微波濾波器作為最重要的無(wú)源器件之一，在無(wú)線基站通信、衛(wèi)星通信、雷達(dá)探測(cè)等系統(tǒng)中都有著不可替代的地位。濾波器的重要性使得其性能的優(yōu)劣程度往往會(huì)影響到整個(gè)系統(tǒng)的質(zhì)量。因此，隨著各種微波系統(tǒng)對(duì)性能要求的日益提高，對(duì)濾波器也提出了越來(lái)越嚴(yán)苛的要求。本文從實(shí)際工程應(yīng)用需求出發(fā)，以微波濾波器的基本理論為基礎(chǔ)，研制了一種高性能、小型化梳狀濾波器。

1 腔體濾波器的概述

1.1 腔體濾波器的仿真和設(shè)計(jì)理論

濾波器是無(wú)線電技術(shù)中許多設(shè)計(jì)問(wèn)題的中心，幾乎所有的微波接收機(jī)、發(fā)射機(jī)和微波實(shí)驗(yàn)裝備都要求具有濾波的功能。工程上常用采用網(wǎng)絡(luò)綜合法，即以滿足一定濾波器指標(biāo)的衰減和相位特性的要求為基礎(chǔ)，利用綜合理論，求出集總元件低通原型電路的結(jié)構(gòu)及各元件的參數(shù)，再經(jīng)過(guò)適當(dāng)?shù)念l率變化，轉(zhuǎn)換到所需要的低通、高通、帶通、帶阻四種微波濾波器，最后將集總參數(shù)元件用具體的分布參數(shù)的物理結(jié)構(gòu)來(lái)實(shí)現(xiàn)。相比于傳統(tǒng)的分布參數(shù)法和影象參數(shù)法的設(shè)計(jì)方法，網(wǎng)絡(luò)綜合法具有計(jì)算相對(duì)簡(jiǎn)單，準(zhǔn)確度良好，能導(dǎo)出最佳設(shè)計(jì)的優(yōu)勢(shì)。

腔體濾波器是由通過(guò)一定耦合方式將各個(gè)諧振器連接起來(lái)所組成的微波元器件，濾波器設(shè)計(jì)的一個(gè)重要環(huán)節(jié)就是諧振器和耦合結(jié)構(gòu)選取和分析，特別對(duì)于腔體帶通濾波器設(shè)計(jì)，對(duì)諧振器和耦合結(jié)構(gòu)的分析是非常必要的一個(gè)環(huán)節(jié)，分析諧振器和耦合結(jié)構(gòu)有助于確定諧振器和耦合結(jié)構(gòu)大概尺寸，同時(shí)有助于分析諧振頻率、Q值、高次模的影響和耦合系數(shù)。

微波諧振器具有儲(chǔ)能和選頻作用，是構(gòu)成許多微波元器件如濾波器、振蕩器等必不可少的部分。實(shí)際中諧振器將與其它電路耦合，進(jìn)行一定的能量交換才能完成能量傳輸過(guò)程，實(shí)現(xiàn)選頻和濾波的功能。微波諧振器主要的特性參數(shù)有諧振頻率和品質(zhì)因數(shù)。根據(jù)傳輸線的電容加載縮短理論可將諧振器長(zhǎng)度減少，實(shí)現(xiàn)濾波器的小型化。

1.2 腔體濾波器的設(shè)計(jì)方法

由梳狀線濾波器的等效電路和設(shè)計(jì)公式可以初步確定各線元的尺寸和距離，但是設(shè)計(jì)繁瑣，精度不高。在實(shí)際工程設(shè)計(jì)中，為了提高濾波器設(shè)計(jì)周期和指標(biāo)精度，通常在已有的微波濾波器設(shè)計(jì)理論基礎(chǔ)之上，采用電磁仿真軟件HFSS進(jìn)行輔助設(shè)計(jì)。在借助HFSS設(shè)計(jì)濾波器之前，首先要根據(jù)濾波器指標(biāo)要求（如中心頻率、帶寬和插入損耗等）確定出滿足一定諧振頻率和無(wú)載Q值的單腔諧振器的HFSS模型，然后分析諧振腔之間的耦合結(jié)構(gòu)，對(duì)其尺寸初值進(jìn)行選取。

2 腔體濾波器的仿真設(shè)計(jì)

2.1 腔體濾波器的主要指標(biāo)

腔體濾波器的主要指標(biāo)如下：

中心頻率f0=5061MHz，帶寬BW≥400MHz，駐波比小于1.5（回波損耗＞13.98dB），帶內(nèi)插入損耗≤1dB，帶外抑制 LS≥45dB@1～2GHz，LS≥25dB@7～8GHz，外形尺寸：≤28mm×15mm×13mm。

2.2 ADS低頻模型的分析

查切比雪夫?yàn)V波器的元件數(shù)值表，可得波紋系數(shù)為0.01的三階切比雪夫響應(yīng)的 g值為：g0=1，g1=0.6291，g3=0.6291，g4=1，以此建立 ADS 低頻等效電路模型，用并聯(lián)諧振電路代表每個(gè)諧振腔，不同諧振器中集總參數(shù)電容C0和電感值L0一樣，腔體之間的耦合用的1/4波長(zhǎng)傳輸線做導(dǎo)納變換器，1/4波長(zhǎng)傳輸線本身是K變換器，其K值與其特性阻抗相等，所以將其特性阻抗設(shè)為耦合系數(shù)的倒數(shù)，以實(shí)現(xiàn)J變換器的功能。

設(shè)計(jì)中主要計(jì)算的參數(shù)為耦合系數(shù)，其中輸入輸出和各腔之間的耦合系數(shù)分別為：

根據(jù)公式（1）可以算出濾波器的耦合系數(shù)如下。

2.3 單諧振腔模型的仿真計(jì)算

首先在HFSS中建立一個(gè)單腔的模型，參數(shù)選擇為：腔體長(zhǎng)度L=6.5，腔體寬度W=5，墻體高度H=6.5，金屬柱長(zhǎng)度l=1.7，金屬柱寬度w=1.7，金屬柱高度h=5～6，金屬板長(zhǎng)度l1=4，金屬板寬度w1=4，金屬板高度h1=0.3（單位為mm）。

上述單腔模型沒(méi)有端口，無(wú)激勵(lì)源，采用本征模求解，只求解頻率。將腔體設(shè)置為空氣，邊界條件設(shè)置為pefect E，并將諧振桿設(shè)置為良導(dǎo)體。

仿真后得到金屬柱高度為5.8mm。此時(shí)的諧振頻率為5232MHz，Q值為1547。由于腔體濾波器是由多個(gè)諧振腔耦合組成的，中心頻率會(huì)比單個(gè)諧振腔有所下降，所以單諧振腔的中心頻率要比實(shí)際的中心頻率稍大。

2.4 耦合系數(shù)的腔體結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)

在單諧振腔模型的基礎(chǔ)上建立雙諧振腔模型，并在耦合窗中建立一個(gè)調(diào)節(jié)耦合大小的調(diào)耦螺釘，并通過(guò)仿真獲得濾波器耦合窗口的尺寸。

對(duì)此模型求解得：當(dāng)調(diào)耦螺釘長(zhǎng)度l=6.4mm時(shí)，耦合系數(shù)為0.10117。

由于3階濾波器為對(duì)稱結(jié)構(gòu)，腔體間的耦合系數(shù)相同，所以諧振腔之間的耦合結(jié)構(gòu)尺寸就能確定了。

2.5 腔體濾波器模型的仿真計(jì)算

根據(jù)直接耦合的方式，建立腔體濾波器的最終模型。

仿真后得出濾波器的1dB帶寬為510MHz，插損約為0.3dB，回波損耗大于18.0329dB，在1GHz處的抑制為59.4636dB，在7GHz處得抑制為50.1739dB，以上指標(biāo)均滿足要求。

3 腔體濾波器的實(shí)物測(cè)試

根據(jù)腔體濾波器的三維模型，對(duì)其進(jìn)行實(shí)物加工如圖1所示。

圖1 腔體濾波器的三維模型

測(cè)試腔體濾波器的S21、S11和駐波比，可以得到以下結(jié)果：

（1）插入損耗為0.56dB，1dB帶寬為715MHz，1GHz處的抑制約為56.72dB，7GHz處的抑制約為48.63dB；

（2）4861MHz處回波損耗約為28.91dB，5261MHz處回波損耗約為31.22dB；

（3）中心頻率5061MHz處的駐波比為1.019，在4751～5354MHz的范圍內(nèi)駐波比均小于1.3。

4 結(jié)論

本文在對(duì)腔體濾波器的設(shè)計(jì)中，采用的是仿真軟件ADS和HFSS相結(jié)合的方法，分析數(shù)據(jù)主要依靠大量的電磁仿真。最終，加工的腔體濾波器實(shí)物滿足了指標(biāo)要求。

審核編輯：黃飛