宽带同轴腔体滤波器的设计

第38卷第2期压电与声光ol38No．22016年04hPIEZOELECTRICSACOUSTOOPTICSADr．2016文章编号：10042474(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：ADsignofBroadbandCoaxialCaityFiltrFANRnyu，YANGQinghui。ZHANGHuaiwu(StatKyLab．ofElctronicThinFilmsandIntgratdDics，UnirsityofElctronicScincandTchnologyofChina，Chngdu610054，China)Abstract：Thfabricatingdifficultisofthbroadbandfiltrwrthorticallyanalyzdandabroadbandband—passfiltrwasralizdbythformofcoaxialcaity．Thminiaturizationofthfiltrwasachidbythprinciplofloadingcapacitanc．Finally，thbroadbandfiltrwiththcntrfrquncyof4．24GHzandbandwidthof44．3％wasdsigndthroughthsimulationsoftwarCST．Thrsultsshowdthatthdsigndfiltrhadgoodprform—ancsofoltagstandingwaratioandout—ofbandrjction，whichcouldwllmtthrquirmntsofthhand—hldradardic．Kywords：coaxial；broadbandfiltr；Chbysh；bandrjction；caity0引言在微波通信系统中，滤波器性能的好坏对系统会造成很大的影响。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滤波器的 方案 气瓶 现场处置方案 .pdf气瓶 现场处置方案 .doc见习基地管理方案.doc关于群访事件的化解方案建筑工地扬尘治理专项方案下载 选择每种滤波器都有各自的优势和不足，当频率不高时，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。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(2012DFR10730，2013HH0003)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。万方数据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2．1宽带滤波器的难点在制作宽带腔体滤波器的过程中，限制滤波器带宽的因素有：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×16．62mm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7．366GHz，这与之前单腔的谐振频率有很大的差别。壹j11。霪图1加载电容T型腔图2加激励信号的T型腔t；凸起小方块图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 快递公司问题件快递公司问题件货款处理关于圆的周长面积重点题型关于解方程组的题及答案关于南海问题 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，双腔耦合到整体仿真的思想来实现。腔体滤波器的有载一万方数据第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(1)两腔间的耦合理论值计算式为k。+，：占(2)。+I2—===(Z)qgtgl+I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、K1l一1．047、K11．12—1．168、K忆，。=1．804。使用仿真软件仿真可得，滤波器的单腔为6mm×6mm×18mm的空气腔，空气腔里分别为2mm×2mm×15．74mm的长方体金属柱和M2．0的调谐螺钉。通过仿真可得抽头的高度为10．1mm。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3．45．28GHz，在3．5GHz的二、三次谐波处的抑制分别为一134dB、一157dB。谢fff姗频翠／GHz图6仿真结果图3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Agilnt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·o图7实物图每幽6测试幽万方数据256压电与声光2016正图9测试图由图8、9可看出，滤波器的带宽为3．45．24GHz，且在通带内S。，<一15dB，这与仿真结果一致。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。实测结果显示，在所设计带宽内，滤波器驻波良好，二、三次谐波处具有良好的抑制，满足了手持雷[8][9](上接第252页)周智，田石柱，赵雪峰，等．光纤布拉格光栅应变与温度传感特性及其分析验分析[J]．功能材料，2002，33(5)：551—554．ZHOUZhi，TIANShizhu，ZHA0Xufng，ta1．Tho—rticalandxprimntalstudisonthstrainandtm—pratursnsingprformancofopticalFBGIJ]．Fun—tionalMatrials，2002，33(5)：551—554．廖延彪．光纤光学[M]．北京：清华人学出版社，2000．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：[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．[2]COHNSB．Paralllcoupldtransmission—linrsona—torfiltrs[J]．IRETransMTT，1958，6(4)：223—231．[3]程昆仑，李平辉，赵志远．一种宽阻带带通滤波器的设计方法[J]．通信技术，2011，44(3)：141142．CHENGKunlun，LIPinghui，ZHAOZhiyuan．Ad—signmthodofbroadstopbandbandpassfiltr[J]．CommunicationTchnology，2011，44(3)：141—142．[4]王清芬，马延爽．应用HFSS设计40MHz腔体滤波器[J]．无线电工程，2008，38(01)：44—46．WANGQingfn，MAYanshuang．UsingHFSS40MHzcaityfiltrdsign[J]．RadioEnginring，2008，38(1)：44—46．[IO][11]孙丽，梁德志，李宏南，等．强度梁标定FBG传感器的误差分析与修正[J]．光电子·激光，2007，18(7)：776779．SUNLi，I。IANGDzhi，LIHongnan，ta1．AnalysisandmodificationofdmarcatrrorofFBGsnsorbyqual[J]．Journalof0ptolctronics·Lasr，2007，18(7)：776779．张自嘉．光纤光栅理论基础与传感技术[M]．北京：科学出版社，2009．万方数据