金属同轴腔滤波器设计摘要近年来，随着移动通信、导航技术和电子对抗的快速发展，对现有微波元器件的需求 和性能的改进都提出了很高的要求。同轴腔体带通滤波器作为微波带通滤波器中应用最广 的一种滤波器，具有功率容量大、插入损耗低、寄生通带远等特点，在现代无线通信、数 字电视广播、卫星导航、遥测遥感和雷达等系统中得到了广泛的应用。本文对同轴腔体带通滤波器做了详细的分析，分析讨论了同轴谐振腔的电磁特性，主 要包括谐振频率、谐振腔的耦合结构和外部品质因数等。利用响应函数得到腔体之间的耦 合系数。应用三维全波仿真软件，分析了腔体结构参数与耦合系数和耦合窗的关系。最后 论文给出了同轴腔滤波器设计实例，测试结果性能良好，符合设计指标要求。关键词：微波滤波器带通滤波器同轴谐振腔全波仿真分析ABSTRACTWith the rapid development of mobile communication system, the quality of microwave components is becoming more and more important. As a microwave band-pass filter, coaxial cavity filter is widely applied in modern wireless communication and radar systems, for its high power capacity, low insertion loss and far spurious pass-band.Based on the research of coaxial filter, the electromagnetic properties of coaxial cavity resonator are proposed in the paper, including resonant frequency, coupling structure and external Q of the cavities. The coupling coefficient of filter can be getting by utilizing response function. The width of coupling windows and in-put/out-put coupling lines are acquired by full wave simulation and optimization. At last, a coaxial cavity filter is designed and measured, which has perfect performances and is satisfied with the technical specifications.Key Words： microwave filter band-pass filter coaxial resonator full wave simulation目录一 绪论11.1前言11.2常见的滤波器形式11.3国内外发展现状3二滤波器的基本概念52.1滤波函数52.2微波滤波器参数72.3低通滤波器到带通滤波器的转换7三 同轴腔带通滤波器的设计83.1滤波器的设计步骤83.2滤波器的设计方法83.2.1 前言83.2.2设计指标93.2.3参数计算93.3仿真与测试103.3.1 仿真103.3.2实物加工与测试13总结14参考文献16一绪论1.1前言随着通信、广播、雷达、测量、遥感、空间技术和电子对抗技术等的逐步发展，从米 波段一直到毫米波段以至更广阔的波段上，微波滤波器在雷达、信号处理、通信等不同电 路系统的传输、变换处理和收发中有广泛应用。随着导航技术和移动通信电子对抗的快 速发展，同时对改善现有器件的性能和对未开发的微波元器件提出更高更严谨的需求是必 要的。尤其是在无线电通信频率资源日益紧张的今天，不同通信系统能够获得的频率范围 越来越窄，从而使得对于无源器件，尤其是那些前端使用毫米波、微波收发信机的器件的 性能优劣提出了更高层次的要求，为的是前端系统降低对信号的衰减，使不同的干扰信号 得到抑制。另外，由于新工艺、新材料的逐步发展，以及迅速发展的半导体先进技术，新 的RF模块不断不出现，使得研制毫米波、微波RF有源电路的周期渐渐缩短，且高度集成、 小体积的电路正在逐步发展。因此，研制小体积、高性能的无源器件，减少设计无源器 件的周期，是目前毫米波、微波通信等相关领域的重要步骤之一。1915年，在德国，K. W. Wagner创新发明了一种以新的滤波器设计方法一“瓦特纳 滤波器”与此同时，在美国，G A. Canbell则开创了另一种知名的设计方法一图像参数法。 间隔两年，LC滤波器在两国分别由两位科学家发明出来，1918年第一个多路复用系统在 美国问世，自此以后科研人员便开始积系统而全面的对使用集总元件电容和电感的滤波器 进行理论研究。随着滤波器的设计理论不断的深入研究、材料领域的不断发展以及工作频 率的日益升高，使得由原先的集总参数元件滤波器的设计逐渐扩展到分布参数元件滤波器 的设计。1939年，P. D. Richtmeyer报道了介电滤波器，因为当时材质的温度稳定性不够高这样 就导致该种滤波器不足以应用于实际，直到1970年左右，因为陶瓷材料有较快的发展， 介电滤波器在实际中应用也随即得到了较快的发展。目前，20世纪年代出现的高温度临界 超导材料，被认为很大可能应用于设计出极小尺寸和极低损耗的新颖滤波器，并且现在已 经在商业和军事领域使用。1.2常见的滤波器形式在现代无线电系统中，包括各种移动通信、电子对抗、雷达系统等的发展同时促进了 微波器件的发展。其中微波滤波器是现代毫米波、微波通信技术中一个极其重要的部分5， 是毫米波、微波系统中不可缺少的器件，其性能的优劣往往会直接影响整个通信系统的质 量。近年来，随着滤波器结构的不断发展与更新，因为应用环境的不同，伴随出现了各种 不同结构的滤波器。1）集总参数滤波器根据滤波器原型电路，最简单，最直接的结构是采用集总参数的电感、电容元件直接 搭建滤波器电路，可以采用分立元件，也可以采用集成电路。集总参数滤波器的元件Q值 较低6，在10GHz频段的Q值大约为100-200,这比较适合于低频信号的滤波。由于现代移 动通讯频率都比较高，所以很少采用这类滤波器。2）微带线、带状线滤波器众所周知,布参数传输线可以等效为电感或电容，因此选用合理尺寸的传输线组合，可 以构成滤波器电路,最为常用的是微带线和带状线结构，可以很方便地制成印制板，造成本 低廉。在结构设计上，主要有三种方式：梳状线、线、卡线。这类滤波器的特点是结构紧 凑，阻带宽、容易制造；缺点是，Q值低（10GHz时Q值为150-200）,插入损耗大，滤波特 性一般。适用于小功率滤波场合。一些小功率，指标要求低的的干线放大器中，有使用。3）同轴腔体滤波器腔体滤波器因其通带插入损耗低、阻带抑制性高、承受较大功率、调谐方便等特点在 通信系统中也应用广泛。其中同轴腔体具有高Q值、损耗特性、电磁屏蔽和小尺寸等优 异特点，但是如果在10GHz以上使用时，由于其物理尺寸很微小，所以制作精度很难达到。 同轴腔形式的带通滤波器广泛应用于雷达、通信等系统，按照腔体结构不同，一般分为标 准同轴腔、方腔同轴等。4）波导滤波器波导型滤波器是一种经常使用的无源微波滤波器，特别是在高频段、大功率的天线馈 电系统中波导型滤波器能够发挥巨大的作用。波导腔体带通滤波器本质是一种选择频率电 路，应用在雷达、电子战、通信等设备的微波设备中，它易于连接馈电装置，适合应用于 较高功率的情况下，并且具有良好的性能。在信号的电平较小时，它一般都是用在8GHz 到100GHz的范围内91。这种滤波器的主要功能应用是在通频带插入损耗和失真较小的情 况下，使阻带的选择性能够得到足够的提供。比如说，在使用微波接收机时，不需要的带 外信号被带通滤波器滤除掉，为了使前段噪声的特性得到保持；在使用微波发射机时，不 需要的频率谱被滤波器减小，使得发射机的噪声不能传递到接收机。在不同的微波多工器 上此种滤波器也得到应用，但是它最大的缺点是其尺寸大小显然比其他可应用在微波段的 谐振器大。随着微波技术的迅猛发展，天线系统日趋复杂，对波导型滤波器的需求更大， 范围更广，同时也对其性能提出更高要求。5）介质滤波器介质滤波器分为两种，一种TEM模式，它和传输线型滤波器原理相同，只不过尺寸更 小,在400NHz-5GHz频率范围内的Q值为200-800,其插入损耗比较大，滤波特性也比较差， 一般只在性能要求低的中频滤波中采用；另一种为TE015模介质滤波器，其Q值非常高， 10GHz的Q值可以达到10000以上，900MHz时的Q值约为22000。这种滤波器兼有小尺寸和 低损耗的特点凹。直到现在，TE016模介质滤波器仍然是国际学术界研究非常活跃的课题，并且已经在 卫星通讯、移动通讯中获得了成功的应用。随着技术的不断进步和工艺、材料的不断改进， TE01S模介质滤波器在电气性能上远远超过了以往任何滤波器的水平。在大容量移动通讯 系统中，为了充分利用频率资源，相邻信道或收、发通道频率间隔非常小，如果采用传统 滤波器，其损耗大得难以接收，如两个相邻CDMA载频的滤波合路，则必须采用介质滤波 合路方式，才能做到既有效抑制相邻信号所谓干扰，又能不增加太多的插入损耗。可以预 见，在未来的3G系统中，TE01S模介质滤波器将会得到大量的应用。在下一代移动通信的基站中，对基站的重量和体积都有十分严格的控制。因此，必须 减小滤波器的重量和体积，与此同时不能降低滤波器的性能。在工艺、材料和微波技术发展至今的情况下，制造这些微波滤波器 选用高Q值、低损耗，具有一定介电常数的陶瓷材料加载介质谐振腔是一种必然，经过理 论和实践方面的长期努力和积累，已经将这种介质谐振腔滤波器应用在移动通信系统中， 而且会有很好的前景。伴着滤波器技术的不断完善，其他各种新型滤波器如SAW滤波器、陶瓷介质滤波器、 SIR滤波器、微波有源器件等也开始应用于各种通信系统中111。1.3国内外发展现状20年代初出现的载波电话系统，使得在电信领域内引发了一场伟大的技术革命，从而 迎来了电信历史的新纪元。它的快速发展促成了在检出信号和特定频带提取的新兴技术的 发展，这种技术慢慢的发展成为现在的滤波器技术。从电信早期的发展中可以看出电路中 滤波器发挥着极其重要的作用，而且随着通信技术不断的发展而取得进展。早期耦合谐振 器滤波器的综合理论基于Cohn的研究成果，主要针对同步调谐的级联谐振器滤波器设计， 这种结构的传输零点在无限远处，只能实现切比雪夫或巴特沃斯型响应，并未涉及广义切 比雪夫型响应。1970 年, Atia和Wiiliams提出了可实现有限频率传输零点的耦合谐振器滤 波器综合通用理论12。根据该理论，通过解析方法可以得到小于四阶的耦合谐振器滤波器 耦合拓扑结构。国外最早解决办法主要有以Cameron在1999年提出来的相似变换。Amari在2000年 提出的优化法为代表两条技术路径。前者基于矩阵旋转理论，通过一系列矩阵相似变换， 在保证耦合矩阵特征值和特征向量不变的前提下将不需要的矩阵元素消零，但这种方法仅 限于特定耦合拓扑结构（折叠规范型）。后来一些学者在此基础上给出了常见的拓扑结构的 耦合矩阵旋转方法。该方法计算效率高、精度高，但是不同结构需要不同的旋转顺序和步 骤，并不能得到任意拓扑结构的耦合矩阵。因此，结合多种方法对滤波