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        一種基于階躍阻抗波導(dǎo)帶通濾波器的設(shè)計(jì)

        2012-01-15 06:03:14金海陸李良榮黃繩雄
        電子設(shè)計(jì)工程 2012年16期
        關(guān)鍵詞:通帶諧振器雜散

        金海陸,李良榮,李 奇,黃繩雄,張 旭

        (貴州大學(xué) 理學(xué)院,貴州 貴陽(yáng) 550025)

        微波帶通濾波器作為無(wú)線電通信和雷達(dá)系統(tǒng)中的關(guān)鍵無(wú)源器件,目前被廣泛的研究。現(xiàn)在應(yīng)用非常普遍的有波導(dǎo)濾波器、同軸濾波器、帶狀線濾波器和微帶濾波器等等。帶狀線濾波器具有小的尺寸、通過(guò)光刻技術(shù)易于加工、與其它有源電路元件易于集成等優(yōu)點(diǎn),在射頻和微波電路中常被使用。但是,當(dāng)要求濾波器能夠承受高功率、低插損、高抑制、窄帶寬時(shí),腔體濾波器是最好的選擇。但腔體濾波器件最大缺點(diǎn)是——尺寸明顯比其他可應(yīng)用在微波波段的濾波器大。因此緊湊型波導(dǎo)濾波器就成為微波技術(shù)領(lǐng)域的一個(gè)經(jīng)典而又十分活躍的研究課題[1-3]。

        M.Makimoto和S.Yamashita證實(shí):SIR在不減小無(wú)載Q值的情況下可縮短諧振器的長(zhǎng)度。作者正是利用階躍阻抗諧振器(SIR)原理,實(shí)現(xiàn)腔體帶通濾波器體積的壓縮,并且雜散諧振頻率被移開(kāi)[3-5]。

        1 階躍阻抗諧振器的原理

        所謂階躍阻抗諧振器(SIR),是指由2個(gè)以上具有不同特征阻抗的傳輸線組合而成的橫向電磁場(chǎng)或準(zhǔn)橫向電磁場(chǎng)模式的諧振器。 SIR 的 3 種基本結(jié)構(gòu),如圖 1(a)、(b)和(c)所示,它們分別對(duì)應(yīng)的是lg/4型、lg/2型和lg型?;镜腟IR結(jié)構(gòu)的共同單元是,都包括開(kāi)路端、短路端和它們之間的阻抗階躍結(jié)合面。他們分別看成由1個(gè)、2個(gè)和4個(gè)這樣的基本單元所組成。在圖2所示的SIR基本單元結(jié)構(gòu)中,傳輸線短路端和開(kāi)路端之間的特征阻抗和等效電長(zhǎng)度分別對(duì)應(yīng)為Z1、Z2和q1、q2。 首先定義阻抗比 RZ=Z2/Z1,隨后,通過(guò) RZ系統(tǒng)的討論了SIR的一些基本特性,比如:諧振條件、諧振器長(zhǎng)度、雜散諧振頻率以及等效電路[3-7]。

        1.1 諧振條件

        可以看出,SIR的諧振條件取決于q1、q2和阻抗比RZ,與均勻阻抗諧振器(UIR)的諧振條件相比,SIR設(shè)計(jì)的自由度將變大。

        1.2 諧振器長(zhǎng)度

        SIR開(kāi)路端與短路端之間的總電長(zhǎng)度為qTA,即

        當(dāng) 0<RZ<1、0<qTA<p/2 時(shí):得

        當(dāng)q1=q2=arctan,qTA取 得 最 小 值 : (qTA)min=arctan

        圖1 SIR 3種基本結(jié)構(gòu)Fig.1 Three basic structures of SIR

        圖2 單元SIR的電學(xué)參數(shù)Fig.2 Electrical parameter of SIR

        當(dāng) RZ>1、p/2<qTA<p 時(shí),同樣可以得到

        當(dāng)q1=q2=arctan時(shí),qTA取得極大值:

        由推導(dǎo)可知,q1=q2是一個(gè)特殊條件,它給出了SIR的極大或極小的長(zhǎng)度,以后的設(shè)計(jì)都主要基于這一條件。由此可知,理論上可以用過(guò)采用較小的RZ值來(lái)無(wú)限地縮短SIR諧振器的長(zhǎng)度,但是SIR長(zhǎng)度被限定于對(duì)應(yīng)UIR長(zhǎng)度的兩倍。

        1.3 雜散諧振頻率

        設(shè)基本諧振頻率為f0,lg/4型、lg/2型和lg型SIR相應(yīng)的最低雜散諧振頻率分別為fSA、fSB和fSC,對(duì)應(yīng)的電長(zhǎng)度分別為qSA、qSB和qSC。假定SIR結(jié)構(gòu)滿足q1=q2=q0,并且忽略諧振器傳輸線的阻抗階躍結(jié)合面,主導(dǎo)諧振模式為T(mén)EM模。

        qSA、qSB和 qSC有:

        因此,雜散諧振頻率為:

        由上面的公式可得:要盡使得雜散頻率遠(yuǎn)離基本諧振頻率,優(yōu)化設(shè)計(jì)中應(yīng)取小的RZ值,相應(yīng)的可以減小諧振器的長(zhǎng)度。

        1.4 等效電路

        在諧振狀態(tài)下,SIR可以近似等效,等效電路如圖3所示。lg/4型、lg/2型和 lg型的磁化率斜率為 bSA0、bSB0,其 bSC0值為:

        集總參數(shù)諧振器磁化率斜率與L0、C0、G0之間的對(duì)應(yīng)關(guān)系為:C0=bs/ω0;G0=bs/Q0;Q0:未加 Q 值;L0=1/ω0bs;bs:敏感度斜率參數(shù)。

        圖3 SIR諧振時(shí)的等效電路Fig.3 Microwave equivalent circuits of SIR

        2 帶通濾波器的設(shè)計(jì)

        利用躍阻抗諧振器(SIR)原理,運(yùn)用HFSS軟件對(duì)帶通腔體濾波器進(jìn)行建模和仿真,為以后的工程實(shí)踐提供技術(shù)支持。

        2.1 濾波器的具體指標(biāo)

        中心頻率: f0=780 MHz;通帶帶寬:Δf=40 MHz;通帶差損:S21≥-0.5 dB;駐波:S11≤-20 dB;帶外差損: 當(dāng) f0±60 MHz時(shí),S21≤-30 dB;體積:110×60×35 mm。

        2.2 設(shè)計(jì)說(shuō)明

        根據(jù)上面的技術(shù)指標(biāo)的要求,對(duì)于切比雪夫型濾波器,選擇級(jí)數(shù)n=4。為了進(jìn)一步壓縮腔體帶通濾波器的體積和方便調(diào)試,采用lg/4型SIR結(jié)構(gòu)和調(diào)諧銷釘相結(jié)合的諧振結(jié)構(gòu)。濾波器的設(shè)計(jì)中常見(jiàn)的耦合方式,如電容耦合、電感耦合、電磁耦合,選擇適合于小型化設(shè)計(jì)的電容耦合方式。諧振器間采用耦合窗和耦合銷釘?shù)姆绞?,便于生產(chǎn)調(diào)試。

        2.3 尺寸表

        仿真尺寸(加工實(shí)體依據(jù))如表1所示。

        2.4 建模及仿真

        2.4.1 3D模型

        運(yùn)用HFSS建立的3D模型如圖4(a)所示,加工實(shí)體如圖 4(b)所示。

        2.4.2 仿真結(jié)果

        濾波器的外部耦合采用一種以零相位方式接入的抽頭結(jié)構(gòu)。抽頭的位置可以通過(guò)HFSS仿真來(lái)確定:不斷的改變輸入輸出抽頭的位置、耦合孔的大小以及諧振器,以得到最好的駐波特性曲線。經(jīng)過(guò)反復(fù)的改變抽頭的位置,最終得到仿響應(yīng)及寬頻帶傳輸特性的仿真結(jié)果。

        表1 尺寸表Tab.1 Result of dimension

        圖4 濾波器的實(shí)體和模型Fig.4 Model and entity of filter

        3 測(cè)試及調(diào)試經(jīng)驗(yàn)

        真的頻響特性曲線,如圖5(a)和(b)所示為通帶附近的頻率

        3.1 實(shí)體及測(cè)試

        測(cè)試條件:地點(diǎn):電子科技大學(xué)通信學(xué)院RFIC實(shí)驗(yàn)室;使用的儀器:矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀(型號(hào)為Agilent N5230A)。

        最后通過(guò)調(diào)試得到的測(cè)試曲線如圖5所示。在圖6(a)中,可以看出,仿真結(jié)果和實(shí)際測(cè)試結(jié)果基本吻合,在3.5 GHz無(wú)雜散頻率,同時(shí)體積也壓縮了200%以上。

        3.2 波導(dǎo)腔體濾波器調(diào)試經(jīng)驗(yàn)

        1)通帶內(nèi)有功損耗的問(wèn)題

        圖5 濾波器的仿真結(jié)果Fig.5 Simulation result of filter

        圖6 濾波器的測(cè)試結(jié)果Fig.6 Test result of filter

        ①對(duì)窄帶濾波器,上下蓋板和側(cè)壁配合是否緊密是減少通帶內(nèi)有功損耗的關(guān)鍵;

        ②濾波器內(nèi)表面的光潔度對(duì)有功損耗也有明顯的影響;

        ③適當(dāng)調(diào)整諧振柱的長(zhǎng)度,使其剛好諧振,調(diào)諧螺釘螺紋進(jìn)入腔內(nèi)不要太深,以減少有功損耗,并減小溫度影響;

        ④耦合電感近乎插棒處是電流最強(qiáng)處,故必須焊接良好,且必須進(jìn)行清潔處理,以減小通帶內(nèi)的有功損耗。

        2)駐波的問(wèn)題

        制造出的濾波器如果發(fā)現(xiàn)駐波過(guò)大時(shí),可以適當(dāng)減小第一腔和最后一腔的SIR諧振結(jié)構(gòu)及諧振腔之間的耦合量,駐波將有所改善。

        3)其他問(wèn)題

        窄帶腔體濾波器,還必須采用調(diào)諧螺釘,否則濾波器中心頻率的準(zhǔn)確性無(wú)法保證;另外在耦合窗增加耦合螺釘,將使諧振腔之間的耦合增加。

        4 結(jié) 論

        結(jié)果表明,使用SIR技術(shù)設(shè)計(jì)的腔體帶通濾波器,有效的縮小了濾波器的體積,并且該結(jié)構(gòu)也便于生產(chǎn)和調(diào)試,另外,濾波器多方面的性能卻得到了提高,如通帶到阻帶下降陡峭度更高、帶外抑制性更好、寄生通帶更遠(yuǎn)等。同時(shí),也存在一些問(wèn)題:差損變差(可以通過(guò)提高腔體濾波器內(nèi)測(cè)表面的光潔度,并優(yōu)化表面的鍍層結(jié)構(gòu)得以彌補(bǔ))。

        可以看出,SIR技術(shù)可以廣泛應(yīng)用于濾波器的腔體結(jié)構(gòu)中,是實(shí)現(xiàn)腔體濾波器小型化的有效方法。

        [1]甘本祓.微波傳輸線設(shè)計(jì)手冊(cè)[M].北京:人民郵電出版社,1981.

        [2]甘本祓,吳萬(wàn)春.現(xiàn)代微波濾波器的結(jié)構(gòu)與設(shè)計(jì)[M].北京:科學(xué)出版社,1973.

        [3]Makimoto M,Yamashita S.Microwave Resonators and Filters for Wireless Communication[M].趙宏錦 譯.北京:國(guó)防工業(yè)出版社,2002.

        [4]Kuo J T,Shih E.Microstrip stepped impedance resonator bandpass filter with an extended optimal rejection bandwidth[J].IEEE Trans.On MTT,2003,51(5):1554-1560.

        [5]Sagawa M,Makimoto M,Yamashita S.Geometrical structure and fundamentalcharacteristics ofmicrowave steppedimpedance resonators[J].IEEE Trans.On MTT,1997,45(7):1078-1085.

        [6]Makimoto M,Yamashita S.Bandpass filters using parallelcoupled stripline stepped impedance resonators[J].IEEE Trans.On MTT,1980(28):1413-1417.

        [7]Huang C L,Yen P Y,Weng M H.Planar SIR microwave bandpass filter using high-permittivity ceramics[J].Microwave Opt.Technol.Lett,2000(26):410-413.

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