具有介质腔与金属腔体混合的新型带通滤波器的设计

2015-02-27陈其豪封建华

中国计量大学学报 2015年3期

关键词：谐振腔谐振器曲线图

陈其豪,封建华,叶强

(1.中国计量学院信息工程学院,浙江杭州 310018; 2.杭州紫光网络技术有限公司,浙江杭州 310052)

具有介质腔与金属腔体混合的新型带通滤波器的设计

陈其豪1,封建华2,叶强1

(1.中国计量学院信息工程学院,浙江杭州 310018; 2.杭州紫光网络技术有限公司,浙江杭州 310052)

设计了一种新型的滤波器,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.通过仿真软件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.

交叉耦合;介质谐振腔;滤波器设计

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,同时最大程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,具有非常广泛的实用性.

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快速发展.我们知道,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,从而可以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具有非常高的品质因素Q,滤波器的一个非常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.

1 滤波器设计分析

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个感性交叉耦合和一个容性交叉耦合.

表1 滤波器设计指标

1.1 拓扑结构和耦合矩阵的建立

由基尔霍夫定理,我们可以写出各个谐振腔之间的回路方程

(1)

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:

(2)

(3)

(4)

(5)

(6)

S11=1-2R1i1=1+2jR1[Z-1].

(7)

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进行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.

表2 耦合矩阵

同时我们可以得出滤波器的节数为9节,滤波器有载品质因素Q为41.1.其拓扑结构如图1.其中,第2个腔体为介质谐振腔,同时整个滤波器的第1和第3腔,第5和第7以及第7和第9是感性交叉耦合,第4和第7是容性交叉耦合.各腔体耦合系数:K12=0.802 74,K23=0.574 17,K13=-0.141 82,K34=0.548 78,K45=0.513 11,K47=0.171 14,K56=0.193 21,K57=0.440 8,K67=0.273 98,K78=0.554 49,K79=0.222 4,K89=0.784 25.

图1 拓扑结构Figure 1 Topological structure

根据该软件得出滤波器的曲线图如图2.其中红线代表S11,蓝线代表S21,从图中我们可以看出,滤波器的通带为1 830～1 875 MHz,回波损耗达到了-20 dB,3 dB差损达到了1.3 dB,同时滤波器的带外抑制为110 dB@1 780 MHz,65 dB@

1 880～1 920 MHz,90 dB@1 920 MHz,都达到了指标要求.因此可将耦合系数用于下面的电路设计中.

图2 由couplefile得出的曲线图Figure 2 Graph of couplefile

1.2 电路设计分析

我们可以使用电路仿真软件Genesys对滤波器的电路模型进行仿真设计.电路图如图3.并将上面所得到的耦合系数带入模型进行优化仿真,得到优化后的曲线如图4所示.通过对比图2和图4的数据可以得出其结果基本上是一致的.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.

图3 滤波器电路模型Figure 3 Circuit model of filter

图4 滤波器电路模型的S曲线图Figure 4 S parameters of circuit model of filter

1.3 滤波器尺寸确定

图5 滤波器整体模型Figure 5 Model of the filter

图6 滤波器优化曲线图Figure 6 Optimization result of filter

2 结语

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,根据上面仿真所得(130dB@1 780MHz,>50dB@1 880～1 920MHz,130dB@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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Design of a new type of band-pass of metal-dielectric resonant filters

CHEN Qihao1, FENG Jianhua2, YE Qiang1

(1. College of Information Engineering, China Jiliang University, Hangzhou 310018, China;2. Hangzhou Jointcom Communication Technology Co. Ltd, Hangzhou 310052, China)

A new type of filters with a structure mixed with medium cavity and metal cavity was designed based on the traditional cavity filter. This kind of hybrid structure carries the advantages of a high dielectric constant, a small frequency temperature coefficient, a highQvalue from medium cavity, and is easy to debug, stable in structure, small in size and so on. In order to get a better restraint outside of the band,more transmission zeros were added to the filter. The circuit model of the filter was simulated with Genesys. The single cavity and the double cavities of the filter were simulated with HFSS to determine the size of the filter. The simulations were basically the same and proved the feasibility of the design.

cross-coupled; dielectric resonator; filter design