伍昆倫，補(bǔ)世榮，陳 柳

(電子科技大學(xué)光電信息學(xué)院，成都610054)

隨著現(xiàn)代移動(dòng)通信和衛(wèi)星通信的迅速發(fā)展，頻率資源變得越來越緊缺。為了滿足日益增長(zhǎng)的通信需求，要求頻率資源能夠在有限的頻譜范圍內(nèi)劃分更多的頻段給不同的運(yùn)營(yíng)商，因此，各頻道間的間隔就非常的小［1-3］，而且，對(duì)特定設(shè)備(機(jī)載和星載)的體積和重量也有嚴(yán)格的要求。因此，現(xiàn)代濾波器要求在不降低濾波器性能的同時(shí)，又必須減小濾波器的體積和重量。

微波濾波器一般采用的結(jié)構(gòu)主要有波導(dǎo)、同軸線、微帶線、微機(jī)械結(jié)構(gòu)等。早期制作的微波濾波器主要為介質(zhì)濾波器［4］，它按照波型模式要求制作成圓柱、圓環(huán)等各種形狀，但其耦合方式比較復(fù)雜［5］。后期常用的常規(guī)波導(dǎo)濾波器雖然具有高Q值、低損耗、大功率容量等優(yōu)點(diǎn)，但是在微波的低頻端，由于常規(guī)波導(dǎo)濾波器必須工作在截止頻率以上，以致尺寸過大，例如，在4 GHz時(shí)，需用BJ-48型波導(dǎo)管，其外截面的尺寸是 50.55 mm×25.15 mm［6］，無法滿足現(xiàn)代通信系統(tǒng)小型化的需求。本文提出的截止波導(dǎo)帶通濾波器，不僅尺寸小，加工容易，調(diào)諧簡(jiǎn)單，且可以同時(shí)滿足高性能指標(biāo)的要求。

1 基本設(shè)計(jì)理論

對(duì)于截止波導(dǎo)濾波器，為了導(dǎo)出可實(shí)現(xiàn)的微波場(chǎng)結(jié)構(gòu)，需要用到集總參數(shù)等效電路的設(shè)計(jì)方法［7-8］。其設(shè)計(jì)思路是根據(jù)濾波器的電氣性能指標(biāo)，選用相應(yīng)的濾波器原型電路，計(jì)算出原型電路中各個(gè)LC元件的值，然后通過電路變換得到實(shí)際所需要的濾波器的尺寸結(jié)構(gòu)及其元件的數(shù)值［9］。在截止波導(dǎo)中，選擇一個(gè)合適長(zhǎng)度，將只存在TE10模，此即為凋落模式。在這種情況下，一個(gè)簡(jiǎn)單的傳輸線等效電路圖如圖1(a)所示，在無損條件下，其特征阻抗為［6］:

這里:

其中傳播常數(shù)為:

當(dāng)信號(hào)頻率低于截止頻率時(shí)，一段長(zhǎng)為l的波導(dǎo)可以等效為π型電感網(wǎng)絡(luò)，如圖1(b)所示。其中λ為自由空間波長(zhǎng)，λc為截止波長(zhǎng)，a為波導(dǎo)寬邊長(zhǎng)度，b為波導(dǎo)窄邊長(zhǎng)度。

如果在波導(dǎo)寬邊旋入螺釘，即相當(dāng)于并聯(lián)一個(gè)電容到地，與π型電感網(wǎng)絡(luò)的一支到地電感形成一個(gè)并聯(lián)到地的諧振器，其等效電路如圖1(c)所示。值得注意的是，在集總參數(shù)電路中，由感抗和頻率的關(guān)系可知，當(dāng)頻率無限大時(shí)感抗為一個(gè)極點(diǎn)，而在截止模式中，在截止頻率處出現(xiàn)感抗的極點(diǎn)。因此，在截止模中，感抗對(duì)頻率的斜率要比集總參數(shù)中感抗對(duì)頻率的斜率大，這就需要考慮一個(gè)校正因子，以便把截止模的感抗轉(zhuǎn)換成集總參數(shù)的感抗。對(duì)于校正因子及其他參數(shù)的計(jì)算在文獻(xiàn)［10］中已有論述，這里不在詳述。故可以看出，截止波導(dǎo)帶通濾波器實(shí)際為一內(nèi)部耦合為電感耦合的濾波器，而且該耦合電感的Q值，較同參數(shù)的電容耦合式帶通濾波器的耦合電容的Q值要高出許多，這也就意味著，該類濾波器的Q值損失主要集中在電容上。

圖1 圖(a)與圖(b)為截止波導(dǎo)的等效電路，圖(c)為截止波導(dǎo)的集總參數(shù)等效電路

在濾波器的設(shè)計(jì)中，輸入輸出的耦合激勵(lì)方式也相當(dāng)重要的。常用的耦合裝置有和同軸傳輸線連接時(shí)的耦合環(huán)、探針，和波導(dǎo)系統(tǒng)連接的耦合孔、耦合縫［11］等。在濾波器中，當(dāng)輸入激勵(lì)信號(hào)的頻率偏離濾波器中諧振器的諧振頻率時(shí)，諧振器不諧振，輸入信號(hào)將被截止波導(dǎo)所衰減，此時(shí)輸出端將沒有信號(hào)耦合出來，這就是截止波導(dǎo)濾波器的阻帶;當(dāng)濾波器的輸入激勵(lì)信號(hào)的頻率等于或接近于濾波器中諧振器的諧振頻率時(shí)，輸入信號(hào)就通過耦合結(jié)構(gòu)激發(fā)臨近的諧振器，以使信號(hào)能量經(jīng)一個(gè)諧振器傳至下一個(gè)直至最后一個(gè)，最終通過輸出耦合機(jī)構(gòu)將信號(hào)輸出，這即為濾波器的通帶［12］。所以為了使濾波器有最佳性能，耦合裝置的放置位置和實(shí)現(xiàn)方式應(yīng)使耦合裝置輻射的電場(chǎng)或磁場(chǎng)和諧振腔工作模式的電磁場(chǎng)相一致，且應(yīng)適當(dāng)調(diào)整耦合的強(qiáng)弱，使激勵(lì)信號(hào)的頻率與濾波器中諧振器的諧振頻率相一致。

2 設(shè)計(jì)步驟

2.1 低通原型的設(shè)計(jì)

由所要求的帶通濾波器的基本參數(shù)通過頻率變換，轉(zhuǎn)換為低通濾波器原型，并通過查表確定歸一化低通濾波器原型的數(shù)值。假設(shè)ω1和ω2表示帶通濾波器通帶的邊界，則低通相應(yīng)可用下面的頻率變換得到［7］:

根據(jù)已有的數(shù)據(jù)查表可得低通原型的歸一化數(shù)值:g0，g1，g2，…gN+1

2.2 計(jì)算各節(jié)波導(dǎo)的基本參數(shù)

根據(jù)傳播常數(shù)γ和低通原型數(shù)值g0，g1，g2，…，gN+1，并結(jié)合所選波導(dǎo)的基本參數(shù)以及以下的基本公式［10］來確定截止波導(dǎo)濾波器各節(jié)的長(zhǎng)度。

2.3 電路的仿真和優(yōu)化

根據(jù)選定的波導(dǎo)(已知的a邊和b邊)以及計(jì)算出的各節(jié)波導(dǎo)的基本長(zhǎng)度，在μWave中搭建濾波器的基本電路。通常由理論值得到的仿真與我們所要求的結(jié)果有一定的差距，這就需要對(duì)電路進(jìn)行優(yōu)化。可以利用μWave中的優(yōu)化器進(jìn)行優(yōu)化以達(dá)到期望的目標(biāo)。

3 設(shè)計(jì)實(shí)例

濾波器基本指標(biāo) 中心頻率為f0=3.65 GHz，帶寬30 MHz，在偏離中心頻率100 MHz處衰減不小于45 dB，通帶波紋0.01 dB，輸入輸出特性阻抗均為50 Ω。

為了盡可能的小型化，這里波導(dǎo)的外截面尺寸定為:a=7.5 mm，b=11 mm。根據(jù)設(shè)計(jì)的指標(biāo)及式(4)，選用n=4的切比雪夫?yàn)V波器低通原型，查表求得低通的原型值為:

由式(3)和式(4)可得:

將所計(jì)算的結(jié)果導(dǎo)入μWave中，設(shè)定S參數(shù)掃描，并設(shè)定優(yōu)化目標(biāo)。圖2為μWave中得電路原理圖，圖4(a)為其對(duì)應(yīng)的三維視圖。

圖2 截止波導(dǎo)帶通濾波器的仿真結(jié)構(gòu)圖

圖3 截止波導(dǎo)帶通濾波器的優(yōu)化參數(shù)的設(shè)置

μWave主要采用模式匹配法進(jìn)行電路計(jì)算，它將一個(gè)3D微波無源結(jié)構(gòu)分解成為各個(gè)不連續(xù)的子塊，原理中的每個(gè)子塊都與三維圖中的一塊相互對(duì)應(yīng)，如圖2和圖4所示。將每個(gè)單元的S參量矩陣級(jí)聯(lián)起來就構(gòu)成了整個(gè)微波無源結(jié)構(gòu)的S參量矩陣。

圖4

本文輸入輸出耦合采用的是耦合環(huán)結(jié)構(gòu)，其耦合量比較弱，為了彌補(bǔ)耦合量的不足，需要適當(dāng)?shù)臏p小l0和l4，并且考慮機(jī)械加工精度的實(shí)際情況，最終的優(yōu)化后的S參數(shù)如圖4(b)所示，優(yōu)化后截止波導(dǎo)各節(jié)長(zhǎng)度變?yōu)?

因此內(nèi)腔的整體尺寸為39.5 mm×11 mm×6 mm，如圖4(a)所示。考慮到腔壁的厚度，實(shí)際加工整體尺寸為42 mm×11 mm×7.5 mm。

4 截止波導(dǎo)濾波器的制作調(diào)試及測(cè)試

根據(jù)前面優(yōu)化仿真的結(jié)果，這里實(shí)際制作一個(gè)小型化的四階截止波導(dǎo)濾波器，如圖5所示。為了提高濾波器的Q值和焊接方便，整個(gè)濾波器腔體采用了鍍銀工藝。它采用蓋板和螺釘深度調(diào)諧。濾波器有四個(gè)諧振腔，每個(gè)諧振器有一顆調(diào)諧螺釘(共4顆)，用于調(diào)節(jié)諧振頻率;諧振器與諧振器之間也各有一顆調(diào)諧螺釘(共3顆)，用于調(diào)節(jié)耦合的強(qiáng)弱。

圖5 截止波導(dǎo)帶通濾波器的加工實(shí)物圖

圖6為該濾波器的實(shí)測(cè)曲線，測(cè)量?jī)x器為Agilent N5230A矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀。從圖中可以看出，實(shí)測(cè)曲線與仿真曲線存在一定的差異，這主要是由于μWave軟件采用模式匹配法，忽略了Q值的計(jì)算，還有實(shí)際手工調(diào)諧也會(huì)造成一定的影響。但是它滿足了設(shè)計(jì)要求，在偏離中心頻率100 MHz處，抑制達(dá)到了45 dB，帶內(nèi)反射小于-22 dB，帶寬為30 MHz(約 1%)，而體積僅為:42 mm×11 mm×7.5 mm。這種結(jié)構(gòu)的帶通濾波器具有超窄帶、小型化、高抑制度的良好性能。

圖6 截止波導(dǎo)帶通濾波器的實(shí)測(cè)結(jié)果

5 結(jié)論

本文利用現(xiàn)代濾波器設(shè)計(jì)理論，結(jié)合等效電路的設(shè)計(jì)方法，成功的設(shè)計(jì)中心頻率為3.65 GHz，帶寬為30 MHz的小型化、超窄帶截止波導(dǎo)濾波器。從測(cè)試結(jié)果看，該濾波器性能良好，完全符合設(shè)計(jì)要求。

從本文的設(shè)計(jì)可以看出，截止波導(dǎo)濾波器不但有高的Q值，而且在低頻時(shí)大大縮小了濾波器的體積。這種濾波器可以在現(xiàn)代通信系統(tǒng)中得到推廣，不但能提高整機(jī)的性能，還能滿足其小型化的需求。

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