一種寬阻帶窄帶腔體濾波器的設計

李瑞濤，楊青慧，張懷武

(電子科技大學 電子薄膜與集成器件國家重點實驗室，四川 成都 610054)

0 引言

微波濾波器在微波和通信系統(tǒng)中起頻率選擇的作用，在阻帶內提供衰減特性，以抑制系統(tǒng)雜散和諧波輸出[1]。腔體濾波器因其插入損耗小，功率容量大，結構堅固等優(yōu)勢，更是廣泛應用于通信雷達等多種領域。近年來，隨著微波技術的發(fā)展，在對高次諧波及遠端雜散的抑制方面均有更高的要求。傳統(tǒng)腔體濾波器由于其結構特點，往往會在中心頻率的二次或三次諧波處產生明顯的寄生通帶，遠端抑制能力差，影響濾波器的帶外抑制能力和系統(tǒng)工作[2]。因此，研究具有寬阻帶特性的帶通濾波器對于微波和通信系統(tǒng)的發(fā)展具有重要意義。

1 濾波器的設計原理

1.1 切比雪夫濾波器

具有切比雪夫響應的濾波器通帶內紋波幅度相等，邊沿陡峭，廣泛應用于各類場合。切比雪夫濾波器傳輸函數為

(1)

式中：Ω為濾波器歸一化角頻率；ε為濾波器通帶的紋波系數；Tn(Ω)為n階切比雪夫函數[3]。

根據切比雪夫低通原型濾波器衰減特性函數，可計算出耦合系數、外部品質因數等理論值[4]。當濾波器的各項參數仿真值滿足理論計算值時，即可得到具有切比雪夫響應的帶通濾波器。

1.2 寄生通帶抑制

微波濾波器通常由各個諧振單元組合而成。由于微波電路具有周期性，諧振單元在基本頻率整數倍的頻點附近會產生諧振，因此，構成的微波濾波器也會在其高次模附近產生寄生通帶[5]。

抑制寄生通帶的方法有多種。梳狀腔體濾波器由平行排列的諧振柱及其與接地腔體的等效并聯(lián)電容構成，通常濾波器在中心頻率的三次和五次諧波處產生寄生通帶。如果將濾波器耦合結構改為十字橫桿耦合(見圖1)，使得諧振柱開路端面到橫桿連接點的距離為寄生通帶頻率的1/4波長或其奇數倍；同時，短路端面到連接點的距離為寄生通帶頻率的1/2波長或其整數倍，則寄生通帶信號在連接點處為電壓駐波的零點，所以信號流經這里被短路。當忽略諧振柱間的直接耦合時，寄生通帶可以在理論上得到有效抑制[6]。但是，若直接采用圖1(b)所示結構，則十字橫桿間距將過近，導致加工難；若采用橫桿上下錯開再靠近重疊的方式耦合，則不能很好地抑制三次和五次諧波。因此，需要在此基礎上進一步改進設計。

圖1 梳狀結構和十字橫桿結構示意圖

2 寬阻帶窄帶濾波器設計

基于十字橫桿結構可以在理論上有效抑制寄生通帶，但存在橫桿間距過近，加工難以實現等問題。因此，針對背景技術的缺陷，設計了帶啞鈴型橫桿的梳狀濾波器結構，結構示意圖如圖2所示。

圖2 帶有啞鈴型橫桿的梳狀排列結構

由于啞鈴型橫桿增加了諧振柱之間的耦合面積，從而增大了相鄰諧振柱之間的耦合電容，故在滿足相同耦合度的條件下，增大了諧振柱間距。此外，由于諧振柱間距的進一步增大，諧振柱除啞鈴型橫桿外的耦合作用幾乎可忽略，從而進一步提高了對寄生通帶的抑制效果。因此，基于此結構可以在保證微波性能的同時，滿足加工工藝的要求。

另一方面，由于啞鈴型橫桿位于同一高度上，所以，基于此結構只能抑制通頻帶最近的寄生通帶，而無法抑制更多寄生通帶。考慮到增加諧振單元的加載電容可以在減小濾波器體積的同時，將濾波器的寄生通帶向高頻移動[7]，因此，利用電容加載原理，將濾波器寄生通帶向高頻遠端移動，再利用啞鈴型橫桿抑制寄生通帶，從而使阻帶擴展到更寬范圍而不出現寄生通帶，實現寬阻帶帶通腔體濾波器。

圖3為濾波器諧振單元結構，帶有啞鈴型橫桿的諧振柱和上方的調諧螺釘構成基本諧振結構。諧振柱前、后的兩個長方體金屬塊位于腔體側壁上，由于啞鈴型橫桿對金屬塊呈半包圍結構，可以顯著增加諧振單元的加載電容。因此，基于此結構進行設計，即可實現寬阻帶帶通腔體濾波器。

圖3 帶通濾波器諧振單元結構

3 濾波器設計實例

3.1 濾波器指標和參數計算

根據第2節(jié)所述的設計思路，設計仿真中心頻率為2.45 GHz、帶寬為4.08%的帶通腔體濾波器，仿真結果要求通帶內插入損耗小于1 dB，回波損耗大于20 dB，帶外在4.9 GHz、7.35 GHz處的抑制大于70 dB。

計算濾波器耦合系數、外部品質因數(Qe)等理論值有多種方式，其中，利用Couplefil軟件可計算出基于切比雪夫結構的平行耦合帶通濾波器的各個諧振單元間的耦合帶寬(CBW)、Qe等參數[8-9]。設計濾波器為七階，回波損耗設為25 dB，可得到濾波器的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 濾波器CST建模仿真

通過三維電磁場仿真軟件CST，可以完成濾波器的建模和仿真。濾波器的仿真過程包括單腔仿真、雙腔仿真、帶有激勵端口仿真及整體仿真。通過改變模型尺寸參數，使各項仿真結果逼近理論計算值，從而設計出具有切比雪夫相應的帶通濾波器。單腔仿真模型如圖4(a)所示。

圖4 帶通濾波器各模塊仿真模型

在單腔仿真中，改變諧振柱高度等參數，使諧振頻率為通帶中心頻率，同時調節(jié)加載電容塊大小，使諧振器的高次模向高頻移動。通過仿真可得空氣腔尺寸為6 mm×10 mm×24 mm，諧振柱高為21.7 mm，加載電容金屬塊尺寸為2 mm×1 mm×9 mm，此時諧振頻率為2.45 GHz，高次模諧振頻率為10.21 GHz，遠離通帶中心頻率。

由圖4(b)可知，通過改變諧振柱間距，即啞鈴型橫桿間的間隙寬度，可以調節(jié)CBW，使仿真結果和理論計算值接近。帶有激勵端口仿真如圖4(c)所示。設計同軸端口內、外徑阻抗為50 Ω，通過調節(jié)端口高度和諧振柱高度，使諧振頻率為通帶中心頻率，同時使Qe接近理論計算值。

整體仿真模型如圖5所示。優(yōu)化除啞鈴型橫桿高度外的各個尺寸參數，使通頻帶的插入損耗和駐波基本滿足仿真指標要求，如圖6所示。由圖可知，由于引入了加載電容結構，在中心頻率的四次諧波前阻帶平坦，帶外抑制高，已具有寬阻帶的特性，但在10.15 GHz左右存在明顯寄生通帶。

圖5 帶通濾波器整體仿真模型

圖6 濾波器未抑制寄生通帶仿真結果

為了抑制距離通帶位置最近的寄生通帶，需要對啞鈴型橫桿的高度進行調整優(yōu)化，從而在橫桿連接點處形成該頻率的傳輸零點，達到對寄生通帶的抑制效果。優(yōu)化后的仿真結果如圖7所示。

圖7 濾波器抑制寄生通帶仿真結果

由圖7可知，10.15 GHz處的寄生通帶得到了明顯抑制，S21<-80 dB。通帶中心頻率的五次諧波位置達到了80 dB以上的抑制。通帶內回波損耗達到20 dB，插入損耗小于1 dB，帶外抑制高，阻帶范圍寬，實現了寬阻帶帶通濾波器的仿真設計。

4 結束語

本文介紹了一種寬阻帶窄帶帶通濾波器的設計仿真方法。通過模型設計、參數計算和建模仿真等過程，實現了一個中心頻率為2.45 GHz，帶寬為4.08%的帶通腔體濾波器。仿真結果顯示，濾波器通帶性能好，阻帶范圍寬，符合預期指標設計，滿足設計需求。