怎么来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？

  ,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,同时最大限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,有很广泛的实用性.

  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加快速度进行发展.我们大家都知道,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,从而能够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有很高的品质因素Q,滤波器的一个很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.

  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个感叉耦合和一个容叉耦合.

  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:

  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:

  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做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.

  我们能够正常的使用电路仿真软件Genesys对滤波器的电路模型进行仿线.并将上面所得到的耦合系数带入模型来优化仿真,得到优化后的曲线的数据能得出其结果绝大多数都是一致的.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.

  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AppC

  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.并对整体模型来优化仿真,得到的曲线能够准确的看出,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能够获得更优的插入损耗.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.

  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,根据上面仿线dB@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加多的时间,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.

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