腔体滤波器的频率计算
2011年第07期,第44卷 通 信 技 术 Vol.44,No.07,2011 总第235期 Communications Technology No.235,Totally
腔体滤波器的频率计算
马军昌, 魏文珍
(西安富士达科技股份有限公司,陕西 西安 710077)
【摘 要】腔体滤波器是现代微波通信系统中重要的组成,频率的计算是滤波器的关键,而频率的计算是比较繁琐的,基于复杂的理论计算。研究出了简洁实用的设计思路和设计公式,通过例题全面介绍了腔体滤波器各种频率的计算和仿真。给出了设计公式和设计步骤。首先根据综合设计得出单腔级数,再运用平板电容和筒状电容准确得到谐振杆长,通过ansoft 模拟验证谐振频率,与实例有很好的吻合。
【关键词】同轴腔体滤波器;谐振腔;谐振频率;ansoft模拟
【中图分类号】TN713.5 【文献标识码】A 【文章编号】1002-0802(2011)07-0141-03
Frequency Calculation of Cavity Filter
MA Jun-chang, WEI Wen-zhen
(Xi’an Forstar S&T Co., Ltd, Xi’an Shaanxi 710077, China)
【Abstract】Cavity filter is a very important part in microwave communication system, and its frequency calculation is a key to the filler design. This frequency calculation is tedious and based on complicated theoretical computation. And the calculational methods and emulation modes of cavity filter are discussed and investigated through examples, the easy and practical design formula and steps are also given. First, based on the synthesis design a single cavity progression is obtained, then the plate capacitor and tubbish capacitor are employed to accurately calculate the rod length of resonance, and then the frequency of resonance is verified through ansoft simulation, the experimental result is quite identical with the examples.
【Key words】coaxial cavity filter; resonance cavity; resonance frequency; ansoft
0 引言
滤波器是一种二端口网络。它具有选择频率的特性,即
[1]
可以让某些频率顺利通过,而对其它频率则加以阻拦,目
灵通(PHS,Personal Handyphone System)是数位式行动电话系统,提供高速上网,高清新话质,随着用户量的增大,PHS 的网络优化问题也日益尖锐,它采用微蜂窝技术,通过微蜂窝基站实现无线覆盖,要做好网络覆盖问题,就必须做好基站内部的器件指标,滤波器只是其中的一个小部件。指标设定如表1所示。
表1 10 MHz PHS滤波器技术指标
工作频段 带内插损 通带纹波 回波损耗 带外抑制
1 900~1 910 MHz
≤1.1 dB ≤0.3p-p maximum
≥20 dB
≥60 dB@DC-1 880 MHz ≥45 dB@1 890 MHz ≥45 dB@1 920 MHz ≥60 dB @1 930 MHz
功率容量 参考外形尺寸
>100 W 116mm×80mm×38mm
前用于在雷达、微波、通信等部门,常见有螺旋振子滤波器、微带滤波器、交指型滤波器等等。虽然它们的设计方法各有自己的特殊之处,但是这些设计方法仍是以低频综合法滤波器设计为基础。随着多频率工作越来越普遍,对分隔频率的要求也相应提高,尤其是临近频道的抗干扰
[1-2]
要求越来越
严格,这样常见的滤波器就很难满足。腔体滤波器就是随着通讯技术的发展而产生的新秀,就目前还没有完整的理论来指导其设计。下述理论和方法是工作经验和实践的总结。
1 实例设计
以小灵通滤波器为例来研究腔体滤波器的设计过程。小
收稿日期:2011-03-23。
作者简介:马军昌(1970-),男,工程师,主要研究方向为微波
无源技术;魏文珍(1972-),女,工程师,主要研究方向为电磁场与微波技术。
141
1.1 确定腔体节数
f 0= 1 905 MHz,
△f 1= ±5 MHz,LA1≤1.1 dB,
⎡⎛LA 1⎞⎛LA 2⎞⎤
⎟⎜⎟⎥1⎢⎜
n =⎢lg ⎜1010−1⎟−lg ⎜1010−1⎟⎥
2⎢⎜⎟⎜⎟⎥⎢⎠⎝⎠⎥⎣⎝⎦△f 2= ±15 MHz,LA 2≥45 dB, △f 3= ±25 MHz,LA 3≥60 dB。
LA 2= 45,△W 2= 5,△W 1= 15,有n = 5.28;代入LA 1= 1.1,
LA 3= 60,△W 2= 15,△W 3= 25,有n = 3.378,同样代入LA 2= 45,因此取6腔。
1.2 根据外形尺寸确定单个腔的大小
单腔的排列法有很多种,具体根据输入/输出的位置和
[3]
需要加的传输零点的情况而定。就如上给定参考尺寸和技
当阻抗是上面值时,理论上的插入损耗可以得到的最小
[5]
值。在实践中当抽头同样匹配在最佳时只要阻抗在一定范
围,都可以得到理想的效果:圆柱腔:55~106 Ω;矩型腔:
⎛∆W ⎞
⎟, lg ⎜
⎜∆W ⎟⎝1⎠
58~110 Ω。
1.4 腔体、谐振杆直径的确定
通过以上数值的取得就可以确定腔体、谐振杆直径。 ①在外形116X80的面上布腔:33.2×33.2的矩型腔; ②阻抗取76 Ω: 可以得出谐振杆直为Φ9.9取整数Φ10。 1.5 谐振杆长度的确定
滤波器总高38 mm.减调谐螺钉高出盖板(锁紧螺母)的高度5 mm,盖板厚度取3 mm,底面留3.5 mm,则腔体净深剩38-5-3-3.5=26.5 mm,谐振杆能产生谐振必须和盖板有一定的距离,无源器件都有功率要求,为避免在系统运行中出现功率打火,谐振杆和盖板的距离应≥0.5 mm,这里暂取2.0 mm, 这样谐振杆的长度为26.5-2=24.5 mm。
24.5 mm 的高度显然不能确定为滤波器的谐振频率,此高度只是它的一个暂定值,至于能不能满足要求,则要通过计算去验证,现进行验证:
同轴滤波器的谐振频率到底怎么计算。很多资料都有提到,但只是一部分即考虑到其平板电容C =&πD 2/4S ,即内导体的开路端面与外导体(可看做盖板)之间形成的集中电容、
故称加载电容。
在实际中没有不调试的同轴腔体滤波器,这样就会出现图4的情况。
调谐杆
调谐杆
术指标的情况下,可以确定必须要有一对腔用来做传输零点,排列方法有图1、图2、图3的基本形式。
@
图1 单腔排列
@
图2 单腔排列
图4 谐振杆剖视
@
图4通过平板和筒状电容的计算可以得其谐振频率。根据同轴腔的谐振条件:
①∑Bj =0;
图3单腔排列
所有图中“@”处为加零点位置;方腔:腔体体积大,电
②jZtg (ω0L C ) +j ω0C t =0。
得出:
L =C ×tg −1Z ω0C t ) 0, (1)
其中,L 为谐振杆长度(注:这里一定等于腔深);C 为光速;磁容量多;圆腔:单个腔体的摆放更灵活。
Z 为阻抗;ωO 为频率;C t 为总电容;所以可以求出: 1.3 根据Q确定谐振杆的直径
[4]
C t = 1.355 PF, (2) 同轴腔的Q 值计算公式
:
而:C t =C p +C f 。 240πln (D d ×π)
Q =,
C P 为平板电容;C f 为筒状电容: +4πd +8(λd
C =δπD 2S , (3)
L 指棒长,U 指导磁率,单位:H/cm,δ指电阻率,单位Ω/cm。
可以得到:当D /d =3.6时Q 最大,即,圆柱腔Z 0=138lg(D d ) = 76.7Ω;矩型腔Z 0=138lg(D d ) +3.54=80.2Ω。 142
p
C f =2πδm ln(R b R a ) , (4) δ为常数;S 为内导体的开路端面与外导体之间的距离;m 为调谐杆的平均调入深度;R b
为谐振杆的内径;R a 为调谐杆
的直径。
代入前面的暂定数据,可得:
1.7 实际产品加传输零点后
经过矢量网络分析仪进行调试,得出最后指标,网络分析仪测试曲线如图8示。
C P = 0.347 5 PF, (5) 所以C f = 1.007 5 PF,C f 中暂定R b = Φ8 mm; R a = Φ5 mm,用M5的调谐螺钉。则:
m = 8.45 mm。 (6) 谐振杆的结构如5
图所示。
Φ10 Φ8
24. 5
18 M 4
起始频率:186 0 MHz
终止频率:1 960 MHz
图5 谐振杆
可见只要算出C t ,通过调整S 、R a 、R b 和m 值,总能找到mm)如果 C t 符合要求的数值.(必须满足:R b -R a ≥1;S ≥0.5 很大, 在保证S ≥0.5 mm的前提下,可以通过加大加载电容的方法去满足。如图6所示。在计算阻抗时用图6的Φd ;计算平板电容时用图6中的ΦD 。
ΦD
Φd
图8 产品调试曲线
2 结语
以上方法将比较复杂深奥的微波电磁理论和公式,通过转换,用简洁易懂的计算达到了设计目的,在实际中,通过十几种不同频率的验证,用以上方法是可行的。
图6 电容加载谐振杆
比较繁杂,根据所选择的函数式及波纹,查出它的耦合
[6][4]
系数k 12, k 23, k 34, …, kij , 再根据公式求出其耦合面积,再根
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据面积等效关系求出它的深度,经过修正得出结果。
ansoft 仿真频率结果如图7示,可以看出谐振频率满足(没有加陷波)。
传输损耗/d B
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图7仿真曲线
(上接第140页)
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