一种结构紧凑的腔体滤波器设计

四创电子股份有限公司 吴志锋 张明松

随着微波系统、卫星通信技术的不断发展，微波滤波器逐渐成为研究的热点。由于传统的微带滤波器无法承受发射机的高功率而且差损较大；声表滤波器通带较窄且延时较大。同轴腔体具有Q值高、易于调试、加工简单等优点，特别适用于带内差损小，带外抑制高的场合。所以目前这种性能良好、价格低廉的腔体滤波器已经成为学者们研究的热点。

1 总体设计

目标滤波器：（1）通带频段：5.25GHz～5.85GHz；（2）通带差损≤0.8dB（加连接器）；（3）端口驻波≤1.3；（4）带外抑制：≤-60dB＠2.7GHz～3.5GHz；≤-100dB＠10.5GHz～12GHz；（5）功率容量≥100W；（6）整体尺寸小于等于2.8mm×12mm×5.6mm。

腔体滤波器一般设计步骤如下：根据技术参数要求初步确定滤波器的类别，然后建立滤波器的结构并确定单腔尺寸，耦合结构和抽头位置，从而实现全仿真建模，最终通过软件调谐功能优化滤波器各个参数，实现。

1.1 单腔谐振频率仿真

经优化设计仿真，可得腔体模型：单腔半径R1=4.2mm，单腔高度h1=5.6mm，内圆柱半径r_2=4mm，调谐螺钉选用标准M2螺丝，利用HFSS软件在Eigenmode模式下，得出单谐振腔谐振频率f0=5.54GHz满足要求。

1.2 腔体间耦合系数的仿真

由CoupleFil求得耦合系数kij的大小：K12=0.145；k23=0.1027；k34=0.1027；k45=0.145。

在HFSS中可以利用双模法或Y参数法提取腔体间的耦合系数。本文利用本征模法，当两个相邻的谐振腔耦合在一起，并且谐振频率分别为f1和f2，则相邻腔耦合系数公式为：

因此，利用HFSS软件建立双腔耦合模型，在Eigenmode模式下，得到在不同阶梯高度下对应的耦合系数，结果表明耦合台阶越高，耦合越强。最终由耦合系数K12和k23，可以确定h1分别为2mm和0.69mm。

1.3 有载品质因素的仿真提取

由微波工程理论得到群时延公式：

图4 滤波器实测结果

通过表示群时延与频率关系，得到公式：

通过CoupleFil软件可知滤波器实物外品质因素Qs=5.18，对有载Q值参数进行优化、提取时，抽头的直径选取为1.2mm。将抽头直径和长度设为定值，改变抽头的高度l6，随着对抽头高度不断的优化仿真，最终确定l6=4.12mm。

1.4 整体仿真

通过以上仿真优化得到的数据进行整体仿真，仿真整体结构如图1所示，软件仿真结果如图2所示，从仿真曲线可以看出，通带损耗最大值为0.33dB（不带电缆），通带内驻波小于1.2，3.5GHz处带外抑制为67.9dB，10.5GHz处带外抑制为117.5dB，均满足所有技术指标，最终也通过功率容量仿真，将端口激励改为100W，腔内电场最高为1.04×10^6V/m，小于空气击穿电压，满足功率容量要求。

图1 HFSS仿真模型

图2 整体仿真结果

2 结果与讨论

综合以上设计及优化结果，最终加工出来的滤波器实物如图3所示，腔体采用铝加工，为了降低滤波器的插入损耗，腔体的内表面和盖板采用镀银处理。输入输出连接器采用BMA-K连接器。在对滤波器进行调试时，首先盖紧盖板，然后通过调节谐振柱正上方的调谐螺杆进行调试，最终确认滤波器通带特性范围在5.25GHz～5.85GHz。实测结果曲线如图4所示，从图中可以看出，滤波器带内驻波小于1.2，插入损耗小于0.8dB（带连接器）。满足指标要求，滤波器通带与仿真结果吻合较好。

图3 滤波器实物图

结论：本文采用结构紧凑的腔体滤波器结构的设计思路，首先通过确认整体滤波器的尺寸、各个腔体的相对位置，再通过后期对螺旋杆的调试，最终调试出一款差损低、抑制高、结构紧凑的带通滤波器，该方法设计滤波器大大优化了复杂、费时全腔体仿真的弊端，大大缩短设计时长，同时通过加工、调试，最终的实测结果与仿真结果基本吻合，具有广泛的应用场合。