同軸腔濾波器的設(shè)計(jì)及應(yīng)用研究

作者：孫喆;李立群;溫海賓

隨著通信技術(shù)應(yīng)用范圍的擴(kuò)大，各種微波通信系統(tǒng)的發(fā)展非常迅速。在同一系統(tǒng)中，頻率擁擠與多信道實(shí)時(shí)雙向通信要求收、發(fā)信道必須同時(shí)使用同一副天線，這就必須在設(shè)備的前端設(shè)計(jì)雙通道的波道合成和分離器件即微波雙工器。雙工器主要由收發(fā)通帶的帶通濾波器和分支接頭兩部分組成。分支接頭可以是無(wú)方向性的T型接頭，或有方向性的鐵氧體環(huán)形器。

雙工器的設(shè)計(jì)方法大致有兩種：一是先設(shè)計(jì)好收發(fā)信道的帶通濾波器然后連接上T型接頭再對(duì)濾波器進(jìn)行優(yōu)化；另一種是設(shè)計(jì)好兩個(gè)濾波器后再對(duì)T型接頭進(jìn)行調(diào)整。不同設(shè)計(jì)方法的區(qū)別主要在于濾波器的結(jié)構(gòu)和T型接頭的結(jié)構(gòu)不同以及它們之間的匹配技術(shù)不同。文中的雙工器設(shè)計(jì)采用第二種設(shè)計(jì)方法，先設(shè)計(jì)兩個(gè)中心頻率分別為1．95 GHz和2．14 GHz的同軸腔體濾波器，然后通過(guò)T型接頭將兩個(gè)腔體帶通濾波器并聯(lián)構(gòu)成雙工器。利用微波CAD軟件對(duì)T型接頭進(jìn)行了優(yōu)化處理，減小了非相鄰腔體帶通濾波器之間的影響，提高了非相鄰腔體帶通器之間的隔離度。文中給出了同軸腔體雙工器的設(shè)計(jì)實(shí)例的仿真結(jié)果及實(shí)物測(cè)量結(jié)果。

1 同軸腔濾波器的設(shè)計(jì)方法

對(duì)于同軸腔濾波器，在同軸腔諧振器之間通過(guò)開(kāi)孔或加探針，可實(shí)現(xiàn)電感或電容耦合。改變孔的大小或者探針的粗細(xì)、長(zhǎng)短等來(lái)控制耦合電感或電容的大小以實(shí)現(xiàn)窄帶濾波器，控制同軸腔諧振器之間的交叉耦合的數(shù)量和大小來(lái)實(shí)現(xiàn)傳輸零點(diǎn)的位置和數(shù)目。在兼顧無(wú)載Q值的情況下，可通過(guò)改變同軸腔內(nèi)外導(dǎo)體的大小，來(lái)實(shí)現(xiàn)需要的功率容量和體積。在有電容加載的情況下，同軸腔濾波器的體積可以做得很小?？傊S腔廣義Chebyshev濾波器具有體積小、帶寬窄、矩形系數(shù)高、功率容量高等優(yōu)點(diǎn)，是國(guó)內(nèi)外廣泛研究的熱點(diǎn)。

由雙工器的指標(biāo)可得到兩個(gè)帶通濾波器的設(shè)計(jì)指標(biāo)：中心頻率分別為1．95 GHz和2．14 GHz，帶寬均為60 MHz，帶內(nèi)的回波損耗為20 dB。為了使雙工器隔離較好，因此采用廣義Chebyshev濾波器的設(shè)計(jì)方法，使中心頻率在1．95 GHz的濾波器有兩個(gè)傳輸零點(diǎn)為：2．05 GHz和2．14 GHz；中心頻率在2．14 GHz的濾波器有兩個(gè)傳輸零點(diǎn)為：2．085 GHz和1．95 GHz 。

1．1 濾波器網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)

具有有限傳輸零點(diǎn)的濾波器，一般采用諧振腔交叉耦合的方式實(shí)現(xiàn)，如圖1所示。綜合圖中的器件值就是求解交叉耦合矩陣M 。由于耦合矩陣和網(wǎng)絡(luò)拓?fù)渲苯酉嚓P(guān)，而目前還沒(méi)有方法完成任意拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)之間的轉(zhuǎn)換，所以確定網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)相當(dāng)重要。下面引入三腔耦合結(jié)構(gòu)分析，可快速地確定具有有限傳輸零點(diǎn)的網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。

因此采用CT級(jí)聯(lián)的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，如圖2所示。

1．2 求解交叉耦合矩陣

與圖2所示的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)相對(duì)應(yīng)的M矩陣的求解如下：

首先根據(jù)濾波器指標(biāo)由R J Cameron的文章求解歸一化的初始耦合矩陣分別為M01和M02。R1為歸一化電壓源內(nèi)阻，R2輸出端歸一化負(fù)載電阻。在初始耦合矩陣M01中R1＝R2=1．004 1 Ω，在初始耦合矩陣M02中R1=R2=1．003 2 Ω。

再根據(jù)Amari的關(guān)于交叉耦合腔體濾波器M矩陣的梯度優(yōu)化技術(shù)的文章，以上述M01和M02為初值編寫(xiě)共軛梯度法Matlab程序?qū)矩陣進(jìn)行優(yōu)化，之后進(jìn)行反歸一即可得到設(shè)計(jì)所需的耦合矩陣，即式（3）與式（4）。回波損耗和插入損耗的計(jì)算結(jié)果，分別如圖3，圖4所示。

1．3 在Ansoff中建立仿真模型

首先在Ansoft10．0中建立單腔模型并進(jìn)行仿真，使單腔諧振頻率位于濾波器中心頻率上，且單腔尺寸要滿(mǎn)足設(shè)計(jì)要求及加工的可實(shí)現(xiàn)性；其次根據(jù)腔間耦合系數(shù)進(jìn)行雙腔仿真來(lái)確定開(kāi)孔尺寸和探針尺寸；然后根據(jù)圖2的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)建立同軸腔體帶通濾波器的仿真模型，分別如圖5和圖6所示。

3 結(jié)束語(yǔ)

文中基于廣義Chebyshev函數(shù)的交叉耦合濾波器的設(shè)計(jì)和綜合，研究了與之相關(guān)的理論和技術(shù)。在此基礎(chǔ)上實(shí)現(xiàn)了，如圖7所示的高性能WCDMA同軸腔雙工器，實(shí)測(cè)結(jié)果與設(shè)計(jì)指標(biāo)吻合較好。驗(yàn)證了該設(shè)計(jì)方法的可行性。在工程實(shí)踐和理論研究上都具有一定的意義。

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