:电子科
技大学,2013.
由图8、9可看出,滤波器的带宽为3.4~
5.24
GHz,且在通带内S。,<一15dB,这与仿真结果
[2]COHN
tor
SB.Parallelcoupledtransmission—line-resona—
TransMTT,1958,6(4):223—231.
一致。二次谐波处的抑制为矢网的测试噪底,抑制很好。三次谐波处的抑制为一63dB,这与仿真差别较大。一方面是仿真软件只是理想的计算模型,实物加工达不到这么好的抑制;另一方面是由于机械加工时,盖板未加工好,拧完盖板上的螺钉后仍有缝隙。后来在滤波器盖板缝隙处涂抹银浆加热烘烤后测试发现,三次谐波10.5GHz处抑制优化到了一
70dB。
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WANG
40
Qingfen,MA
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Yanshuang.Using
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(上接第252页)[8]
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