介质腔体滤波器设计[]

1、目次1引言 11.1介质谐振器的发展和应用 11.2 介质滤波器的特点及应用 31.3 本文的主要研究内容 32介质腔体滤波器的理论设计 42.1 滤波器基本原理 42.2介质腔体滤波器的线路设计 82.3介质腔体滤波器的微波实现 103腔体介质滤波器的仿真设计 153.1 An soft HFSS 软件介绍 153.2 腔体介质滤波器的工作原理 173.3腔体介质滤波器的仿真过程 174 腔体介质滤波器的生产与调试 204.1介质谐振器与截止波导的生产 204.2滤波器的调试 225 滤波器的测试结果及分析 22结论 25致谢 26参考文献 271引言1.1介质谐振器的发展和应用微波介质谐振

2、器是国际上70年代出现的新技术之一。1939年，R. D. Richtmyes 就提出非金属介质体具有和金属谐振腔类似的功能，并把它称为介质谐振腔。但是直 到六十年代末才开始使用到微波电路中。国内七十年代就有人研究，八十年代初报导 了有关研究成果。介质谐振器是用低损耗、高介电常数的介质材料做成的谐振器，已广泛应用于 多种微波元器件中。它具有如下特点：体积小，由于材料的介电常数高，可使介质 谐振器的体积小至空腔波导或轴谐振器的1/10以下，便于实现电路小型化； Qo值高，高0.1-30GHZ范围内，Qo可达103-104;基本上无频率限制，可以适用到毫米 波（高于100GHz）;谐振频率的温度稳

3、定性好。因此，介质谐振器在混合微波集成 电路中得以广泛的应用。目前，介质谐振器已用于微波集成电路中作带通和带阻滤波 器中的谐振元件、慢波结构、振荡器的稳频腔、鉴频器的标准腔等。在微波集成电路中，介质谐振器的形状通常为矩形、圆柱形和圆环形。介质谐 振器的谐振频率与振荡模式、谐振器所用的材料及尺寸等因素有关。分析这个问题的方法早期是用磁壁模型法，即将介质谐振器的边界看成磁壁来分析，这种方法的误差 较大，达10%。现在较为精确的分析方法有变分法、介质波导模型法（开波导法） 混合磁壁法等，误差可小于1%。人们已对常用的介质谐振器的谐振频率做了计算， 对于给定了介电常数和尺寸的介质谐振器，可以直接从有关

4、曲线图中求得其谐振频 率。对于介电常数为38的394材料做的圆柱形介质谐振器，它的频率与尺寸间的关 系公式如下：D.57- D 3.88f。、r 丄(D/L = 2 2.5)(1.1)其中D为谐振器的外径，L为谐振器高度， r为谐振器的介电常数，f0为谐 振器的谐振频率。对介质谐振器材料的要求是介电常数 r高、损耗正切tans小、频率温度系数n f小。孤立介质谐振器的无载 Q0值取决于介质材料的Q值。对于相对介电常数为100左右或者更高的介质谐振器，其无载 Q0值可用下式近似估算:Q0(1.2)但实际应用的介质谐振器都是放在波导中或微带基片上的，由于金属板上将产 生传导电流引起导体损耗，所以介

5、质谐振器的 Q0 值将降低。 本设计需要将谐振器放 在支架上，支架的高度对谐振器频率有一定的影响，支架升高，频率相对减小；另一 方面由于支架的增高，使得谐振器与波导顶的距离减小，同时谐振器频率又会有所升 高，因此我们在选择谐振器和支架时，要综合考虑这些因素的影响，从而得出比较接 近的值，后面将介绍由这些因素的影响而得出的计算谐振器频率的公式。12 介质滤波器的特点及应用介质谐振器滤波器是微波滤波器电路技术的一个新发展，它可以满足微波滤波 器尺寸小、低插损但能集成的电路要求。虽然微波毫米波滤波器的研究具有悠久的历 史，但是传统的设计和实现高品质的技术，如利用传统金属波导或利用微带线的滤波 器实现

6、技术，不是造价昂贵就是很难达到所要求的技术指标。要实现高质量的移动通信，控制干扰信号进行通信信道十分关键，一方面要控 制通信信道外的干扰对通信道的影响。另一方面，在同一通信系统内还要控制通信通 道内的相互干扰。为了达到此目的， 在移动通信基站中就要设置高质量的微波滤波器。 不管通信体制是时分制还是频分制，这种微波滤波器都是必不可少的。本文介绍的介质腔滤波器，应用于移动码分地球站和 8 路数字微波接力机中。 由于卫星地球需要同时接收通信信号和信标，为此还研制了介质腔分频器。在6GH z,7GHz,8GH等频段中实现的带通滤波器实测性能与美国 AE TECH Micowave公 司 1983 年报

7、导的数据相当。移动码分地球站收发信号系统用微带混合集成电路，除 高功率用行波外，全机场效应管化。其中 4GHz予选器和6GHz上变频输出滤波器采用 介质谐振腔带通滤波器。在 8路数字微波接力机中，微波信道机全机场效应管化，采 用微带混合集成电路，介质谐振腔稳频振荡器作本振源，前、后予选滤波器用介质腔 带通滤波器。初步实现了微波机的集成化、小型化。 而采用介质谐振器组成的腔体滤波器具有比较明显的优势，首先单个谐振器具有较高的频率和Q值，因此具有良好的性能；另外它采用的是电磁耦合的方式，适用 于微波通讯、雷达、电子对抗、军事、航空航天等领域，是一种新型的，有发展前途 的器件。13 本文的主要研究内

8、容介质腔体带通滤波器是一种窄带高性能滤波器，具有带内低插耗，带外高抑制等优点。在1%-0.5 %或更窄带宽均可实现，带内插损可在1dB左右，带外抑制大于 60dB,带内起伏可达土 0.25dB，般第一个寄生通带高出工作通带中心频率的 20%左 右，与理论值基本一致。本文介绍的介质谐振器滤波器要求：中心频率为 5.5GHz,带宽为25MHz插入 损耗为2dB,通带波动0.5dB,驻波比1.5。就此滤波器的理论可行性和实际生产而言 是没有问题的，但是由于考虑到实际生产中谐振器频率的问题，现将设计指标定为中 心频率为6GHz其它参数不变。与其它滤波器相比，此滤波器应用于较大功率和对阻带衰减（即矩形系

9、数）要 求较高的场合，具有比较明显的优势，但由于其设计具有方法的特殊性，要突破原有 设计经验的束缚，并总结出此种滤波器的设计规律，将理论和生产实际有机地结合起 来，这也作为此滤波器设计的主要目的。介质谐振器带通滤波器使用至今，其主要结构还是两种：一种是微带型；另一 种是截止波导型。由于微带型损耗较大，一般对于频率高于 8 GHZ的微波带通滤波器 都不使用它,而采用插损较小的截止型带通滤波器。截止型滤波器的设计由于受很多因素的影响,如介质谐振器的介电常数和其尺 寸、垫衬材料及其厚度、滤波器外壳尺寸等。另外理论也不完善。因而很难达到统一 的最佳形式。本文从理论上对此种滤波器做一些基本的描述,并通过

10、设想与前人总结的一些理论计算，及ANSOF软件的精确仿真，总结出此种滤波器的一些设计规律和方法。2 介质腔体滤波器的理论设计21 滤波器基本原理理想的滤波器应该是这样的一种二端口网络：在通带内它能使微波信号完全传 输，而在阻带内它使微波信号完全不能传输。然而我们只能设计一个尽可能接近理想 滤波器特性的滤波器。与其他微波器件一样，对于微波滤波器同样也有两类问题需要 研究，一是分析， 二是综合。 已知滤波器的电路结构和元件参数， 计算它的工作特性， 这属于分析问题；与此相反，从预定的工作特性出发，确定滤波器的电路结构和元件 数值，这一过程则属于综合问题。在实际工作中遇得较多的是综合问题。滤波器的综

11、合设计一般包括四个环节：根据系统要求确定滤波器的工作特性， 选择适当的描述上述工作特性的逼近函数的数学表达式， 确定滤波器的集总参数的网 络结构，选择合适的微波结构予以实现。下面将详细介绍滤波器设计的一般流程。滤波器设计一般流程一般的滤波器都可以看做是一个二端口网络，按照微波系统的要求，可以确定滤波器的工作特性。工程上习惯于用插入衰减 L来描述滤波器的工作特性。L定义为 当网络输出端口接匹配负载时，网络输入端口的入射功率 Pi与负载所得到的功率Pl 之比，常用对数表示为P1L=10lg! =10lg2 ( dB)(2.1)PlS21按照滤波器插入衰减的频率特性不同，一般将滤波器的工作特性分为四

12、类：低通、高通、带通和带阻。本论文的指标为一带通滤波器。对于一个微波滤波器有下列几项主要技术指标：1、通带载止频率和通带最大插入衰减；2、阻带边界频率和阻带最小插入衰减；3、寄生通带；4、插入相移和时延频率特性所谓插入相移是信号通过滤波器后所引入的滞后相位，即网络散射参数S21的相 角；：21，它是频率的函数，；：21随着CD的变化曲线即为滤波器的插入相移频率特性。对于不同类型的滤波器，我们并不需要一一自始至终地进行综合设计，简单的 方法是将低通原型滤波器分析清楚，然后利用频率变换将低通、高通、带通、带阻滤 波器变换成低通原型来综合设计。在工程上只能用一些函数去尽量逼近理想的衰减特性。常用的逼

13、近函数有三种： 最平坦函数、切比雪夫多项式和椭圆函数。这三种逼近函数分别形成低通原型滤波器 的三种衰减频率特性，而与之对应的滤波器分别称为最平坦式滤波器、切比雪夫式滤 波器和椭圆函数式滤波器。这三种逼近函数所形成的衰减频率特性各有特点，其中最 平坦式的特性表现为插入衰减 L随频率的增加而单调增大，但L随频率的增加的速率 比较缓慢，即由通带过渡到阻带的频带比较宽，这是它的不足之处。切比雪夫式的特 性表现为通带内衰减量有等起伏变化， 通带外衰减量L单调增大，与最平坦式的特性 相比，其过渡带较窄，即由通带过渡到阻带比较陡。椭圆函数式的特性表现为无论是 在通带内还是在通带外，衰减量L都有起伏变化，它的

14、过渡带更窄，其带外衰减的上 升斜率在三种滤波器中为最大，但由于其电路结构复杂，元件数目多，因而不及前两 种滤波器用得普遍。当逼近函数选定后，运用数学运算可得出由电感和电容等集总参数元件所构成 的梯形网络结构。如何将滤波器的梯形网络结构在微波工程中具体实现是微波滤波器不同于低通 滤波器的关键问题。在微波工程中，研究的是分布参数电路，据工作频段及功率容量 的不同要求选择不同的微波传输线形式，确定它们的形状和尺寸，用它们具有的分布 参数去替代上述梯形网络中的集总参数。图1滤波器设计流程图由低通原型滤波器到耦合谐振腔滤波器的变换低通原型滤波器是设计各种微波滤波器的基础。所谓低通原型滤波器，是实际 的低

15、通滤波器的频率对通带截止频率归一化，各元件阻抗对信源内阻归一化后的滤波 器。在此就应用最为广泛并为本设计所应用的切比雪夫式滤波器的设计过程进行讨 论。切比雪夫式低通原型衰减频率特性的表达式为：L =10lg1 TfCjldB)(2.2)L与及Q的关系即为等波纹式低通滤波器插入衰减频率特性图(如下图)(b)等波纹式低通滤波器插入衰减频率特性图 N=3(b)N=2由图2可知，其特点是通带内L的零点个数等于N。当N为奇数时曲线过原点, 当N为偶数时则不过原点。据切比雪夫多项式在自变量不同值域内具有不同形式的特点，可写出通带和阻 带内的插入衰减表示式分别为2L =10lg1 亠 * cos (N ar

16、ccos)1(2.3a)L =10lg1；cosh2(Narccos) Q 1(2.3b)在截止频率处，1, TrCO =1,因而LP =10lg(1 ；)(2.4)当Lp给定后，常数&可按下式计算Lp:=1010 -1(2.5)阻带内的最小插入衰减为Ls =10lg1；cosh2(Nar coshs)(2.6)当&、Q s确定后便可由给定的Ls确定元件数目N，为Ls(2.7)ar cosh(1010 -1)/ 名ar cosh 门 s反之，如果给定、Q s及N亦可计算出Ls的值腔体耦合滤波器的电路模型N个腔体构成的腔体滤波器的等效电路如图所示， 其中L、C的R分别表示电感、电容和电阻，路方程

17、：I表示电流回路。应用基尔霍夫电压定律，我们可以得到等效电路的回jj Lj1 - j 丄12：2_ j LIN i - es(2.8)-j LNli - j LN2i2 -Rnj Lnj Cn其中Lij=Lji表示两个谐振器之间的互感,es为电压源值。如果电路中所有的谐振器是相同的，即L=Li=L2= Ln 与 C=Ci =C2=Cn,并且在工作频率附近和窄带的条件下可以认为3 / W 0心1,则上式可表示为:1乙 I - 0L FBW其中 o =ir. lcqe1- jk21-ikNi一 jk!2-jkN2滤波器相对带宽0Lqe-FBW匚丽。Lj1- jk1N-jk2NqeNFBW =2 一

18、 1 , p = j(2.9)j L21i 1 + j C0L2 + 卜一一j国 L2n i n = 0 I jg丿2.2介质腔体滤波器的线路设计由前面对滤波器基本原理及设计流程的阐述，下面我们根据以上的基本原理来 设计此滤波器。介质腔体滤波器规格的定义此滤波器要求实现以下指标：中心频率为6GHz带宽为25MHz插入损耗为2dB,通带波动0.5dB，驻波比1.5，在f。土 50MHz处衰减不小于70dB。这属于滤波器设计的综合问题在确定了滤波器的工作特性之后，要选择滤波器的逼近函数，前面对滤波器的 逼近函数已作了简单的介绍，由于最平坦式滤波器不能满足以上指标的要求，而椭圆 函数式滤波器实现又较

19、为困难，因此选用切比雪夫式滤波器作为此滤波器的逼近函 数。222滤波器级数的确定前面对滤波器逼近函数的选择及由低通原型滤波器到带通滤波器的设计已有简 单的介绍，下面通过低通原型来确定滤波器的节数：在确定滤波器的节数时，我们可以通过理论计算和查图表法来完成： 我们要求中心频率为 6GHz带宽25MHz通带波动0.5dB，阻带在fo50MHz处 衰减不小于70dB。首先通过频率变换计算出归一化频率为：001 国国0，C、门=(-)(-)(2.10)2 - 1OW 0式中，W 二 2 一 1 = 0.416 %为相对带宽。计算可得 Q 1 = -4.0168，Q 2 = 3.98347。 因002，

20、故用Q 2来确定No由此可通过查切比雪夫式低通原型滤波器阻带衰减频率特性图(见附录)得N= 5;也可通过下面的计算得出介质腔体滤波器的节数，具体计算如下：Lp由式(2.5)，可得；=1010 -1 = 0.122 ;由式(2.7)，当&、Q确定后便可由给定的Ls确定元件数目NarCOSh (10101)/； = 4.761158，因此选 N- 5 来进行仿真。 ar cosh1 1但由于用5级谐振腔滤波器进行仿真时，阻带不能满足指标的要求，在进行多次 仿真处理后，N=6能满足指标的要求。滤波器的网络结构在滤波器级数确定之后，由理论计算或查表法可以得出由电感和电容等集总元 件构成的梯形网络结构，

21、其梯形网络如图3所示：在此我们通过查表法来确定通带波动为0.5dB的归一化元件值为：g0=1 ；g1=1.7254; g2=1.2479; g3=2.6064; g4=1.3137; g5=2.4758; g6=0.8696; g7=1.9841o由Lk_ gk_ W .0，人WCk0gk(k=1,3,5-)C；二giLW(i=2,4,6河得W / i-0gkL；二11nH ， C1=0.064 pF , L2 :53=8.85 10 nH ， C2 = 8.67 10pF,L3=18nH，53C3 =0.042pF,L4 =8.41 10 nH, C4=9.12 10 pF,L5=17 nH

22、, C5=0.045pF,L6 =1.27 10* nH , C6 =6.04 103 pF , l7 =13.7 nH , C； =0.056pF.2.3介质腔体滤波器的微波实现介质腔体滤波器的结构图4 介质腔体滤波器的基本结构图图4是介质腔滤波器的典型结构。这种结构的滤波器计算简单，性能良好，是一种很实用的微波带通滤波器。介质腔与探针电路装在封闭的金属盒内，金属屏蔽盒 不仅有防止外界电磁干扰的作用，它与微带电路基片一起构成一段部分填充介质的截 止波导，适当地选择屏蔽盒截面尺寸，使其截止频率远高于滤波器的通带频率，则介 质谐振器与通常空腔谐振器一样，能够有选择地传递所需信号频率的能量。传至介质 谐振器附近的信号，假如其频率与介质的 TEois模谐振频率不一样，介质谐振器不被 激励，同时又由于屏蔽盒的截止波导作用，信号能量不能通过，这样就构成了滤波器 的阻带。当其频率与介质腔TEoi模的谐振频率相同时，滤波器输出端的介质腔被激 励，此时介质腔等效于一个磁耦极子发生耦合，从而进行能量传递，信号能量经介质 腔一个传至一个直至最后一个，再通过微带输出结构，构成滤波器的通带