一種結構緊湊的腔體濾波器設計

四創電子股份有限公司 吳志鋒 張明松

隨著微波系統、衛星通信技術的不斷發展，微波濾波器逐漸成為研究的熱點。由于傳統的微帶濾波器無法承受發射機的高功率而且差損較大；聲表濾波器通帶較窄且延時較大。同軸腔體具有Q值高、易于調試、加工簡單等優點，特別適用于帶內差損小，帶外抑制高的場合。所以目前這種性能良好、價格低廉的腔體濾波器已經成為學者們研究的熱點。

1 總體設計

目標濾波器：（1）通帶頻段：5.25GHz～5.85GHz；（2）通帶差損≤0.8dB（加連接器）；（3）端口駐波≤1.3；（4）帶外抑制：≤-60dB＠2.7GHz～3.5GHz；≤-100dB＠10.5GHz～12GHz；（5）功率容量≥100W；（6）整體尺寸小于等于2.8mm×12mm×5.6mm。

腔體濾波器一般設計步驟如下：根據技術參數要求初步確定濾波器的類別，然后建立濾波器的結構并確定單腔尺寸，耦合結構和抽頭位置，從而實現全仿真建模，最終通過軟件調諧功能優化濾波器各個參數，實現。

1.1 單腔諧振頻率仿真

經優化設計仿真，可得腔體模型：單腔半徑R1=4.2mm，單腔高度h1=5.6mm，內圓柱半徑r_2=4mm，調諧螺釘選用標準M2螺絲，利用HFSS軟件在Eigenmode模式下，得出單諧振腔諧振頻率f0=5.54GHz滿足要求。

1.2 腔體間耦合系數的仿真

由CoupleFil求得耦合系數kij的大?。篕12=0.145；k23=0.1027；k34=0.1027；k45=0.145。

在HFSS中可以利用雙模法或Y參數法提取腔體間的耦合系數。本文利用本征模法，當兩個相鄰的諧振腔耦合在一起，并且諧振頻率分別為f1和f2，則相鄰腔耦合系數公式為：

因此，利用HFSS軟件建立雙腔耦合模型，在Eigenmode模式下，得到在不同階梯高度下對應的耦合系數，結果表明耦合臺階越高，耦合越強。最終由耦合系數K12和k23，可以確定h1分別為2mm和0.69mm。

1.3 有載品質因素的仿真提取

由微波工程理論得到群時延公式：

圖4 濾波器實測結果

通過表示群時延與頻率關系，得到公式：

通過CoupleFil軟件可知濾波器實物外品質因素Qs=5.18，對有載Q值參數進行優化、提取時，抽頭的直徑選取為1.2mm。將抽頭直徑和長度設為定值，改變抽頭的高度l6，隨著對抽頭高度不斷的優化仿真，最終確定l6=4.12mm。

1.4 整體仿真

通過以上仿真優化得到的數據進行整體仿真，仿真整體結構如圖1所示，軟件仿真結果如圖2所示，從仿真曲線可以看出，通帶損耗最大值為0.33dB（不帶電纜），通帶內駐波小于1.2，3.5GHz處帶外抑制為67.9dB，10.5GHz處帶外抑制為117.5dB，均滿足所有技術指標，最終也通過功率容量仿真，將端口激勵改為100W，腔內電場最高為1.04×10^6V/m，小于空氣擊穿電壓，滿足功率容量要求。

圖1 HFSS仿真模型

圖2 整體仿真結果

2 結果與討論

綜合以上設計及優化結果，最終加工出來的濾波器實物如圖3所示，腔體采用鋁加工，為了降低濾波器的插入損耗，腔體的內表面和蓋板采用鍍銀處理。輸入輸出連接器采用BMA-K連接器。在對濾波器進行調試時，首先蓋緊蓋板，然后通過調節諧振柱正上方的調諧螺桿進行調試，最終確認濾波器通帶特性范圍在5.25GHz～5.85GHz。實測結果曲線如圖4所示，從圖中可以看出，濾波器帶內駐波小于1.2，插入損耗小于0.8dB（帶連接器）。滿足指標要求，濾波器通帶與仿真結果吻合較好。

圖3 濾波器實物圖

結論：本文采用結構緊湊的腔體濾波器結構的設計思路，首先通過確認整體濾波器的尺寸、各個腔體的相對位置，再通過后期對螺旋桿的調試，最終調試出一款差損低、抑制高、結構緊湊的帶通濾波器，該方法設計濾波器大大優化了復雜、費時全腔體仿真的弊端，大大縮短設計時長，同時通過加工、調試，最終的實測結果與仿真結果基本吻合，具有廣泛的應用場合。