一种大功率管状同轴带通滤波器的设计

2018-07-10张韶华王胜福李宏军

数字通信世界 2018年6期

张韶华，王胜福，李宏军

（中国电子科技集团公司第十三研究所，石家庄 050051）

随着射频微波系统的发展，对小型化、大功率滤波器的需求越来越迫切。管状同轴带通滤波器，由于其结构特殊和复杂，对设计提出了很高的要求。国内外相关文献[1]对此类滤波器的报道较少。本文介绍的管状同轴带通滤波器，采用分布参数与集总参数相结合，使用仿真软件进行优化，得到最终的产品结构。

1 电路设计

滤波器指标要求如下：通带为 955MHz～1225MHz，插入损耗小于0.5dB，驻波比小于1.5：1，2GHz抑制度大于80dBc，功率容量500W，体积小于57×Ф13mm。

该产品特点：插损小、抑制度高、功率容量大。采用5阶设计，能够满足抑制度的要求，而且有一定的指标余量。由于滤波器带内插损受其Q值的影响，而该类滤波器的Q值主要是受电感Q值的限制，电感绕线直径影响电感线圈的Q值，而增大绕线直径能提高电感的Q值，于是采用大直径电感绕线来设计滤波器中的串联电感，同时对内部元件和外部圆管进行镀银处理，提高Q值，降低插损[2]。

1.1 集总参数电路设计

根据滤波器电路结构理论[3]，集总LC带通滤波器的原型电路，可以通过K变换器得到如下图1所示的优化电路：

图1 优化后的管状电路

1.2 对应的同轴结构电路设计

1.2.1 电感的实现

该滤波器的电感值相对较大，很难用分布参数实现，故采用集总参数结构实现。在同轴腔内，电感量的计算利用螺旋同轴传输线的模型来计算。

螺旋线单位长度电感为

其中Z0为特性阻抗

式中，n=1/τ，τ为螺距；V为电磁波传播速度；εr为相对介电常数[4][5]。

根据电路仿真的结果和公式（1）（2），可以得出集总参数电感元件的初始尺寸。

1.2.2 电容的实现

1.2.2.1 并联电容的实现

同轴腔中的低阻抗对地分布电容由两部分组成，即C=C0+Cf，分别为低阻抗线的分布电容和特性阻抗的边缘电容。

根据静态电磁场理论，可以得到同轴线单位长度的静态电容为

式中，a1为内导体直径；b为外导体直径；εr为介质的相对介电常数。

1.2.2.2 串联电容的实现

带通结构中的串联电容采用平行板结构实现，即两端低阻抗传输线的端面相对电容，公式如下：

式中，S为平行板电容的面积；d为间距；εr为介质的相对介电常数[6]。

1.2.3 滤波器结构的实现

根据上述方法，将集总元件转换为半集总半分布参数元件，为电感采用集总同轴螺旋传输线元件，电容采用低阻抗同轴传输线，得到整个管状同轴带通滤波器的内部结构。用相关软件对各元件进行了仿真优化分析，得到优化后的物理尺寸。

1.3 功率仿真

大功率的微波滤波器，首先要考虑功率容量问题，功率容量由强电场对介质的击穿来确定，其次插入损耗和电压驻波比要很小。

500W的功率输入到滤波器时，输出功率为466.99W，其中滤波器本身的损耗为27.71W，输入端反射为5.3W。滤波器的功率损耗较小，不会引起器件过热等问题。另外，滤波器整个内部结构中的最大电压、电流以及功率数值，电流值都很小，电压值相对较大，最大为489.3V。当电容缝隙尺寸为0.3mm时，其最大场强为1.631×106V/m，小于空气的击穿场强3×106V/m和绝缘介质材料的击穿场强30×106V/m，所以只要电容缝隙尺寸不小于0.3mm，就不会出现击穿现象。

功率容量大小与电容元件大小、所采用的介质隔离材料特性以及电容缝隙尺寸有关系。本文考虑产品尺寸、功率容量等多个因素，得到产品的最终内部尺寸，见表1。