一种宽阻带窄带腔体滤波器的设计

2020-03-12李瑞涛杨青慧张怀武

压电与声光 2020年1期

李瑞涛，杨青慧，张怀武

(电子科技大学电子薄膜与集成器件国家重点实验室，四川成都 610054)

0 引言

微波滤波器在微波和通信系统中起频率选择的作用，在阻带内提供衰减特性，以抑制系统杂散和谐波输出[1]。腔体滤波器因其插入损耗小，功率容量大，结构坚固等优势，更是广泛应用于通信雷达等多种领域。近年来，随着微波技术的发展，在对高次谐波及远端杂散的抑制方面均有更高的要求。传统腔体滤波器由于其结构特点，往往会在中心频率的二次或三次谐波处产生明显的寄生通带，远端抑制能力差，影响滤波器的带外抑制能力和系统工作[2]。因此，研究具有宽阻带特性的带通滤波器对于微波和通信系统的发展具有重要意义。

1 滤波器的设计原理

1.1 切比雪夫滤波器

具有切比雪夫响应的滤波器通带内纹波幅度相等，边沿陡峭，广泛应用于各类场合。切比雪夫滤波器传输函数为

(1)

式中：Ω为滤波器归一化角频率；ε为滤波器通带的纹波系数；Tn(Ω)为n阶切比雪夫函数[3]。

根据切比雪夫低通原型滤波器衰减特性函数，可计算出耦合系数、外部品质因数等理论值[4]。当滤波器的各项参数仿真值满足理论计算值时，即可得到具有切比雪夫响应的带通滤波器。

1.2 寄生通带抑制

微波滤波器通常由各个谐振单元组合而成。由于微波电路具有周期性，谐振单元在基本频率整数倍的频点附近会产生谐振，因此，构成的微波滤波器也会在其高次模附近产生寄生通带[5]。

抑制寄生通带的方法有多种。梳状腔体滤波器由平行排列的谐振柱及其与接地腔体的等效并联电容构成，通常滤波器在中心频率的三次和五次谐波处产生寄生通带。如果将滤波器耦合结构改为十字横杆耦合(见图1)，使得谐振柱开路端面到横杆连接点的距离为寄生通带频率的1/4波长或其奇数倍；同时，短路端面到连接点的距离为寄生通带频率的1/2波长或其整数倍，则寄生通带信号在连接点处为电压驻波的零点，所以信号流经这里被短路。当忽略谐振柱间的直接耦合时，寄生通带可以在理论上得到有效抑制[6]。但是，若直接采用图1(b)所示结构，则十字横杆间距将过近，导致加工难；若采用横杆上下错开再靠近重叠的方式耦合，则不能很好地抑制三次和五次谐波。因此，需要在此基础上进一步改进设计。

图1 梳状结构和十字横杆结构示意图

2 宽阻带窄带滤波器设计

基于十字横杆结构可以在理论上有效抑制寄生通带，但存在横杆间距过近，加工难以实现等问题。因此，针对背景技术的缺陷，设计了带哑铃型横杆的梳状滤波器结构，结构示意图如图2所示。

图2 带有哑铃型横杆的梳状排列结构

由于哑铃型横杆增加了谐振柱之间的耦合面积，从而增大了相邻谐振柱之间的耦合电容，故在满足相同耦合度的条件下，增大了谐振柱间距。此外，由于谐振柱间距的进一步增大，谐振柱除哑铃型横杆外的耦合作用几乎可忽略，从而进一步提高了对寄生通带的抑制效果。因此，基于此结构可以在保证微波性能的同时，满足加工工艺的要求。

另一方面，由于哑铃型横杆位于同一高度上，所以，基于此结构只能抑制通频带最近的寄生通带，而无法抑制更多寄生通带。考虑到增加谐振单元的加载电容可以在减小滤波器体积的同时，将滤波器的寄生通带向高频移动[7]，因此，利用电容加载原理，将滤波器寄生通带向高频远端移动，再利用哑铃型横杆抑制寄生通带，从而使阻带扩展到更宽范围而不出现寄生通带，实现宽阻带带通腔体滤波器。

图3为滤波器谐振单元结构，带有哑铃型横杆的谐振柱和上方的调谐螺钉构成基本谐振结构。谐振柱前、后的两个长方体金属块位于腔体侧壁上，由于哑铃型横杆对金属块呈半包围结构，可以显著增加谐振单元的加载电容。因此，基于此结构进行设计，即可实现宽阻带带通腔体滤波器。

图3 带通滤波器谐振单元结构

3 滤波器设计实例

3.1 滤波器指标和参数计算

根据第2节所述的设计思路，设计仿真中心频率为2.45 GHz、带宽为4.08%的带通腔体滤波器，仿真结果要求通带内插入损耗小于1 dB，回波损耗大于20 dB，带外在4.9 GHz、7.35 GHz处的抑制大于70 dB。

计算滤波器耦合系数、外部品质因数(Qe)等理论值有多种方式，其中，利用Couplefil软件可计算出基于切比雪夫结构的平行耦合带通滤波器的各个谐振单元间的耦合带宽(CBW)、Qe等参数[8-9]。设计滤波器为七阶，回波损耗设为25 dB，可得到滤波器的Qe=20.472 1，CBW1,2=CBW6,7=0.092 2 GHz；CBW2,3=CBW5,6=0.063 1 GHz；CBW3,4=CBW4,5=0.058 5 GHz。

3.2 滤波器CST建模仿真

通过三维电磁场仿真软件CST，可以完成滤波器的建模和仿真。滤波器的仿真过程包括单腔仿真、双腔仿真、带有激励端口仿真及整体仿真。通过改变模型尺寸参数，使各项仿真结果逼近理论计算值，从而设计出具有切比雪夫相应的带通滤波器。单腔仿真模型如图4(a)所示。

图4 带通滤波器各模块仿真模型

在单腔仿真中，改变谐振柱高度等参数，使谐振频率为通带中心频率，同时调节加载电容块大小，使谐振器的高次模向高频移动。通过仿真可得空气腔尺寸为6 mm×10 mm×24 mm，谐振柱高为21.7 mm，加载电容金属块尺寸为2 mm×1 mm×9 mm，此时谐振频率为2.45 GHz，高次模谐振频率为10.21 GHz，远离通带中心频率。

由图4(b)可知，通过改变谐振柱间距，即哑铃型横杆间的间隙宽度，可以调节CBW，使仿真结果和理论计算值接近。带有激励端口仿真如图4(c)所示。设计同轴端口内、外径阻抗为50 Ω，通过调节端口高度和谐振柱高度，使谐振频率为通带中心频率，同时使Qe接近理论计算值。

整体仿真模型如图5所示。优化除哑铃型横杆高度外的各个尺寸参数，使通频带的插入损耗和驻波基本满足仿真指标要求，如图6所示。由图可知，由于引入了加载电容结构，在中心频率的四次谐波前阻带平坦，带外抑制高，已具有宽阻带的特性，但在10.15 GHz左右存在明显寄生通带。