1、第4 5卷第4期压 电 与 声 光V o l.4 5N o.42 0 2 3年8月P I E Z O E L E C T R I C S&A C OU S TOO P T I C SA u g.2 0 2 3 收稿日期:2 0 2 3-0 3-1 1 作者简介:李玉峰(1 9 6 9-),男,辽宁省沈阳市人,教授,主要从事图像处理与传输技术、导航定位及无线通信的研究。刘裕(1 9 9 8-),男,江苏省南京市人,硕士生,主要从事微波器件设计的研究。文章编号:1 0 0 4-2 4 7 4(2 0 2 3)0 4-0 5 4 9-0 5D O I:1 0.1 1 9 7 7/j.i s s n.
2、1 0 0 4-2 4 7 4.2 0 2 3.0 4.0 1 4超宽带交指腔体滤波器的设计李玉峰,刘 裕,梁明珅(沈阳航空航天大学 电子信息工程学院,辽宁 沈阳1 1 0 1 3 6)摘 要:该文介绍了交指型腔体滤波器的设计步骤并分析其制作难点,并根据该步骤设计出一款通带为1 0.21 6.7GH z的宽带带通滤波器。提出了一种新型滤波器抽头结构,该结构通过在进线处添加金属方块提高了输入端与第一阶谐振腔之间的耦合,拉低了滤波器外部品质因数(Qe),实现了超宽带的设计。结果表明,在通带(1 0.21 6.7GH z)内,滤波器样品电压驻波比(V SWR)1.7,插入损耗1.5d B,带外抑制良
3、好,满足工程需求。关键词:腔体滤波器;HF S S仿真;超宽带;切比雪夫;抽头设计中图分类号:T N 7 1 3 文献标志码:A D e s i g no fU l t r aW i d e b a n dI n t e r d i g i t a lC a v i t yF i l t e rL IY u f e n g,L I UY u,L I A N G M i n g s h e n(C o l l e g eo fE l e c t r o n i c I n f o r m a t i o nE n g i n e e r i n g,S h e n y a n gA e r o
4、s p a c eU n i v e r s i t y,S h e n y a n g1 1 0 1 3 6,C h i n a)A b s t r a c t:T h ed e s i g ns t e p s o f i n t e r d i g i t a l c a v i t y f i l t e r a r e i n t r o d u c e da n d i t s f a b r i c a t i o nd i f f i c u l t i e s a r e a n a l y z e d i nt h i sp a p e r.B a s e do nt h
5、ed e s i g ns t e p s,ab r o a d b a n db a n d-p a s s f i l t e rw i t hap a s s b a n do f 1 0.2-1 6.7GH zw a sd e s i g n e d.An o v e l f i l t e r t a ps t r u c t u r e i sp r o p o s e d,w h i c h i m p r o v e s t h e c o u p l i n gb e t w e e n t h e i n p u t a n d t h e f i r s t r e s
6、o n a n t c a v i t yb ya d d i n gam e t a l b l o c ka t t h ep o s i t i o no f t h e i n c o m i n g l i n e,r e d u c e s t h ee x t e r n a lQo f t h e f i l t e r,a n dr e a l i z e s t h eu l-t r a-w i d e b a n dd e s i g n.T h e r e s u l t s h o w s t h a t t h ev o l t a g e s t a n d i
7、n gw a v e r a t i o s(V SWR)o f f i l t e rp r o t o t y p e i s l e s s t h a n1.7,i n s e r t i o n l o s s i s l e s s t h a n1.5d Bi nt h ep a s s b a n d(1 0.2-1 6.7GH z)a n dt h eo u t-o f-b a n ds u p p r e s s i o ni sg o o d,m e e t i n gt h ee n g i n e e r i n gr e q u i r e m e n t s.K
8、e yw o r d s:c a v i t yf i l t e r;H F S Ss i m u l a t i o n;u l t r a-w i d e b a n d;c h e b y s h e v;t a pd e s i g n 0 引言随着对高速无线通信需求的加剧,各种信道越来越宽,同时频段的划分也越来越细,而作为划分信道的关键器件,滤波器的性能要求也越来越高。腔体滤波器是一种被广泛应用的频率选择硬件,其具有高品质因数(Q)值、高功率容量及低损耗等优秀性能,在通信、雷达及导航等领域获得了广泛的应用场景1-4。本文利用H F S S软件设计了一种新式抽头结构,此结构能够满足超
9、宽带滤波器对极低外部品质因数(Qe)的需求,并在设计了此结构的基础上使用此结构设计出了一款通带为1 0.21 6.7GH z的超宽带腔体滤波器,并进行测试,验证了相关结论。1 滤波器设计方案本文设计中要求通带范围为1 0.21 6.7GH z,换算 为 相 对 带 宽 为4 9.8%,最 大 电 压 驻 波 比(V SWR)小于1.8,说明可有一定的通带纹波,所以本 文 选 择 采 用 切 比 雪 夫 低 通 原 型 滤 波 器 进 行设计5。设计利用C o u p l e F i l软件进行网络参数提取,利用H F S S软件进行腔体模型仿真验证,利用计算机数字控制机床(C N C)精雕和线
10、切割加工制作了滤波器的零件。2 单腔谐振器设计腔体滤波器一般由多个谐振器互相耦合而成,本文对其中使用的谐振器进行设计。各种不同形式的谐振器功能基本相同,均可视为L C谐振回路,在通路中并联1个L C并联谐振回路,相当于创造了1个传输极点,所以一般调谐完成的腔体滤波器通带内传输极点的个数与滤波器的阶数相同。单腔仿真的设计重点为腔体尺寸和谐振器结构,是由谐振频率和耦合系数的实现难度决定。该滤波器的中心频率为1 3.0 5GH z,因此腔体的体积较小,但由于滤波器的相对带宽较宽,导致对耦合系数的要求较高,所以腔体中必须有谐振柱来集中电场,以提高耦合强度。图1为本文设计的谐振腔模型及其等效电路。本文滤
11、波器采用左右两块盖板及中间的交指腔体组成,故单腔模型为长方体,其中的谐振柱是方形的,如果采用圆形谐振柱,则无法使用C N C精雕加工。腔体左右留出空间是为了后期方便焊接探针。通常谐振柱高度为中心频率波长的6 0 7 0 电长度,由于1 3.0 5GH z电磁波的全波长约为2 3mm,故此设置谐振柱高度为4mm。图1 谐振腔模型与其等效电路图2为单腔仿真模型参数。图中,L、W、H分别为腔体长、宽、高,Lr、Wr、Hr分别为谐振器长、宽、高,Rt为调谐螺钉半径,Ht为调谐螺钉高。表1为单腔模型参数。由图2、表1可以看出,调谐螺钉采用M 1.6规格。对模型中调谐螺钉长度进行参数扫描(见图3),从0
12、0.8mm,每0.0 5mm取一个扫描点。图2 单腔仿真模型参数表1 单腔模型参数腔体长度/mm腔体宽度/mm腔体高度/mm调谐螺钉半径/mm1 2550.8谐振柱长度/mm谐振柱宽度/mm谐振柱高度/mm1.40.84图3 调谐螺钉长度的参数扫描结果 由 图3可 知,当 谐 振 腔 的 谐 振 频 率 为1 3.0 5GH z时,调谐螺钉长度刚好在可调范围的中间;当调谐螺钉伸长时,由于谐振柱顶端与调谐螺钉间电容增大,腔体的谐振频率快速降低。3 腔间耦合设计首先需要确定滤波器级数。腔体阶数为5nc o s h-11 00.1LA s-11 00.1LA s-1c o s h-1s(1)式中:L
13、A s、LA r分别为阻带衰减和通带纹波;s为低通原型阻带边界。设计中,Ls在带外的9GH z处有5 0d B的阻带衰减,而回波损耗R L及LA r为R L=2 0 l o gV SWR-1V SWR+1(2)LA r=-1 0 l o g(1-1 00.1R L)(3)设计中,需求的驻波比(V SWR)为1.8,由式(2)可得对应的回波损耗R L1 0.8 8d B。但若取R L=1 0.8 8d B,则后期设计将无任何误差空间,难以实现,故取R L=2 0d B。根据项目需求,滤波器需在3 9GH z处阻带衰减达到8 5d B,则取LA s=8 5d B,s为s=1BWfrf0-f0fr(
14、4)式中:fr为阻带带边频率;f0为通带中心频率;BW为相对带宽。设计中,fr=9GH z,f0=1 3.0 5GH z,BW=4 9.8%,将其代入式(1)可得n8.8 7,即至少需要9阶滤波器才能满足需求,为了留出余量,同时使其成为对称结构,本文设计采用1 1阶低通原型。使用C o u p l e F i l软件进行网络参数提取,如图4所示。表2为目标网络参数mi,j。图4 C o u p l e F i l仿真理想S参数曲线表2 目标网络参数Qem1,2m2,3m3,4m4,5m5,62.0 7 50.8 1 03 0.5 8 17 0.5 4 19 0.5 2 89 0.5 2 45Q
15、em6,7m7,8m8,9m9,1 0m1 0,1 12.0 7 50.5 2 45 0.5 2 89 0.5 4 19 0.5 8 17 0.8 1 03055压 电 与 声 光2 0 2 3年 由表2可以看出,整个滤波器的耦合系数是对称的,mi,j与对应耦合系数ki,j间的关系为ki,j=mi,jBW(5)由式(5)计算可得k1,2=k1 0,1 1=0.4 0 35,k2,3=k9,1 0=0.2 8 97,k3,4=k8,9=0.2 6 99,k4,5=k7,8=0.2 6 34,k5,6=k6,7=0.2 6 12。与窄带滤波器的耦合系数相比,超宽带滤波器的耦合系数较大,说明宽带滤波
16、器所需腔间耦合强度更高。图5为腔间耦合模型及其等效电路。用H F S S软件直接仿真得出耦合模型两个模式的谐振频率f1、f2,通过f1、f2可计算出此模型实际的耦合系数5-6为ki,i+1=|f21-f22|f21+f22(6)图5 腔间耦合模型及其等效电路设参数D为2.23.6mm,每0.2mm取1个扫描点,可得耦合系数与D的关系如图6所示。由图可 初 步 得 出D分 别 为2.3 5 mm、2.8 3 mm、2.9 4mm、2.9 8mm和2.9 9mm。图6 耦合系数与D参数的关系4 抽头设计超宽带滤波器的设计难点是抽头,因为抽头结构的设计主要是为了实现所需的外部品质因数Qe值。从低通原
17、型提取Qe、ki,j为Qe=g0g1BWki,j=BWgigj(6)由式(6)可看出,Qe、ki,j都反映了某种耦合关系,ki,j对应腔间耦合,那么Qe则对应了输入与第一阶腔体间的耦合,且ki,j越大,表示腔间耦合越大;Qe越小,表明抽头耦合越大。前文已求出Qe的理想值为2.0 7,所以在抽头仿真时模型的Qe2.0 7。而Qe=2.0 7表明抽头耦合相当大,所以这里需要对抽头结构进行设计,以提高耦合,设计出新式抽头结构如图7所示。图中,l、w、h分别为方块长、宽、高。图7 新式抽头结构提高耦合电容比提高耦合电感简单。由图7可知,金属方块的加入使进线与金属方块底部产生了较大的电容,此电容可根据金
18、属方块的大小进行改变,利用此电容提高进线与第一阶腔体的耦合,实现降低模型Qe的效果。此模型将抽头探针放在较高位置,其原因:1)新式抽头结构与传统抽头结构均在探针较高时拥有较小的Q值,如果开始将抽头设置得较高,则调整金属方块时可节省大量时间。2)在探针下方空出较大空间,能为探针的焊接带来便利。对金属方块的长、宽、高进行参数扫描得到Qe与方块高、宽及长的关系如图81 0所示。155 第4期李玉峰等:超宽带交指腔体滤波器的设计图8 Qe与金属方块高度的关系图9 Qe与金属方块宽度的关系图1 0 Qe与金属方块长度的关系由图81 0可以看出,金属方块的体积越大,对Qe的影响越大。仿真实验结果表明,金属
19、方块的加入,增大了耦合电容,且金属方块越大,增加的耦合电容越大,从而降低了Qe。新式抽头结构能轻松实现Qe=2.0 7。5 完整滤波器仿真经过对滤波器的单腔结构、双腔耦合结构及输入输出结构的设计后,将3部分结合起来,得出完整腔体模型如图1 1所示。图1 1 完整滤波器模型进线是5 0同轴线,内外导体间采用特氟龙材质,可以使探针与腔体入口绝缘,直接连接到谐振柱。谐振柱顶部是M 1.6调谐螺钉,可以通过调整调谐螺钉长度,优化仿真结果。经过优化可得S参数和驻波比仿真结果,如图1 2所示。经测试,模型的通带回波损耗大于1 5d B,驻波比小于1.7,满足工程需求。图1 2 S参数和驻波比仿真结果6 滤
20、波器实物制作在上述腔体外侧加上金属框架,打上螺纹孔即可加工出滤波器零件实物如图1 3所示。将其进行组装,可得滤波器样品成品,如图1 4所示。图1 3 滤波器零件实物图1 4 滤波器样品成品255压 电 与 声 光2 0 2 3年 通过网络分析仪对其进行调整与测量,可得样品测量结果,如图1 5所示。由图可看出,通带内插入损耗 不 大 于0.9d B,在 通 带 内 回 波 损 耗 大 于1 2d B,电压驻波比小于1.7。图1 5 样品测量结果7 结束语本文阐述了微波滤波器的理论依据,提出了一款能够实现极低Qe的新式抽头结构,并依据理论设计了一款超宽带腔体滤波器。在H F S S仿真中,滤波器模
21、型在1 0.21 6.7GH z通带内,回波损耗大于1 5d B。通过实物检测,测得其回波损耗约为1 2d B,驻波比小于1.7,完成了超宽带滤波器的设计,验证了新式抽头的可行性。参考文献:1 史志雄,李思敏,覃觅觅,等.2.4 5GH z宽阻带高抑制腔体滤波器的研究设计J.压电与声光,2 0 2 1,4 3(2):1 6 1-1 6 4.S H IZ h i x i o n g,L IS i m i n,Q I N M i m i,e t a l.R e s e a r c ha n dd e s i g no f2.4 5 GH zc a v i t yf i l t e rw i t h
22、 w i d es t o p b a n da n dh i g hs u p p r e s s i o nJ.P i e z o e l e c t r i c s&A c o u s t o o p t i c s,2 0 2 1,4 3(2):1 6 1-1 6 4.2 余剑钊.小型化腔体滤波器的设计与实现D.广州:广东工业大学,2 0 1 8.3 吴国建.腔体滤波器的小型化研究D.成都:电子科技大学,2 0 1 3.4 X I E D,S UN Y.Q u a d r u l e-p a s s b a n d m i l l i m e t e r-w a v ec a v i
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