一種基于階躍阻抗波導(dǎo)帶通濾波器的設(shè)計(jì)

摘要：利用階躍阻抗諧振器(SIR)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)波導(dǎo)帶通濾波器。該方法減小體積，又可以將雜散諧振頻率向高端推移，從而增加阻帶寬度，使得結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)獲得很大的自由。最后，利用電磁場仿真軟件對結(jié)構(gòu)尺寸進(jìn)行優(yōu)化仿真，并實(shí)際制作一個(gè)中心頻率為780 MHz(通帶差損小于0．7 dB)的SIR帶通濾波器。實(shí)測結(jié)果和仿真結(jié)果吻合良好，達(dá)到預(yù)計(jì)指標(biāo)參數(shù)。該濾波器具有體積小，結(jié)構(gòu)簡單易于加工等優(yōu)點(diǎn)。
關(guān)鍵詞：躍阻抗諧振器(SIR)；波導(dǎo)；帶通濾波器；壓縮體積

    微波帶通濾波器作為無線電通信和雷達(dá)系統(tǒng)中的關(guān)鍵無源器件，目前被廣泛的研究?，F(xiàn)在應(yīng)用非常普遍的有波導(dǎo)濾波器、同軸濾波器、帶狀線濾波器和微帶濾波器等等。帶狀線濾波器具有小的尺寸、通過光刻技術(shù)易于加工、與其它有源電路元件易于集成等優(yōu)點(diǎn)，在射頻和微波電路中常被使用。但是，當(dāng)要求濾波器能夠承受高功率、低插損、高抑制、窄帶寬時(shí)，腔體濾波器是最好的選擇。但腔體濾波器件最大缺
點(diǎn)是——尺寸明顯比其他可應(yīng)用在微波波段的濾波器大。因此緊湊型波導(dǎo)濾波器就成為微波技術(shù)領(lǐng)域的一個(gè)經(jīng)典而又十分活躍的研究課題。
    M．Makimoto和S．Yamashita證實(shí)：SIR在不減小無載Q值的情況下可縮短諧振器的長度。作者正是利用階躍阻抗諧振器(SIR)原理，實(shí)現(xiàn)腔體帶通濾波器體積的壓縮，并且雜散諧振頻率被移開。

1 階躍阻抗諧振器的原理
    所謂階躍阻抗諧振器(SIR)，是指由2個(gè)以上具有不同特征阻抗的傳輸線組合而成的橫向電磁場或準(zhǔn)橫向電磁場模式的諧振器。SIR的3種基本結(jié)構(gòu)，如圖1(a)、(b)和(c)所示，它們分別對應(yīng)的是lg／4型、lg／2型和lg型?；镜腟IR結(jié)構(gòu)的共同單元是，都包括開路端、短路端和它們之間的阻抗階躍結(jié)合面。他們分別看成由1個(gè)、2個(gè)和4個(gè)這樣的基本單元所組成。在圖2所示的SIR基本單元結(jié)構(gòu)中，傳輸線短路端和開路端之間的特征阻抗和等效電長度分別對應(yīng)為Z1、Z2和q1、q2。首先定義阻抗比Rz=Z2／Z1，隨后，通過Rz系統(tǒng)的討論了SIR的一些基本特性，比如：諧振條件、諧振器長度、雜散諧振頻率以及等效電路。

1．1 諧振條件
    Z2-Z1tanq1tanq2=0      (1)
    可以看出，SIR的諧振條件取決于q1、q2和阻抗比Rz，與均勻阻抗諧振器(UIR)的諧振條件相比，SIR設(shè)計(jì)的自由度將變大。
1．2 諧振器長度
    SIR開路端與短路端之間的總電長度為qTA，即
   
   
    由推導(dǎo)可知，q1=q2是一個(gè)特殊條件，它給出了SIR的極大或極小的長度，以后的設(shè)計(jì)都主要基于這一條件。由此可知，理論上可以用過采用較小的Rz值來無限地縮短SIR諧振器的長度，但是SIR長度被限定于對應(yīng)UIR長度的兩倍。
1．3 雜散諧振頻率
    設(shè)基本諧振頻率為f0，lg／4型、lg／2型和lg型SIR相應(yīng)的最低雜散諧振頻率分別為fSA、fSB和fSC，對應(yīng)的電長度分別為qSA、qSB和qSC。假定SIR結(jié)構(gòu)滿足q1=q2=q0，并且忽略諧振器傳輸線的阻抗階躍結(jié)合面，主導(dǎo)諧振模式為TEM模。
   
    由上面的公式可得：要盡使得雜散頻率遠(yuǎn)離基本諧振頻率，優(yōu)化設(shè)計(jì)中應(yīng)取小的Rz值，相應(yīng)的可以減小諧振器的長度。
1．4 等效電路
    在諧振狀態(tài)下，SIR可以近似等效，等效電路如圖3所示。lg／4型、lg／2型和lg型的磁化率斜率為bSA0、bSB0，其bSC0值為：
   
   
    集總參數(shù)諧振器磁化率斜率與L0、C0、G0之間的對應(yīng)關(guān)系為：C0=bs／ω0；G0=bs／Q0；Q0：未加Q值；L0=1／ω0bs；bs：敏感度斜率參數(shù)。

2 帶通濾波器的設(shè)計(jì)
    利用躍阻抗諧振器(SIR)原理，運(yùn)用HFSS軟件對帶通腔體濾波器進(jìn)行建模和仿真，為以后的工程實(shí)踐提供技術(shù)支持。
2．1 濾波器的具體指標(biāo)
    中心頻率：f0=780 MHz；通帶帶寬：△f=40 MHz；通帶差損：S21≥-0．5 dB；駐波：S11≤-20 dB；帶外差損：當(dāng)f0±60 MHz時(shí)，S21≤-30 dB；體積：110x60x35 mm。
2．2 設(shè)計(jì)說明
    根據(jù)上面的技術(shù)指標(biāo)的要求，對于切比雪夫型濾波器，選擇級數(shù)n=4。為了進(jìn)一步壓縮腔體帶通濾波器的體積和方便調(diào)試，采用lg／4型SIR結(jié)構(gòu)和調(diào)諧銷釘相結(jié)合的諧振結(jié)構(gòu)。濾波器的設(shè)計(jì)中常見的耦合方式，如電容耦合、電感耦合、電磁耦合，選擇適合于小型化設(shè)計(jì)的電容耦合方式。諧振器間采用耦合窗和耦合銷釘?shù)姆绞?，便于生產(chǎn)調(diào)試。
2．3 尺寸表
    仿真尺寸(加工實(shí)體依據(jù))如表1所示。

2．4 建模及仿真
2．4．1 3D模型
    運(yùn)用HFSS建立的3D模型如圖4(a)所示，加工實(shí)體如圖4(b)所示。

2．4．2 仿真結(jié)果
    濾波器的外部耦合采用一種以零相位方式接入的抽頭結(jié)構(gòu)。抽頭的位置可以通過HFSS仿真來確定：不斷的改變輸入輸出抽頭的位置、耦合孔的大小以及諧振器，以得到最好的駐波特性曲線。經(jīng)過反復(fù)的改變抽頭的位置，最終得到仿真的頻響特性曲線，如圖5(a)和(b)所示為通帶附近的頻率響應(yīng)及寬頻帶傳輸特性的仿真結(jié)果。

3 測試及調(diào)試經(jīng)驗(yàn)
3．1 實(shí)體及測試
    測試條件：地點(diǎn)：電子科技大學(xué)通信學(xué)院RFIC實(shí)驗(yàn)室；
    使用的儀器：矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀(型號為Agilent N5230A)。
最后通過調(diào)試得到的測試曲線如圖5所示。在圖6(a)中，可以看出，仿真結(jié)果和實(shí)際測試結(jié)果基本吻合，在3．5GHz無雜散頻率，同時(shí)體積也壓縮了200％以上。

3．2 波導(dǎo)腔體濾波器調(diào)試經(jīng)驗(yàn)
    1)通帶內(nèi)有功損耗的問題
    ①對窄帶濾波器，上下蓋板和側(cè)壁配合是否緊密是減少通帶內(nèi)有功損耗的關(guān)鍵；
    ②濾波器內(nèi)表面的光潔度對有功損耗也有明顯的影響；
    ③適當(dāng)調(diào)整諧振柱的長度，使其剛好諧振，調(diào)諧螺釘螺紋進(jìn)入腔內(nèi)不要太深，以減少有功損耗，并減小溫度影響；
    ④耦合電感近乎插棒處是電流最強(qiáng)處，故必須焊接良好，且必須進(jìn)行清潔處理，以減小通帶內(nèi)的有功損耗。
    2)駐波的問題
    制造出的濾波器如果發(fā)現(xiàn)駐波過大時(shí)，可以適當(dāng)減小第一腔和最后一腔的SIR諧振結(jié)構(gòu)及諧振腔之間的耦合量，駐波將有所改善。
    3)其他問題
   窄帶腔體濾波器，還必須采用調(diào)諧螺釘，否則濾波器中心頻率的準(zhǔn)確性無法保證；另外在耦合窗增加耦合螺釘，將使諧振腔之間的耦合增加。

4 結(jié)論
    結(jié)果表明，使用SIR技術(shù)設(shè)計(jì)的腔體帶通濾波器，有效的縮小了濾波器的體積，并且該結(jié)構(gòu)也便于生產(chǎn)和調(diào)試，另外，濾波器多方面的性能卻得到了提高，如通帶到阻帶下降陡峭度更高、帶外抑制性更好、寄生通帶更遠(yuǎn)等。同時(shí)，也存在一些問題：差損變差(可以通過提高腔體濾波器內(nèi)測表面的光潔度，并優(yōu)化表面的鍍層結(jié)構(gòu)得以彌補(bǔ))。
    可以看出，SIR技術(shù)可以廣泛應(yīng)用于濾波器的腔體結(jié)構(gòu)中，是實(shí)現(xiàn)腔體濾波器小型化的有效方法。