同軸腔體帶通濾波器的研究與設計＊

楊永俠，劉方方，郭 亮

（1．西安工業大學 電子信息工程學院，西安710021；2．中國兵器工業集團公司第205研究所，西安710065）

近年來，隨著微波、毫米波技術的迅速發展，無線通信系統得到了蓬勃的發展．微波濾波器作為一種頻率選擇裝置，是現代微波、毫米波通信系統中一個非常重要的組成部分，是不可缺少的器件之一．由于現在民用移動通信正處于三網融合的3G時代甚至會漸漸步入4G時代，頻段通常比較低，傳統的空腔濾波器，體積較大；超導薄膜濾波器對工作環境要求太嚴格，而且價格昂貴；微帶濾波器無法承受發射機的高功率而且插損也較大．同軸腔體具有Q值高、易于實現的特點，特別適用于通帶窄、帶內插損小、帶外抑制高的場合．所以目前移動通信基站上的收發機使用的濾波器大多以鋁銅等材料設計的腔體濾波器．并且這種性能優良、價格低廉、微型化的腔體濾波器已經成為移動通信行業中研究的重點［1］．

抑制CDMA800MHz網絡上行頻段噪聲的腔體濾波器，采用傳統的方法進行設計，尺寸大、周期長、成本高是不可回避的．文中設計中引入交叉耦合產生零點．交叉耦合同軸腔體濾波器在現代射頻、微波系統中得到了廣泛的應用，其設計靈活，帶外傳輸零點可以任意指定，最多可以實現和濾波器節數一樣多的傳輸零點，傳輸零點的位置既可以放在通帶外以提高阻帶抑制，又可以放在通帶內將濾波器的一個通帶分成多個通帶，傳輸零點不僅可以位于實軸來提高頻率選擇性，又可以位于虛軸來平坦濾波器的群時延．文中還利用二維電路仿真軟件AWR和三維電磁仿真軟件（High Frequency Structure Simulator，HFSS）的協同仿真進行設計，不但縮小了設計周期還節省了成本，提高了設計的有效性．

1 帶通濾波器的設計理論

1．1 低通原型濾波器

所有類型的濾波器，都是由低通濾波器原型變換來的．低通濾波器原型是網絡綜合法設計濾波器的基礎，他是一種歸一化的低通濾波器，即g0＝1，截止角頻率Ωc＝1［2］．

1．2 倒置變換器

文中利用J阻抗變換器和并聯的諧振回路實現帶通濾波器［2］．引入阻抗變換器之后，g0…gn，Jn，n＋1，耦合系數kn，n＋1，有載品質因數Qe之間的數值關系推導如下：

電納斜率參數為

在推導過程中發現耦合系數kn，n＋1的最終形式只與相對帶寬W和低通模型中gngn＋1有關，跟電納斜率無關．所以在單個諧振網絡中，不管電容電感怎么取值，只要諧振頻率符合即可．

2 設計與仿真

2．1 設計指標

濾波器的設計指標見表1．該濾波器工作于移動通信基站CDMA800MHz網絡，中心頻率f0在875MHz，工作帶寬BW為10MHz，濾波器的回波損耗RL＞-20dB，插入損耗IL＜0．25dB，要求比較嚴格，所以濾波器可采用同軸諧振腔來實現［3］；濾波器要求對移動通信基站中在CDMA800 MHz網絡的上行頻段（825～835MHz）的抑制達到80dB，因此就要考慮引入交叉耦合來實現［4-5］．

表1 濾波器的設計指標Tab．1 The design index of the filter

2．2 設計步驟

腔體濾波器設計流程為：根據設計指標要求選擇適合的濾波器模型，然后用AWR軟件優化計算得到k，q值，然后用HFSS實現其物理結構并對其完成單腔仿真，雙腔仿真，和抽頭仿真，分別來確定斜杠桿長度和尺寸，耦合窗的大小，和輸入輸出的位置，從而實現全腔仿真．最后對其進行調試使其達到設計要求．

2．3 仿真結果

①根據AWR理論電路結構的設計仿真并優化后，結果如圖1所示，其帶內插入損耗為-0．167 6dB；回波損耗為-30dB，在帶外頻率為0．832GHz時其帶外抑制為-86．29dB，可以看出濾波器的各項指標都滿足，并且留有余量．計算求取諧振器間耦合系數以及各諧振腔的諧振頻率分別為

圖1 仿真優化結果Fig．1 The simulation optimization results

②根據AWR中原理圖的仿真基礎，在HFSS軟件中進行物理尺寸的確定［6-7］．首先在在單腔仿真中確定中心頻率f0＝0．885 9GHz，品質因數Q＝4 463．諧振桿長度一般采用λ／4，最終確定諧振桿高度為27mm，半徑2mm；單腔尺寸半徑30mm，高38mm；諧振腔半徑7．5mm，高30mm；其次根據AWR中確定的耦合系數確定HFSS中各腔體的尺寸以及諧振桿的大??；最后進行全腔仿真，建立了五腔體模型［8］如圖2所示．

圖2 腔體濾波器設計流程Fig．2 The design process of the cavity filter

通過S參數的仿真曲線來判斷濾波器是否滿足要求，實際仿真結果如圖3所示：通帶內回波損耗S11為-20．236 8dB，插入損耗S21為-0．252 2 dB，帶外抑制為-98．695 8dB．可以看出在頻率、插損和抑制度方面，濾波器均達到設計要求．最終設計尺寸見表2．

2．4 影響濾波器性能參數的因素分析

物理尺寸對濾波器性能起著決定性的作用，本文中設計了一個五腔體的濾波器，諧振桿的長度，雙腔開窗的大小以及輸入輸出位置等決定著濾波器的性能是否達到要求，在此將做以簡單介紹［9］．

圖3 仿真優化結果Fig．3 The simulation optimization results

表2 濾波器的最終尺寸Tab．2 The final size of the filter

①諧振桿長度的影響

通過HFSS對單腔模型進行仿真，使得單腔諧振在中心頻率附近，利用HFSS的本征模對同軸諧振腔的諧振桿高度進行掃描，可以得到無載品質因數Q0值以及諧振頻率隨諧振桿的高度的變化曲線．仿真結果如圖4所示．

在圖4（a）中隨著諧振桿高度的增大，諧振腔的無載品質因數隨之增大，在諧振桿取27mm時，無載品質因數Q0達到最大值5 500左右，而Q0決定了濾波器的插入損耗，Q0越大，插入損耗越??；圖4（b）中則是諧振頻率隨著諧振桿高度的變化曲線圖，諧振桿越長，諧振頻率越低，他們之間存在的反比關系．

②耦合桿的長度以及窗口寬度的影響

通過HFSS雙腔仿真得到雙腔間的耦合結構及耦合系數為例，如圖5所示．如圖5（a）所示隨著耦合桿的增加，其腔間耦合系數隨之增加．如圖5（b）所示，窗口寬度增加時，耦合系數略有增加．

對雙模型中交叉耦合模型也進行了同樣的掃描仿真，結果如圖6～7所示，耦合桿越長，耦合系數越大；窗口寬度增大，耦合系數增大．

圖4 濾波器模型Fig．4 The filter model

圖5 雙腔耦合的影響因數Fig．5 The influencing factors on double cavity coupling

圖6 交叉耦合系數的變化曲線Fig．6 The change curve of cross coupling coefficient

③ 抽頭位置對濾波器的影響

在軟件中對抽頭位置進行掃描，得到S21以及S11的變化曲線如圖89所示．

圖7 窗口寬度的影響變化Fig．7 The changes of window-width

從仿真結果可以看出，當抽頭位置改變時，圖8（a）～（b）都可以看出濾波器的中心頻率發生了偏移，同時圖8（a）中的插入損耗S21隨著抽頭位置的增高而減小，圖8（b）中的回波損耗S11則隨之增大．

圖8 參數S的變化曲線Fig．8 The changing curves of parameters

3 設計驗證

采用編程的思想，把耦合矩陣綜合以及耦合矩陣的變換過程編寫成了 Matlab程序［10］．在用Matlab綜合耦合矩陣的過程中，只需要輸入濾波器的設計指標，進行Matlab程序就可以得到耦合矩陣和外部品質因數．通過Matlab編程使得耦合矩陣綜合過程大大的簡化了，并且可以節省很多設計時間［10］．通過計算仿真得到如圖9所示結果．

圖9 Matlab編程仿真的S曲線Fig．9 Matlab simulation of Scurve

通過圖9（a）所示的S21曲線可以看出，在通帶內濾波器的插入損耗非常小，完全達到指標要求；同時在帶外低頻處通過產生的兩個零點使得頻率在825～835MHz的位置，其帶外抑制度高達-120dB，這是理論上達到的效果，從圖9（b）中所示的S11曲線可以看出，濾波器的帶內回波損耗在通帶內小于-15dB．

4 結 論

通過比較三種仿軟件的仿真結果可以看出：用兩種方法設計的濾波器都可以達到技術指標的要求，中心頻率都在875MHz，利用AWR和HFSS協調仿真設計的濾波器回波損耗為-20．54dB，插入損耗為-0．2522dB，其帶外抑制為-98．69dB；運用Matlab仿真設計的濾波器其回波損耗為-15 dB，插入損耗為-0．08dB，其帶外抑制高達-120 dB．實驗結果證明了該濾波器具有在通帶內插入損耗小，帶外高性能抑制等優點，具有良好的應用前景．

［1］ 甘本袚，吳萬春．現代微波濾波器的結構與設計（上冊）［M］．北京：科學出版社，1973．GAN Ben-bo，WU Wan-chun．Structure and Design of Modern Microwave Filter（I）［M］．Beijing：Science Press，1973．（in Chinese）

［2］ CAMERON R J，KUDSIA C M，MANSOUR R R．通信系統微波濾波器-基礎、設計與應用［M］．王松林，澤．北京：電子工業出版社，2012．WANG Song-lin．Microwave Filter，Communication System，the Design and Application［M］．WANG Song-lin，translated．Beijing：Electronic Industry Press，2012．（in Chinese）

［3］ 張同宣，趙振堂．腔體帶通濾波器設計［J］．核技術，2008，31（6）：401．ZHANG Tong-xuan，ZHAO Zhen-tang．Design of Cavity Band-Pass Filter［J］．Nuclear Technology，2008，31（6）：401．（in Chinese）

［4］ COHN S B．Direct-Coupled-Resonator Filters［J］．Proc of the IRE，1957，45（2）：187．

［5］ JIA S H，LANCASTER M J．Micro-Strip Airpin-Resonator Filters［J］．IEEE Trans MTT，1998，46（1）：118．

［6］ 劉揚．同軸腔體濾波器傳輸零點的實現方法［J］．湖北第二師范學院學報，2011，28（2）：101．LIU Yang．A Method to Achieve Transmission Zeros Based on Coaxial Cavity Filters［J］．Journal of Hubei Sceond Normal Coolege，2011，28（2）：101．（in Chinese）

［7］ 陳彩云，徐立勤，李泳．八腔交叉耦合同軸濾波器的設計與實現［C］／／第六屆全國毫米亞毫米波學術會議．哈爾濱：中國電子學會，2006：206．CHEN Cai-yun，XU Li-qin，LI Yong．Design and Implementation of Eight Cross Coupling Coxial Cavity Filter［C］／／The Sixth National Conference on Submillimeter Millimrter，Harbin：Chinese Institute of Electronics，2006：206．（in Chinese）

［8］ 楊永俠，王亞亞．交叉耦合型濾波器的小型化設計及仿真［J］．西安工業大學學報，2013，33（6）：499．YANG Yong-xia，WANG Ya-ya．Design and Simulation of Miniaturized of Cross Coupling-Typed Filter［J］．Journal of Xi’an Technological University，2013，33（6）：499．（in Chinese）

［9］ 張建華．HFSS電磁仿真設計［M］．西安：西安電子科技大學出版社，2008．ZHANG Jian-hua．HFSS Electromagnetic Simulation Design［M］．Xi’an：Xidian University Press，2008．（in Chinese）

［10］ 郭晶，趙紅梅．Matlab6．5輔助優化計算與設計［M］．北京：電子工業出版社，2003．GUO Jing，ZHAO Hong-mei．Matlab6．5Aided Optimization Calculation and Design［M］．Beijing：Electronic Industry Press，2003．（in Chinese）