李玉峰,劉 裕,梁明珅

(沈陽航空航天大學(xué) 電子信息工程學(xué)院,遼寧 沈陽 110136)

0 引言

隨著對高速無線通信需求的加劇,各種信道越來越寬,同時(shí)頻段的劃分也越來越細(xì),而作為劃分信道的關(guān)鍵器件,濾波器的性能要求也越來越高。腔體濾波器是一種被廣泛應(yīng)用的頻率選擇硬件,其具有高品質(zhì)因數(shù)(Q)值、高功率容量及低損耗等優(yōu)秀性能,在通信、雷達(dá)及導(dǎo)航等領(lǐng)域獲得了廣泛的應(yīng)用場景[1-4]。

本文利用HFSS軟件設(shè)計(jì)了一種新式抽頭結(jié)構(gòu),此結(jié)構(gòu)能夠滿足超寬帶濾波器對極低外部品質(zhì)因數(shù)(Qe)的需求,并在設(shè)計(jì)了此結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上使用此結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)出了一款通帶為10.2～16.7 GHz的超寬帶腔體濾波器,并進(jìn)行測試,驗(yàn)證了相關(guān)結(jié)論。

1 濾波器設(shè)計(jì)方案

本文設(shè)計(jì)中要求通帶范圍為10.2～16.7 GHz,換算為相對帶寬為49.8%,最大電壓駐波比(VSWR)小于1.8,說明可有一定的通帶紋波,所以本文選擇采用切比雪夫低通原型濾波器進(jìn)行設(shè)計(jì)[5]。

設(shè)計(jì)利用CoupleFil軟件進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)參數(shù)提取,利用HFSS軟件進(jìn)行腔體模型仿真驗(yàn)證,利用計(jì)算機(jī)數(shù)字控制機(jī)床(CNC)精雕和線切割加工制作了濾波器的零件。

2 單腔諧振器設(shè)計(jì)

腔體濾波器一般由多個(gè)諧振器互相耦合而成,本文對其中使用的諧振器進(jìn)行設(shè)計(jì)。

各種不同形式的諧振器功能基本相同,均可視為LC諧振回路,在通路中并聯(lián)1個(gè)LC并聯(lián)諧振回路,相當(dāng)于創(chuàng)造了1個(gè)傳輸極點(diǎn),所以一般調(diào)諧完成的腔體濾波器通帶內(nèi)傳輸極點(diǎn)的個(gè)數(shù)與濾波器的階數(shù)相同。

單腔仿真的設(shè)計(jì)重點(diǎn)為腔體尺寸和諧振器結(jié)構(gòu),是由諧振頻率和耦合系數(shù)的實(shí)現(xiàn)難度決定。該濾波器的中心頻率為13.05 GHz,因此腔體的體積較小,但由于濾波器的相對帶寬較寬,導(dǎo)致對耦合系數(shù)的要求較高,所以腔體中必須有諧振柱來集中電場,以提高耦合強(qiáng)度。

圖1為本文設(shè)計(jì)的諧振腔模型及其等效電路。本文濾波器采用左右兩塊蓋板及中間的交指腔體組成,故單腔模型為長方體,其中的諧振柱是方形的,如果采用圓形諧振柱,則無法使用CNC精雕加工。腔體左右留出空間是為了后期方便焊接探針。通常諧振柱高度為中心頻率波長的60°～70°電長度,由于13.05 GHz電磁波的全波長約為23 mm,故此設(shè)置諧振柱高度為4 mm。

圖1 諧振腔模型與其等效電路

圖2為單腔仿真模型參數(shù)。圖中,L、W、H分別為腔體長、寬、高,Lr、Wr、Hr分別為諧振器長、寬、高,Rt為調(diào)諧螺釘半徑,Ht為調(diào)諧螺釘高。表1為單腔模型參數(shù)。由圖2、表1可以看出,調(diào)諧螺釘采用M1.6規(guī)格。對模型中調(diào)諧螺釘長度進(jìn)行參數(shù)掃描(見圖3),從0～0.8 mm,每0.05 mm取一個(gè)掃描點(diǎn)。

表1 單腔模型參數(shù)

圖3 調(diào)諧螺釘長度的參數(shù)掃描結(jié)果

由圖3可知,當(dāng)諧振腔的諧振頻率為13.05 GHz時(shí),調(diào)諧螺釘長度剛好在可調(diào)范圍的中間;當(dāng)調(diào)諧螺釘伸長時(shí),由于諧振柱頂端與調(diào)諧螺釘間電容增大,腔體的諧振頻率快速降低。

3 腔間耦合設(shè)計(jì)

首先需要確定濾波器級數(shù)。腔體階數(shù)為[5]

(1)

式中:LAs、LAr分別為阻帶衰減和通帶紋波;Ωs為低通原型阻帶邊界。設(shè)計(jì)中,Ls在帶外的9 GHz處有50 dB的阻帶衰減,而回波損耗RL及LAr為

(2)

LAr=-10log(1-100.1RL)

(3)

設(shè)計(jì)中,需求的駐波比(VSWR)為1.8,由式(2)可得對應(yīng)的回波損耗RL≈10.88 dB。但若取RL=10.88 dB,則后期設(shè)計(jì)將無任何誤差空間,難以實(shí)現(xiàn),故取RL=20 dB。

根據(jù)項(xiàng)目需求,濾波器需在39 GHz處阻帶衰減達(dá)到85 dB,則取LAs=85 dB,Ωs為

(4)

式中:fr為阻帶帶邊頻率;f0為通帶中心頻率;BW為相對帶寬。

設(shè)計(jì)中,fr=9 GHz,f0=13.05 GHz,BW=49.8%,將其代入式(1)可得n≥8.87,即至少需要9階濾波器才能滿足需求,為了留出余量,同時(shí)使其成為對稱結(jié)構(gòu),本文設(shè)計(jì)采用11階低通原型。

使用CoupleFil軟件進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)參數(shù)提取,如圖4所示。表 2為目標(biāo)網(wǎng)絡(luò)參數(shù)mi,j。

圖4 CoupleFil仿真理想S參數(shù)曲線

由表2可以看出,整個(gè)濾波器的耦合系數(shù)是對稱的,mi,j與對應(yīng)耦合系數(shù)ki,j間的關(guān)系為

表2 目標(biāo)網(wǎng)絡(luò)參數(shù)

ki,j=mi,j·BW

(5)

由式(5)計(jì)算可得k1,2=k10,11=0.403 5,k2,3=k9,10=0.289 7,k3,4=k8,9=0.269 9,k4,5=k7,8=0.263 4,k5,6=k6,7=0.261 2。與窄帶濾波器的耦合系數(shù)相比,超寬帶濾波器的耦合系數(shù)較大,說明寬帶濾波器所需腔間耦合強(qiáng)度更高。

圖5為腔間耦合模型及其等效電路。用HFSS軟件直接仿真得出耦合模型兩個(gè)模式的諧振頻率f1、f2,通過f1、f2可計(jì)算出此模型實(shí)際的耦合系數(shù)[5-6]為

(6)

設(shè)參數(shù)D為2.2～3.6 mm,每0.2 mm取1個(gè)掃描點(diǎn),可得耦合系數(shù)與D的關(guān)系如圖6所示。由圖可初步得出D分別為2.35 mm、2.83 mm、2.94 mm、2.98 mm和2.99 mm。

圖6 耦合系數(shù)與D參數(shù)的關(guān)系

4 抽頭設(shè)計(jì)

超寬帶濾波器的設(shè)計(jì)難點(diǎn)是抽頭,因?yàn)槌轭^結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)主要是為了實(shí)現(xiàn)所需的外部品質(zhì)因數(shù)Qe值。從低通原型提取Qe、ki,j為

(6)

由式(6)可看出,Qe、ki,j都反映了某種耦合關(guān)系,ki,j對應(yīng)腔間耦合,那么Qe則對應(yīng)了輸入與第一階腔體間的耦合,且ki,j越大,表示腔間耦合越大;Qe越小,表明抽頭耦合越大。

前文已求出Qe的理想值為2.07,所以在抽頭仿真時(shí)模型的Qe≈2.07。而Qe=2.07表明抽頭耦合相當(dāng)大,所以這里需要對抽頭結(jié)構(gòu)進(jìn)行設(shè)計(jì),以提高耦合,設(shè)計(jì)出新式抽頭結(jié)構(gòu)如圖7所示。圖中,l、w、h分別為方塊長、寬、高。

圖7 新式抽頭結(jié)構(gòu)

提高耦合電容比提高耦合電感簡單。由圖7可知,金屬方塊的加入使進(jìn)線與金屬方塊底部產(chǎn)生了較大的電容,此電容可根據(jù)金屬方塊的大小進(jìn)行改變,利用此電容提高進(jìn)線與第一階腔體的耦合,實(shí)現(xiàn)降低模型Qe的效果。

此模型將抽頭探針放在較高位置,其原因:

1) 新式抽頭結(jié)構(gòu)與傳統(tǒng)抽頭結(jié)構(gòu)均在探針較高時(shí)擁有較小的Q值,如果開始將抽頭設(shè)置得較高,則調(diào)整金屬方塊時(shí)可節(jié)省大量時(shí)間。

2) 在探針下方空出較大空間,能為探針的焊接帶來便利。

對金屬方塊的長、寬、高進(jìn)行參數(shù)掃描得到Qe與方塊高、寬及長的關(guān)系如圖8～10所示。

圖8 Qe與金屬方塊高度的關(guān)系

圖9 Qe與金屬方塊寬度的關(guān)系

圖10 Qe與金屬方塊長度的關(guān)系

由圖8～10可以看出,金屬方塊的體積越大,對Qe的影響越大。仿真實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明,金屬方塊的加入,增大了耦合電容,且金屬方塊越大,增加的耦合電容越大,從而降低了Qe。新式抽頭結(jié)構(gòu)能輕松實(shí)現(xiàn)Qe=2.07。

5 完整濾波器仿真

經(jīng)過對濾波器的單腔結(jié)構(gòu)、雙腔耦合結(jié)構(gòu)及輸入輸出結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)后,將3部分結(jié)合起來,得出完整腔體模型如圖11所示。

圖11 完整濾波器模型

進(jìn)線是50 Ω同軸線,內(nèi)外導(dǎo)體間采用特氟龍材質(zhì),可以使探針與腔體入口絕緣,直接連接到諧振柱。諧振柱頂部是M1.6調(diào)諧螺釘,可以通過調(diào)整調(diào)諧螺釘長度,優(yōu)化仿真結(jié)果。經(jīng)過優(yōu)化可得S參數(shù)和駐波比仿真結(jié)果,如圖12所示。經(jīng)測試,模型的通帶回波損耗大于15 dB,駐波比小于1.7,滿足工程需求。

圖12 S參數(shù)和駐波比仿真結(jié)果

6 濾波器實(shí)物制作

在上述腔體外側(cè)加上金屬框架,打上螺紋孔即可加工出濾波器零件實(shí)物如圖13所示。將其進(jìn)行組裝,可得濾波器樣品成品,如圖14所示。

圖13 濾波器零件實(shí)物

圖14 濾波器樣品成品

通過網(wǎng)絡(luò)分析儀對其進(jìn)行調(diào)整與測量,可得樣品測量結(jié)果,如圖15所示。由圖可看出,通帶內(nèi)插入損耗不大于0.9 dB,在通帶內(nèi)回波損耗大于12 dB,電壓駐波比小于1.7。

圖15 樣品測量結(jié)果

7 結(jié)束語

本文闡述了微波濾波器的理論依據(jù),提出了一款能夠?qū)崿F(xiàn)極低Qe的新式抽頭結(jié)構(gòu),并依據(jù)理論設(shè)計(jì)了一款超寬帶腔體濾波器。在HFSS仿真中,濾波器模型在10.2～16.7 GHz通帶內(nèi),回波損耗大于15 dB。通過實(shí)物檢測,測得其回波損耗約為12 dB,駐波比小于1.7,完成了超寬帶濾波器的設(shè)計(jì),驗(yàn)證了新式抽頭的可行性。