一種用于3G通信的同軸腔射頻濾波器綜合設計

俞興明,朱其凱

(1.蘇州市職業大學 電子信息工程系,江蘇 蘇州 215104;2.蘇州大學 電子信息學院,江蘇 蘇州 215006;3.蘇州易特諾科技股份有限公司,江蘇 蘇州 215021)

1 引 言

隨著無線通信技術的迅猛發展,無線頻譜日益擁擠,通信系統對低成本、小體積、低插損、大功率的射頻窄帶濾波器件的需求日益增大。同軸腔帶通射頻濾波器具有Q值高、帶內插損小、帶外抑制高、易于實現的特點,特別適用于通帶窄的分米波、厘米波段無線發射場合。

同軸腔帶通濾波器常采用 λg/4的縮短同軸諧振腔結構,其綜合設計方法是:根據功率容量和品質因數要求設計出腔體尺寸;按照目標頻響要求查表,得到等效低通濾波器的歸一化元件值,據此推算腔體之間及輸入輸出之間的耦合系數;按照在通帶內調諧時帶載品質因數及耦合系數保持不變的要求,計算出耦合孔和耦合環的位置和耦合環的尺寸,設計該種濾波器的難點是如何根據腔間耦合系數得到耦合孔的大小及位置。耦合孔的大小與耦合系數之間的關系比較復雜,單純用數學分析的方法來解決比較困難,目前還沒有準確的數學分析和計算能夠解決,因此,應用微波三維電磁仿真軟件HFSS進行仿真得到諧振腔間耦合孔大小與耦合系數的關系曲線,從而得到了耦合孔的參考尺寸,最后制成樣品后還要根據實測結果進行修正。

2 同軸腔濾波器的基本構成

同軸腔帶通濾波器基本結構由諧振腔、腔間耦合孔、輸入輸出激勵耦合等組成。各諧振腔均工作在相同諧振頻率附近,通過腔間微波信號的逐級耦合,形成帶通濾波器。有時為了增強邊帶抑制性能,還可以采用隔腔交叉耦合措施。圖1所示為本次設計的機械調諧同軸腔帶通濾波器的結構圖。外導體是鋁質殼體,殼體上挖有數個圓形腔體,腔體內放置有諧振桿作為內導體,內導體與腔體同軸。諧振桿與殼體的接觸端構成短路端,由于小于四分之一波導波長,諧振桿等效為電感,而諧振桿頂端與腔底板形成電容,故構成等效振蕩電路。腔體之間挖有圓形的小耦合孔,首尾兩個諧振腔分別用耦合環與輸入輸出同軸電纜相耦合,耦合環平面與腔體軸向平行,以獲得最大磁耦合。為了減小能量損耗,腔體壁和諧振桿表面都是鍍2～3 μ m的銀。如果插損要求不是很高,為了節約成本,也可以直接鍍6～8 μ m銅。

圖1 七同軸腔濾波器結構圖Fig.1 Configuration of seven coaxial cavities filter

3 同軸腔濾波器的尺寸設計

我們要設計的濾波器的指標如下:通帶頻率為2 150～2 170MHz,通帶中心頻率為f0=2 160 MHz,帶寬為Δf3dB=20MHz,插入損耗為 IL≤3.0 dB,帶內波動 LAr為1.0 dB,阻帶抑制 LAs為2 148 MHz和2 172 MHz處均至少25 dB。同軸腔濾波器的設計主要包括腔體設計、腔間耦合孔大小和位置設計及輸入輸出耦合設計三部分。

3.1 腔體設計

為了諧振,本文采用同軸腔濾波器的腔長為λg/4的縮短同軸諧振腔。本設計樣品用于2 160 MHz頻段,故諧振腔長度 l為35 mm。依據諧振腔結構尺寸參數選取應考慮滿足功率容量、避免高次模、Q0值最高等3個原則[1],腔體內直徑與諧振桿直徑之比D/d一般選擇在2.0～3.6之間,在此選3。取諧振桿直徑d=8 mm,腔體內壁直徑D=24 mm,此時同軸腔特性阻抗

由于腔內同軸諧振桿一端短路另一端開路,開路那端由于端面電容和邊緣電容的存在,增大了諧振電容,因此內部諧振桿的長度可以適當縮短,以減小等效電感。諧振桿長度、調諧螺釘最大調諧距離的設計要考慮能調諧范圍和品質因數Q0值降低等因素,一般選擇諧振桿長度要大于腔長的70%。開路端的等效長度為[2]

式中,Cfs為端面和邊緣電容,t為諧振桿開路端的縮短量,t=1/(1-d/D)。經計算得本設計中 Δl=6.7 mm,故諧振桿的長度約為 λg/4-Δl≈28 mm,占腔長的81%。

3.2 腔間耦合孔設計

相對帶寬為

在fa=2148MHz處的等效低通原型的歸一化頻率為

查低通切比雪夫濾波器的設計表,得低通原型的階數n=7,即要7個諧振腔。歸一化元件數值為g1=2.166 4,g2=1.111 6,g3=3.093 4,g4=1.173 6,g5=3.093 4,g6=1.111 6,g7=2.166 4。

腔間耦合系數可由公式(4)來計算:

由此計算得

當兩個相鄰的諧振腔耦合在一起并且對源和負載具有非常小的耦合時,kij與相鄰腔諧振頻率fi、fj存在如下關系[3]:

腔體濾波器諧振腔之間的耦合窗口問題比較復雜,用數學分析的方法來解決比較困難,目前還沒有準確的數學分析和計算。因此,對兩個相鄰諧振腔進行在HFSS中進行仿真[4],仿真模型如圖2所示。

圖2 雙腔耦合HFSS仿真模型Fig.2 HFSS simulation mode of daul coupling cavities

仿真時,Solution Type選擇 Eigenmode,負載空載,仿真的原理是,HFSS在軟件內通過用戶設置好的計算公式(5),軟件自動計算出耦合孔半徑下所形成的一帶通低端頻率fi和高端頻率fj,再由軟件內設置好的式(5)計算腔間的耦合系數,從而自動繪制出對應的腔間耦合系數與耦合孔直徑之間的關系曲線,如圖3所示。雖然這個仿真得到的曲線非常不平滑(那是由于仿真步長的設置不是非常精細引起的,本次仿真的半徑步長為0.1 mm),但可以看到耦合系數與耦合孔半徑的變化趨勢,可以采用曲線擬合的辦法進行處理。

圖3 耦合孔直徑與耦合系數的關系仿真曲線Fig.3 Simulated curve of coupling aperture radius and coupling coefficient

由此曲線可查得腔間耦合小孔的直徑近似分別為

可見耦合孔的直徑分布為兩頭最外面的耦合孔最大,靠里面的耦合孔稍小的分布。

耦合孔位置關系到整個濾波器的帶寬和帶載品質因數。理想的帶通濾波器在調諧時應保持頻響的形狀和帶寬不變,兩終端諧振器的外界Q值必須與調諧頻率f0成正比,而諧振器間的耦合系數必須與調諧頻率 f0成反比[5],如式(6)～(8)所示:

式中,f0為調諧頻率,(f0)m為平均調諧頻率(即調諧范圍內的中心頻率),Wm=Δf/(f0)m表示平均相對帶寬。由上述條件,Cohn研究得出[6],耦合環距諧振器短路端的電長度 θA=0.967 5 rad,諧振腔間電感耦合小孔到短路端的距離(電長度)θ=0.853 4 rad,這時耦合帶寬最寬,隨頻率變化緩慢。由此計算出耦合環距短路面的距離 l1≈21 mm,中間耦合孔距短路面距離 l2≈19 mm。

3.3 兩端耦合環的設計

設兩端的耦合環面積A甚小,環中心與同軸腔軸線的距離為r,同軸腔內導體上距短路端θA電長度處的電流I在r處的磁場為H=I/2πr,該磁場在小環中產生的感生電壓為 jAμ0ω H=jAμ0ω I/2πr,于是,在同軸腔內該環的互感電壓電抗為

而輸入端和輸出端的耦合電抗分別如式(10)所示:

取信號源內阻RA和濾波器負載阻抗RB均為50 Ψ,同軸腔特性阻抗 Z0=66 Ψ,相對帶寬 Wm=0.009 26,將這些數據代入式(10),求出 X01和 X78,再根據式(9),求出輸入輸出耦合環的半徑 r=2.92 mm,耦合環平面與腔軸平行,這樣能產生最強的磁耦合。

4 實測結果及調試

該濾波器是由7個單諧振腔連在一起的,由于機械尺寸加工精度、內表面的光潔度和裝配精度等原因,理論計算設計和仿真與實際結果存在一定的差距,通過測量發現在帶寬邊沿的截止頻率處與設計目標有幾兆赫的誤差。通過調節調諧螺釘的深度來微調諧振頻率及耦合系數,可以達到濾波器的整體設計目標。通過調整,用網絡分析儀實測的本七階同軸腔諧振器的特性曲線如圖4所示,可見它能很好地符合設計目標。

圖4 實測的濾波器頻率響應曲線Fig.3 Actual tested frequency response

順便指出,在實際量產時,由于加工時耦合孔的尺寸有公差,可以設計把耦合孔放在開路端最上方,然后在耦合孔的上方加一顆耦合螺釘,使耦合度也可調。這種情況雖不是上述分析得出的最優情況,但更增加了調整的靈活性。同時,在設計時還需要考慮設計環境和使用環境的差異。如果環境溫度差異較大,就會有頻率漂移存在。萬一不能確定使用環境或者各種使用環境都存在,可以通過增加保護頻帶(Guard band)來解決。在實際測試時儀器頻寬設置不要過大,外部耦合不能過大或過小,以測出真實的頻響特性和Q值。

5 結束語

本項目設計出了一種3G移動通信用的同軸腔濾波器,通過采用理論綜合計算、仿真設計及實物測試后才完成定型。由于HFSS的運算量龐大,我們未能仿真出該七腔濾波器的頻率特性,但經實際測試看到該濾波器的頻率特性與設計要求總體相符,只是在帶寬邊沿的截止頻率處有幾兆赫的誤差,通過調諧螺釘的微調即可達到要求,說明本設計方法是正確的,對類似的諧振腔體濾波器的設計具有一定的指導意義。

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