一种小型化腔体滤波器的设计

梅锦洲

（广东盛路通信科技股份有限公司，广东 佛山 528100）

0 引 言

滤波器作为重要的无源器件，在雷达、微波通信系统中占据着重要地位，其性能指标直接影响系统的带宽、信噪比、带外抑制及抗干扰能力。常用的滤波器从结构形式上来看，主要分为无源滤波器、晶体滤波器、声表面滤波器、腔体滤波器、微机械结构滤波器、平面结构微带滤波器以及低温共烧陶瓷（Low Temperature Cofired Ceramic，LTCC）滤波器等[1]。其中，腔体滤波器主要有梳状、介质以及波导等形式，具有高Q值、低插入损耗以及大功率容量。传统的腔体滤波器结构尺寸较大，难以满足集成化要求，而且容易在2次谐波或3次谐波处产生明显的寄生通带，带外抑制指标较差，严重影响滤波器的带外抑制能力。因此，研究小型化高性能滤波器对于雷达、微波通信系统的发展具备重要的意义[2]。

本文介绍了一种P波段腔体滤波器的设计方法，通过引入电容加载技术，极大地缩小了滤波器的结构尺寸。采用三维电磁场HFSS仿真与参数提取相结合的方式实现滤波器的快速精准设计，所设计的滤波器各项指标均满足要求，仿真与测试结果相吻合，具有一定的有效性。

1 滤波器设计原理

设计滤波器的基本思路是从集中参数出发，通过变换频率得到集中参数电路模型，最后通过各种结构进行实现。按照滤波器的特性，可分为切比雪夫、巴特沃斯、椭圆函数3种低通原型滤波器。其中，切比雪夫滤波器带内为等波纹特性，阻带平坦；巴特沃斯为最大平坦滤波器，传输极点全部位于虚轴的左侧；椭圆函数滤波器带内、外均具有等波纹特性。由于切比雪夫滤波器具有带内等波纹特性，而且其传输零点可控，因此被广泛应用于滤波器的设计。

广义切比雪夫滤波器综合设计过程中需要解决广义切比雪夫多项式的递推关系问题，通过应用广义切比雪夫多项式递归技术，可以根据腔体滤波器函数综合出耦合微波网络的矩阵[3]。具体来说，假设滤波器有N个谐振腔，谐振器的归一化耦合矩阵可以表示为：

式中，mij（i≠j）表示不同谐振器之间的耦合强度，mij＞0表示电耦合，mij＜0表示磁耦合；mij（i=1,2,…,n）表示第i个谐振器的谐振频率与中心频率之间的差异情况。

针对广义切比雪夫滤波器，其传输零点、反射零点以及传输奇点、反射奇点均可通过求解留数的思想进行获取。利用传输多项式以及反射多项式推导导纳矩阵，进一步可以利用导纳矩阵推导出初始的耦合矩阵，最后对式（1）进行化简计算。设计过程中，可编写相应的设计程序或通过软件辅助工具完成耦合矩阵的提取工作[4]。

对于腔体滤波器来说，基本单位为单腔谐振器，谐振器之间的耦合形式主要有直接耦合、空间耦合、探针耦合、膜片耦合以及耦合环耦合等，本设计谐振器之间的耦合采用空间耦合结构。整体滤波器采用易于实现且便于调试的梳状滤波器结构，由数个横电磁模谐振器通过平行耦合构成[5]。各谐振器的底端与金属壳体连接，均为短路状态，顶端经过集总电容接地。

2 谐振器设计

依据滤波器的指标首先确定滤波器的阶数、传输函数，其次综合得出滤波器的耦合矩阵，同时根据滤波器的尺寸要求、插入损耗及功率容量来选取滤波器的结构形式，最后通过综合设计及仿真优化来确定滤波器的具体尺寸结构。以P波段滤波器的设计为例，其技术指标要求中心频率f0为570 MHz、带宽为60 MHz、插入损耗小于0.4 dB、通带回损耗大于20 dB、带外抑制大于20 dB、2次谐波和3次谐波抑制大于60 dB、峰值功率大于400 W。

2.1 耦合矩阵的提取

采用三维电磁仿真软件CST filter Designer3D（版本号为2021 R1）进行辅助设计，以提取滤波器的耦合矩阵。依据上述指标要求，可以采用广义切比雪夫滤波器函数。通过综合分析，采用四阶线性耦合结构即可满足指标要求。提取滤波器的耦合矩阵为：

设计的耦合矩阵包含4个谐振器，各谐振器谐振频率耦合系数m11=m22=m33=m44=0；第1、2个谐振器之间的耦合系数m12=m21=0.910 58，第2、3个谐振器之间的耦合系数m23=m32=0.699 92，第3、4个谐振器之间的耦合系数m34=m43=0.910 58，输入输出耦合系数mS1=m4L=1.035 15。滤波器的理想响应曲线如图1所示。

图1 滤波器耦合矩阵理想响应曲线

2.2 单腔谐振频率

为了使滤波器实现小型化，采用电容加载技术进行滤波器的谐振器设计。在谐振杆上方增加矩形电容片，并在谐振杆内部嵌入介质环，调谐螺钉配合增大谐振电容，可以降低谐振器的谐振频率，从而极大缩小谐振杆的长度，达到滤波器的小型化设计要求。单腔谐振器的模型如图2所示。

图2 单腔谐振器模型

通过本征模仿真方法，可以获取谐振器的谐振频率随调谐螺钉深度的变化曲线如图3所示。调谐螺钉深度为15 mm时，谐振器的谐振频率处于中心频率570 MHz附近。

图3 单腔谐振频率随调谐螺钉深度的变化曲线

2.3 谐振器间耦合

针对谐振器的耦合结构，采用空间耦合形式。对于两个对称结构的谐振器组合模型，即谐振器耦合前的谐振频率相同，那么谐振器的耦合系数可以简化为通过旋转谐振杆上方的金属方形片来调整耦合量偏差。谐振器耦合设计如图4所示，耦合系数与谐振器间距的仿真结果如图5所示。

图4 谐振器间的耦合结构

图5 耦合系数与谐振器间距的关系曲线

2.4 滤波器输入输出结构

腔体滤波器与外围电路的结构类型主要有直接耦合和变换器耦合。其中，直接耦合是磁性耦合结构，结构简单，而变换器耦合是容性耦合，变换器处于过耦合状态。输入输出结构的引入会改变腔体谐振频率的改变，当输入输出结构为电耦合时，耦合量增加谐振频率下降；当输入输出结构为磁耦合时，耦合量增加谐振频率上升。变换器耦合实际上存在两次耦合过程，外部电路信号耦合到变换器杆，变换器杆将信号耦合到谐振杆，从而实现外部电路信号与谐振杆的耦合。此外，不管第一级耦合使用电耦合还是磁耦合，最后结果均为电耦合。通过有载Q值来计算耦合系数K01，即：

图6 输入输出耦合结构

图7 群时延与频率的关系曲线

2.5 滤波器整体设计与优化

基于上述单腔设计、谐振器间的耦合和滤波器的输入输出耦合结构的设计，可以初步建立滤波器的整体仿真模型如图8所示。

图8 滤波器的整体仿真结构

通过多次参数提取、仿真优化滤波器结构尺寸后，在540 ～600 MHz的通带范围中滤波器的插入损耗小于0.3 dB、回波损耗优于22 dB，滤波器效果优于同类器件，达到设计目标[6]。获得滤波器的整体仿真优化结果如图9所示。将该设计转换为滤波器实物，使用安捷伦网络分析仪对其进行测试，测试结果如图10所示。

图9 滤波器的整体仿真优化结果

图10 电性能测试结果

3 结 论

本文采用电容加载技术基于HFSS设计了一款P波段小型化腔体滤波器，在通带范围内回波损耗优于22 dB、插入损耗小于0.3 dB、带外抑制大于21 dB，而且2、3次谐波抑制大于50 dB。经耐功率测试，承受峰值功率达到400 W，同时做到了防水、防潮、防霉以及防盐雾的高可靠性和环境适应性。其总体性能优于同类器件，实现了滤波器的小型化设计，对提高雷达、通信等系统的稳定性有重要意义。