小型化SIR同轴腔体滤波器的设计

电子科技2009年第22卷第10期

收稿日期:2008212205

作者简介:董利芳(1981-),女,硕士研究生。研究方向:射频,微波电路与系统。

小型化SI R 同轴腔体滤波器的设计

董利芳,王锡良,王晓会

(电子科技大学电子工程学院,四川成都　610054)

摘　要　根据阶跃阻抗谐振器SI R (Stepped I m pedance Res onat ors )的基本原理,采用1/4波长型SI R 作为同轴腔滤波器的基本谐振单元,利用耦合矩阵采用梳状线形式,设计了一种梳状SI R 同轴腔滤波器。通过HFSS 仿真优化后的实验结果表明,其尺寸比例比常用的梳状线滤波器形式显著减小,较好地实现了滤波器的小型化,同时满足工程需要的技术指标。

关键词　阶跃阻抗谐振器(SI R );同轴腔;梳状滤波器

中图分类号　T N713+15　　文献标识码　A 　　文章编号　1007-7820(2009)10-004-03

D esi gn of M i n i a ture S I R Coax i a l 2cav ity F ilter Dong L ifang,W ang Xiliang,W ang Xiaohui

(School of Electronic Engineering,UEST of China,Chengdu 610054,China )

Abstract 　According to the basic p rincip le of stepped i mpedance res onat or (SI R ),λg /42type SI R is taken as basic res onator unit of coaxial filters .By use of coup ling matrix in pectination for m,a combline coaxi 2al 2cavity filter with λg /42type SI R is designed .Thr ough si mulati on and op ti m ization by HFSS,the experi ment result shows that its p r oporti on of size is significantly reduced co mpared with the usual combline filters,and the realized m iniaturizati on filter meets the engineering requirements .

Keywords 　Stepped I m pedance Res onat ors (SI R );coaxial 2cavity;combline filter

　　微波带通滤波器是无线电通信系统中的一类关键无源器件。近年来,随着微波技术的迅速发展,无线电通信频率资源日益紧张,这就对滤波器的性能指标提出了更高的要求,因此研究新的高性能微波带通滤波器具有十分重要的实际意义。而同轴腔滤波器具有功率容量大、体积小、Q 值高、易于实现的特点,能够符合带内插损小、带外抑制高的设计要求。λg /4型阶跃阻抗变换器(SI R )作为基本谐振单元在不减小无载Q 值的情况下,可减小滤波器尺寸,并通过调节阻抗比来

较好地控制杂散频率。同时采用梳状线的形式[1]

,由于一端的电容加载,进一步缩短了谐振器的尺寸。SI R 滤波器在结构和设计上有很大的自由度,通过采用不同类型的传输线(同轴、带状线、微

带、共平面)或介电材料而使其有很大的应用频率范围。

1　基本原理

SI R 是由两个以上具有不用特征阻抗的传输线

组合而成的横向电磁场或准横向电磁场模式的谐振器,包括λg /4型、λg /2型和λg 型,都有开路面、短路面和它们之间的阻抗阶跃接合面。图1为λg /4型SI R 结构

。

图1　

λg /4型SI R

董利芳,等:小型化SI R 同轴腔体滤波器的设计

电子・电路

　　传输线开路端和短路端之间的特征阻抗和等效

电长度分别对应为Z 1、θ1和Z 2、θ2,输入端的阻抗和导纳分别定义为Z i 和Y i 。若忽略阶跃非连续性和开路端的边缘电容

[2]

,那么Z i 的表达式如下

Z i =j Z 2

Z 1tan θ1+Z 2tan θ2Z 2-Z 1tan θ1tan θ2

(1)

当Y i =0时,可得谐振条件为

tan θ1tan θ2=Z 2/Z 1=R z

(2)由此可得谐振条件取决于θ1、θ2和阻抗率R z 。

一般均匀阻抗谐振器(U I R )的谐振条件唯一取决于传输线的长度,而对SI R 同时要计入长度和阻抗比。因此SI R 比U I R 多了一个自由度。图2是同轴SI R 的基本结构,内导体的半径和长度分别为a 1、

l 1和a 2、l 2,外导体内半径为b ,整个SI R 总的电

长度可表示为θT ,则阻抗比R z

可以表示为

图2　同轴SI R 耦合结构

R z =Z 2/Z 1=ln (b /a 2)ln (b /a 1)

(3)

以θ2=θ1-θT 代入式(2)并求解,得

tan θT tan θT =

1

1-R T tan θ1

+R z tan θ1

(4)

为了实现小型化设计,要求0R z ,由此θT 取最小值为(θT )m in =arctan

2R z

1-R z

(5)

上述计算表明,θ1=θ2=θ0是一个特殊条件,并且(θT )m in 是随着R z 的减小而减小,对谐振器的长度压缩就越大。滤波器的杂散频率由阻抗比由R z 决定。

2　设计实例

该同轴腔梳状带通滤波器的技术指标要求为:中心频率f 0=751MHz,带宽BW =13MHz,带内插损L 0<110d B ,带外衰减>30d B ,在f 0±20MHz,腔体高度<40mm 。

由文献[3]查表可知:n =6,g 1=211546,

g 2=111041,

g 3=310634,

g 4=111518,

g 5=

2199367,g 6=018101。

211　单腔谐振单元的物理尺寸

中心频率为751MHz,1/4波长大约为100mm ,普通梳状线电容加载的滤波器的单个谐

振器的尺寸为1/8波长约为50mm ,而要求腔体高度小于40mm 。在本实例中,采用在SI R 结构中加载电容的方式。设定谐振腔长度为34mm ,谐振器

总长l T 为32mm ,对于空气填充的λg /4型SI R 谐振腔,在θ1=θ2=θ0的条件下,可以确定l 1=21mm ,可得R z =tan 2

βl 1=tan 2

2πl 1/l 0=0111,其中l 0为空气中波长。

通带中心插损

[4]

L 0≈

41434

WQ 0

∑n

j =1

g

j

=

153813

Q 0

,

要求L 0<110d B ,因此未加载Q 值为:Q 0>153813,由

[2]

知,Q 0≈2082b f 0=1804b (b 的

单位为c m ),得到b >0185c m ,取b =9mm 。为了取得最大的Q 值,Z 1取值范围应该为75～90Ω,因此可以将内导体半径分别确定为:a 1=213mm ,

a 2=717mm 。由于阶跃结合面和开路端电容的不

连续性与谐振器之间形成的耦合电容,以及电容

加载的影响,故阶跃结合面与开路端的边缘电容

和加载电容可以用一段等效的长度Δl j 来代替。这样可以得到l 2=l 1-Δl j ,其中Δl j ≈C f ln (b /a 1)/2πε0,C f =C fe +C fs ,C fe 为端壁边缘电容,计算式见文献[2],C fs 为边壁边缘电容计算式同文献[5]中梳状线带通滤波器的集总电容的计算。得到Δl j =12mm ,则l 2=9mm 。通过HFSS 单腔本征模的仿真,可以得到最终尺寸a 1=2mm ,a 2=8mm ,

l 1=24mm ,l 2=8mm ,如图3所示。

图3　单腔本征模

电子・电路

董利芳,等:小型化SI R 同轴腔体滤波器的设计

212　终端Q 值

终端外界Q 值就是终端电阻反射到第一个谐振器中所得到的Q 值。Q e 值在理论上可以从低通原型参数和滤波器指标中获得[3]

,第一个谐振器的Q e =g 0g 1Ωc /BW =531865。同时Q e 还可以通过

S 11在谐振频率处的群时延来提取

[6,7]。通过单腔驱

动模式的仿真计算得到S 参数,根据公式Q e =ω0τs 11(ω0)/4,由此可得激励的高度为714mm ,如图4所示。另外,从耦合矩阵中得出耦合系数,通过改变耦合孔的高度来改变耦合量的大小,达到所要求的耦合系数,如图5所示

。

图7　仿真结果图

3　结束语

文中以同轴SI R 谐振器为单元,谐振器间采用开窗口的形式形成电容和电感耦合构成滤波器结

构,设计了一款小型化的梳状带通滤波器,并在谐振器的开路端加载电容。由于加载电容及阶跃电容的存在,使其尺寸ν1/4波长,与1/4波长100mm 相比,长度压缩了66%,软件仿真结果验证了该方法的可行性和有效性。参考文献

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