如何实现一种具有介质腔与金属腔体混合的新型带通滤波器的设计？

设计了一种新型的滤波器,就是在传统的腔体滤波器中加入介质谐振腔,即金属腔体和介质腔体混合的一种结构.这种混合结构有着介质腔体的高介电常数,很小的频率温度系数以及极高的Q值的优点,同时也有着金属腔体易调试、结构稳定、体积小等好处.为了使滤波器拥有更好的带外抑制,我们还加入了较多的传输零点.通过仿真软件Genesys对滤波器电路模型进行设计,用HFSS对滤波器的单腔以及双腔进行仿真,从而确定了滤波器的尺寸.最后两种仿真结果基本一致,证明该设计的可行性.

滤波器是一种对信号起分离作用的器件,在特定的通带里面对信号进行筛选,使有用的信号尽可能无衰减通过,同时最大程度地抑制通带外的信号.随着现在无线通信的发展,频率资源越来越匮乏,如何设计出低插损、高功率、高隔离的滤波器是目前所面临的新问题.同轴腔体滤波器具有体积小、结构牢固、易调谐、带外抑制高等优点,设计起来方便灵活,具有非常广泛的实用性.

介质谐振器早在1939年被美国学者R. D. Richtmyer提出,并在20世纪六七十年代得到快速发展.我们知道,谐振器的尺寸和电介质材料的介电常数的平方根成反比,因此介电常数越高的材料,由它构成的谐振器的体积会很小,同时它具有很小的频率温度系数,从而可以实现器件的高稳定性和高可靠性.最重要的一点就是介质谐振器具有非常高的品质因素Q,滤波器的一个非常重要的指标就是插入损耗要低,而Q值越高,插损就越低，同时介质材料的成本也很低.但由于介质滤波器后期产品的调试难度较大,耗时较长,因此它的实用性还不是特别的广泛.

因此,本文在传统的同轴腔体滤波器的基础上,加入了介质谐振器,设计出一款金属谐振腔能够与介质谐振腔混合的滤波器.这样设计的目的是为了充分地利用了介质谐振器的优点,提高整个滤波器的品质因素和功率容量,但又不会增加整个滤波器的调试难度.同时设计了较多的传输零点,使得滤波器有着更高的带外抑制.本次设计是通过Genesys进行电路仿真设计,同时通过HFSS对滤波器的单腔以及双腔进行仿真,从而确定滤波器的尺寸.最后对比电路仿真与三维仿真,所得结果基本一致.

1 滤波器设计分析

本文设计了一款带通滤波器,其技术指标如表1.本设计采用的是波纹0.9 dB的广义切比雪夫公式来设计的.为了达到指标中的带外抑制的要求,加入了3个感性交叉耦合和一个容性交叉耦合.

表1 滤波器设计指标

Table 1 Design indexes of filter

1.1 拓扑结构和耦合矩阵的建立

由基尔霍夫定理,我们可以写出各个谐振腔之间的回路方程

(1)

在窄带近似条件下,将上面各式归一化,令相对带宽FBW=Δω/ω0=Δf/f0,于是有:

(2)

(3)

(4)

(5)

在式(4)和式(5)中,ω′为归一化角频率为各谐振器的谐振频率.ωk可以不等于中心角频率ω0,这等于增加了优化的输入变量,于是得到整个交叉耦合电路的S参数:

(6)

S11=1-2R1i1=1+2jR1[Z-1].

(7)

这样通过式(6)和式(7)建立了广义切比雪夫函数和交叉耦合等效电路之间的联系.通过上面的多项式分析,同时我们借助软件couplefile来对滤波器的耦合矩阵进行综合设计以满足滤波器的指标要求.得到的耦合矩阵如表2.其中S代表源,L代表负载,1到9代表着第几个腔体,其他数字代表每个腔体间的耦合系数.

表2 耦合矩阵

Table 2 coupled matrix

同时我们可以得出滤波器的节数为9节,滤波器有载品质因素Q为41.1.其拓扑结构如图1.其中,第2个腔体为介质谐振腔,同时整个滤波器的第1和第3腔,第5和第7以及第7和第9是感性交叉耦合,第4和第7是容性交叉耦合.各腔体耦合系数:K12=0.802 74,K23=0.574 17,K13=-0.141 82,K34=0.548 78,K45=0.513 11,K47=0.171 14,K56=0.193 21,K57=0.440 8,K67=0.273 98,K78=0.554 49,K79=0.222 4,K89=0.784 25.

图1 拓扑结构

Figure 1 Topological structure

根据该软件得出滤波器的曲线图如图2.其中红线代表S11,蓝线代表S21,从图中我们可以看出,滤波器的通带为1 830～1 875 MHz,回波损耗达到了-20 dB,3 dB差损达到了1.3 dB,同时滤波器的带外抑制为110 dB@1 780 MHz,65 dB@

1 880～1 920 MHz,90 dB@1 920 MHz,都达到了指标要求.因此可将耦合系数用于下面的电路设计中.

图2 由couplefile得出的曲线图

Figure 2 Graph of couplefile

1.2 电路设计分析

我们可以使用电路仿真软件Genesys对滤波器的电路模型进行仿真设计.电路图如图3.并将上面所得到的耦合系数带入模型进行优化仿真,得到优化后的曲线如图4所示.通过对比图2和图4的数据可以得出其结果基本上是一致的.并且滤波器的回波损耗达到了26 dB左右,更优于初始的设计,带外抑制也都达到了设定的指标.

图3 滤波器电路模型

Figure 3 Circuit model of filter

图4 滤波器电路模型的S曲线图

Figure 4 S parameters of circuit model of filter

1.3 滤波器尺寸确定

图5 滤波器整体模型

Figure 5 Model of the filter

采用HFSS软件对滤波器的三维模型进行仿真.为了使腔体品质因素达到最高,腔体的特性阻抗为76 Ω.首先利用软件AppCAD来确定腔体的初始尺寸,接着采用经典的单腔双腔的方法来确定最终腔体的尺寸,并求得滤波器的本征模.本征模的求解公式为其中fm和fc为两个单腔的谐振频率.本次设计采用的是方腔形状.腔体的尺寸为48×48×25.5.内导体高度为22.7 mm,上端直径为17 mm,下端直径为15 mm,内芯直径为14 mm,谐振杆直径为5 mm,介质谐振腔介质外直径29 mm,内直径为23 mm,高度为17.5 mm.其中介质谐振器选用的是相对介质为38.8,无载Q值为15 000的微波陶瓷材料.建立滤波器整体模型如图5，通过本征模式求解得出滤波器有载Q值为65.并对整体模型进行优化仿真,得到的曲线图如图6.从图6可以看出,滤波器的通带在1 830～1 875 MHz,且回波损耗达到了-22 dB以上.同时插入损耗达到了1.5 dB.根据经验所得,如果适当地放宽滤波器的通带带宽可以得到更优的插入损耗.该滤波器的带外抑制达到了130 dB@ 1 780 MHz,>50dB@1 880～1 920MHz,130dB@1 920MHz,都充分满足了指标的要求.综上所述,该滤波器达到了设计的要求.

图6 滤波器优化曲线图

Figure 6 Optimization result of filter

2 结 语

对于同指标的传统金属滤波器来说,其有载Q值为41.16(中心频率除以带宽),而本文所设计的Q值达到了65.由于Q值的提高使得了滤波器的选择性更好,同时,由于增加了传输零点,让本文滤波器的带外抑制得到了有效的提高,根据上面仿真所得(130dB@1 780MHz,>50dB@1 880～1 920MHz,130dB@1 920MHz),相比于没有加入传输零点时,在相同的频段都要提高了20dB左右.且由于加入了介质谐振腔.该滤波器的插入损耗也只有1.5dB,而传统滤波器一般有2～3dB.但该滤波器在后期调试的时候会比金属滤波器需要更多的时间,这也是该滤波器的所存在的缺点.总的来说,滤波器有着体积小、结构稳定等其他的优点,因此该类型滤波器有着十分好的发展前景.

审核编辑：刘清