介质腔体滤波器毕业设计论文1.docx

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介质腔体滤波器毕业设计论文1

目次

1引言………………………………………………………………………………………1

1.1介质谐振器的发展和应用………………………………………………………1

1.2介质滤波器的特点及应用……………………………………………………3

1.3本文的主要研究内容…………………………………………………………3

2介质腔体滤波器的理论设计………………………………………………………4

2.1滤波器基本原理………………………………………………………………4

2.2介质腔体滤波器的线路设计……………………………………………………8

2.3介质腔体滤波器的微波实现……………………………………………………10

3腔体介质滤波器的仿真设计………………………………………………………15

3.1AnsoftHFSS软件介绍…………………………………………………………15

3.2腔体介质滤波器的工作原理………………………………………………17

3.3腔体介质滤波器的仿真过程……………………………………………………17

4腔体介质滤波器的生产与调试……………………………………………………20

4.1介质谐振器与截止波导的生产………………………………………………20

4.2滤波器的调试……………………………………………………………22

5滤波器的测试结果及分析……………………………………………………22

结论……………………………………………………………………………………25

致谢……………………………………………………………………………………26

参考文献………………………………………………………………………………27

1引言

1．1介质谐振器的发展和应用

微波介质谐振器是国际上70年代出现的新技术之一。

1939年，R．D．Richtmyes就提出非金属介质体具有和金属谐振腔类似的功能，并把它称为介质谐振腔。

但是直到六十年代末才开始使用到微波电路中。

国内七十年代就有人研究，八十年代初报导了有关研究成果。

介质谐振器是用低损耗、高介电常数的介质材料做成的谐振器，已广泛应用于多种微波元器件中。

它具有如下特点：

①体积小，由于材料的介电常数高，可使介质谐振器的体积小至空腔波导或轴谐振器的1/10以下，便于实现电路小型化；②Q0值高，高0.1-30GHz范围内，Q0可达103-104；③基本上无频率限制，可以适用到毫米波（高于100GHz）；④谐振频率的温度稳定性好。

因此，介质谐振器在混合微波集成电路中得以广泛的应用。

目前，介质谐振器已用于微波集成电路中作带通和带阻滤波器中的谐振元件、慢波结构、振荡器的稳频腔、鉴频器的标准腔等。

①

在微波集成电路中，介质谐振器的形状通常为矩形、圆柱形和圆环形。

介质谐振器的谐振频率与振荡模式、谐振器所用的材料及尺寸等因素有关。

分析这个问题的方法早期是用磁壁模型法，即将介质谐振器的边界看成磁壁来分析，这种方法的误差较大，达10％。

现在较为精确的分析方法有变分法、介质波导模型法（开波导法）、混合磁壁法等，误差可小于1％。

人们已对常用的介质谐振器的谐振频率做了计算，对于给定了介电常数和尺寸的介质谐振器，可以直接从有关曲线图中求得其谐振频率。

对于介电常数为38的394材料做的圆柱形介质谐振器，它的频率与尺寸间的关系公式如下：

　　　（D/L＝2～2.5）（1.1）

　其中D为谐振器的外径，L为谐振器高度，εr为谐振器的介电常数，f0为谐振器的谐振频率。

对介质谐振器材料的要求是介电常数εr高、损耗正切tanδ小、频率温度系数ηf小。

孤立介质谐振器的无载Q0值取决于介质材料的Q值。

对于相对介电常数为100左右或者更高的介质谐振器，其无载Q0值可用下式近似估算：

（1.2）

但实际应用的介质谐振器都是放在波导中或微带基片上的，由于金属板上将产生传导电流引起导体损耗，所以介质谐振器的Q0值将降低。

本设计需要将谐振器放在支架上，支架的高度对谐振器频率有一定的影响，支架升高，频率相对减小；另一方面由于支架的增高，使得谐振器与波导顶的距离减小，同时谐振器频率又会有所升高，因此我们在选择谐振器和支架时，要综合考虑这些因素的影响，从而得出比较接近的值，后面将介绍由这些因素的影响而得出的计算谐振器频率的公式。

1．2介质滤波器的特点及应用

介质谐振器滤波器是微波滤波器电路技术的一个新发展，它可以满足微波滤波器尺寸小、低插损但能集成的电路要求。

虽然微波毫米波滤波器的研究具有悠久的历史，但是传统的设计和实现高品质的技术，如利用传统金属波导或利用微带线的滤波器实现技术，不是造价昂贵就是很难达到所要求的技术指标。

要实现高质量的移动通信，控制干扰信号进行通信信道十分关键，一方面要控制通信信道外的干扰对通信道的影响。

另一方面，在同一通信系统内还要控制通信通道内的相互干扰。

为了达到此目的，在移动通信基站中就要设置高质量的微波滤波器。

不管通信体制是时分制还是频分制，这种微波滤波器都是必不可少的。

本文介绍的介质腔滤波器，应用于移动码分地球站和8路数字微波接力机中。

由于卫星地球需要同时接收通信信号和信标，为此还研制了介质腔分频器。

在6GHz,7GHz,8GHz等频段中实现的带通滤波器实测性能与美国AD－TECH　Micowave公司1983年报导的数据相当。

移动码分地球站收发信号系统用微带混合集成电路，除高功率用行波外，全机场效应管化。

其中4GHz予选器和6GHz上变频输出滤波器采用介质谐振腔带通滤波器。

在8路数字微波接力机中，微波信道机全机场效应管化，采用微带混合集成电路，介质谐振腔稳频振荡器作本振源，前、后予选滤波器用介质腔带通滤波器。

初步实现了微波机的集成化、小型化。

②

而采用介质谐振器组成的腔体滤波器具有比较明显的优势，首先单个谐振器具有较高的频率和Q值，因此具有良好的性能；另外它采用的是电磁耦合的方式，适用于微波通讯、雷达、电子对抗、军事、航空航天等领域，是一种新型的，有发展前途的器件。

1．3本文的主要研究内容

介质腔体带通滤波器是一种窄带高性能滤波器，具有带内低插耗，带外高抑制等优点。

在1％-0.5％或更窄带宽均可实现，带内插损可在1dB左右，带外抑制大于60dB，带内起伏可达±0.25dB，一般第一个寄生通带高出工作通带中心频率的20％左右，与理论值基本一致。

本文介绍的介质谐振器滤波器要求：

中心频率为5.5GHz，带宽为25MHz，插入损耗为2dB，通带波动0.5dB，驻波比1.5。

就此滤波器的理论可行性和实际生产而言是没有问题的，但是由于考虑到实际生产中谐振器频率的问题，现将设计指标定为中心频率为6GHz，其它参数不变。

与其它滤波器相比，此滤波器应用于较大功率和对阻带衰减（即矩形系数）要求较高的场合，具有比较明显的优势，但由于其设计具有方法的特殊性，要突破原有设计经验的束缚，并总结出此种滤波器的设计规律，将理论和生产实际有机地结合起来，这也作为此滤波器设计的主要目的。

介质谐振器带通滤波器使用至今，其主要结构还是两种：

一种是微带型；另一种是截止波导型。

由于微带型损耗较大，一般对于频率高于8GHz的微波带通滤波器都不使用它，而采用插损较小的截止型带通滤波器。

截止型滤波器的设计由于受很多因素的影响，如介质谐振器的介电常数和其尺寸、垫衬材料及其厚度、滤波器外壳尺寸等。

另外理论也不完善。

因而很难达到统一的最佳形式。

本文从理论上对此种滤波器做一些基本的描述，并通过设想与前人总结的一些理论计算，及ANSOFT软件的精确仿真，总结出此种滤波器的一些设计规律和方法。

2介质腔体滤波器的理论设计

2．1滤波器基本原理

理想的滤波器应该是这样的一种二端口网络：

在通带内它能使微波信号完全传输，而在阻带内它使微波信号完全不能传输。

然而我们只能设计一个尽可能接近理想滤波器特性的滤波器。

与其他微波器件一样，对于微波滤波器同样也有两类问题需要研究，一是分析，二是综合。

已知滤波器的电路结构和元件参数，计算它的工作特性，这属于分析问题；与此相反，从预定的工作特性出发，确定滤波器的电路结构和元件数值，这一过程则属于综合问题。

在实际工作中遇得较多的是综合问题。

滤波器的综合设计一般包括四个环节：

根据系统要求确定滤波器的工作特性，选择适当的描述上述工作特性的逼近函数的数学表达式，确定滤波器的集总参数的网络结构，选择合适的微波结构予以实现。

下面将详细介绍滤波器设计的一般流程。

2.1.1滤波器设计一般流程

一般的滤波器都可以看做是一个二端口网络，按照微波系统的要求，可以确定滤波器的工作特性。

工程上习惯于用插入衰减L来描述滤波器的工作特性。

L定义为当网络输出端口接匹配负载时，网络输入端口的入射功率Pi与负载所得到的功率PL之比，常用对数表示为

（dB）（2.1）

按照滤波器插入衰减的频率特性不同，一般将滤波器的工作特性分为四类：

低通、高通、带通和带阻。

本论文的指标为一带通滤波器。

对于一个微波滤波器有下列几项主要技术指标：

1、通带载止频率和通带最大插入衰减；

2、阻带边界频率和阻带最小插入衰减；

3、寄生通带；

4、插入相移和时延频率特性

所谓插入相移是信号通过滤波器后所引入的滞后相位，即网络散射参数S21的相角

，它是频率的函数，

随着ω的变化曲线即为滤波器的插入相移频率特性。

对于不同类型的滤波器，我们并不需要一一自始至终地进行综合设计，简单的方法是将低通原型滤波器分析清楚，然后利用频率变换将低通、高通、带通、带阻滤波器变换成低通原型来综合设计。

在工程上只能用一些函数去尽量逼近理想的衰减特性。

常用的逼近函数有三种：

最平坦函数、切比雪夫多项式和椭圆函数。

这三种逼近函数分别形成低通原型滤波器的三种衰减频率特性，而与之对应的滤波器分别称为最平坦式滤波器、切比雪夫式滤波器和椭圆函数式滤波器。

这三种逼近函数所形成的衰减频率特性各有特点，其中最平坦式的特性表现为插入衰减L随频率的增加而单调增大，但L随频率的增加的速率比较缓慢，即由通带过渡到阻带的频带比较宽，这是它的不足之处。

切比雪夫式的特性表现为通带内衰减量有等起伏变化，通带外衰减量L单调增大，与最平坦式的特性相比，其过渡带较窄，即由通带过渡到阻带比较陡。

椭圆函数式的特性表现为无论是在通带内还是在通带外，衰减量L都有起伏变化，它的过渡带更窄，其带外衰减的上升斜率在三种滤波器中为最大，但由于其电路结构复杂，元件数目多，因而不及前两种滤波器用得普遍。

①

当逼近函数选定后，运用数学运算可得出由电感和电容等集总参数元件所构成的梯形网络结构。

如何将滤波器的梯形网络结构在微波工程中具体实现是微波滤波器不同于低通滤波器的关键问题。

在微波工程中，研究的是分布参数电路，据工作频段及功率容量的不同要求选择不同的微波传输线形式，确定它们的形状和尺寸，用它们具有的分布参数去替代上述梯形网络中的集总参数。

滤波器规格的定义

滤波器电路的选择

满足滤波器的转移函数的构成

滤波器电路中元件值的计算

具有耗尽和容差的滤波器性能的分析

否

否

它满足规格吗？

是

构成和测试实验室模型

图1滤波器设计流程图

2.1.2由低通原型滤波器到耦合谐振腔滤波器的变换

低通原型滤波器是设计各种微波滤波器的基础。

所谓低通原型滤波器，是实际的低通滤波器的频率对通带截止频率归一化，各元件阻抗对信源内阻归一化后的滤波器。

在此就应用最为广泛并为本设计所应用的切比雪夫式滤波器的设计过程进行讨论。

切比雪夫式低通原型衰减频率特性的表达式为：

（2.2）

L与ω及Ω的关系即为等波纹式低通滤波器插入衰减频率特性图（如下图）

图2等波纹式低通滤波器插入衰减频率特性图

（a）N=3（b）N=2

由图2可知，其特点是通带内L的零点个数等于N。

当N为奇数时曲线过原点，当N为偶数时则不过原点。

据切比雪夫多项式在自变量不同值域内具有不同形式的特点，可写出通带和阻带内的插入衰减表示式分别为

　　　　Ω≤1（2.3a）

　　　　Ω＞1（2.3b）

在截止频率处，Ω＝1，

，因而

（2.4）

当LP给定后，常数ε可按下式计算

（2.5）

阻带内的最小插入衰减为

（2.6）

当ε、Ωs确定后便可由给定的Ls确定元件数目N，为

（2.7）

反之，如果给定ε、Ωs及N亦可计算出Ls的值。

2.1.3腔体耦合滤波器的电路模型

N个腔体构成的腔体滤波器的等效电路如图所示，其中L、C的R分别表示电感、电容和电阻，I表示电流回路。

应用基尔霍夫电压定律，我们可以得到等效电路的回路方程：

（2.8）

其中Lij=Lji表示两个谐振器之间的互感，es为电压源值。

如果电路中所有的谐振器是相同的，即L=L1=L2=…＝LN与C=C1=C2=…=CN，并且在工作频率附近和窄带的条件下可以认为ω/ω0≈1，则上式可表示为：

（2.9）

其中

，滤波器相对带宽

，

。

2.2介质腔体滤波器的线路设计

由前面对滤波器基本原理及设计流程的阐述，下面我们根据以上的基本原理来设计此滤波器。

2.2.1介质腔体滤波器规格的定义

此滤波器要求实现以下指标：

中心频率为6GHz，带宽为25MHz，插入损耗为2dB，通带波动0.5dB，驻波比1.5，在f0±50MHz处衰减不小于70dB。

这属于滤波器设计的综合问题。

在确定了滤波器的工作特性之后，要选择滤波器的逼近函数，前面对滤波器的逼近函数已作了简单的介绍，由于最平坦式滤波器不能满足以上指标的要求，而椭圆函数式滤波器实现又较为困难，因此选用切比雪夫式滤波器作为此滤波器的逼近函数。

2.2.2滤波器级数的确定

前面对滤波器逼近函数的选择及由低通原型滤波器到带通滤波器的设计已有简单的介绍，下面通过低通原型来确定滤波器的节数：

在确定滤波器的节数时，我们可以通过理论计算和查图表法来完成：

我们要求中心频率为6GHz，带宽25MHz，通带波动0.5dB，阻带在f0±50MHz处衰减不小于70dB。

首先通过频率变换计算出归一化频率为：

（2.10）

式中，

＝0.416％为相对带宽。

计算可得Ω1＝-4.0168，Ω2＝3.98347。

因

，故用Ω2来确定N。

由此可通过查切比雪夫式低通原型滤波器阻带衰减频率特性图（见附录）得N＝5；也可通过下面的计算得出介质腔体滤波器的节数，具体计算如下：

由式（2.5），可得

＝0.122；

由式（2.7），当ε、Ω确定后便可由给定的Ls确定元件数目N

＝4.761158，因此选N＝5来进行仿真。

但由于用5级谐振腔滤波器进行仿真时，阻带不能满足指标的要求，在进行多次仿真处理后，N=6能满足指标的要求。

2.2.2滤波器的网络结构

在滤波器级数确定之后，由理论计算或查表法可以得出由电感和电容等集总元件构成的梯形网络结构，其梯形网络如图3所示：

在此我们通过查表法来确定通带波动为0.5dB的归一化元件值为：

g0=1；g1=1.7254；g2=1.2479；g3=2.6064；g4=1.3137；g5=2.4758；g6=0.8696；g7=1.9841。

由

（k=1,3,5…）

　　　（i=2,4,6…）可得

图3归一化带通滤波器电路图

2.3介质腔体滤波器的微波实现

2.3.1介质腔体滤波器的结构

图4介质腔体滤波器的基本结构图

图4是介质腔滤波器的典型结构。

这种结构的滤波器计算简单，性能良好，是一种很实用的微波带通滤波器。

介质腔与探针电路装在封闭的金属盒内，金属屏蔽盒不仅有防止外界电磁干扰的作用，它与微带电路基片一起构成一段部分填充介质的截止波导，适当地选择屏蔽盒截面尺寸，使其截止频率远高于滤波器的通带频率，则介质谐振器与通常空腔谐振器一样，能够有选择地传递所需信号频率的能量。

传至介质谐振器附近的信号，假如其频率与介质的TE01δ模谐振频率不一样，介质谐振器不被激励，同时又由于屏蔽盒的截止波导作用，信号能量不能通过，这样就构成了滤波器的阻带。

当其频率与介质腔TE01δ模的谐振频率相同时，滤波器输出端的介质腔被激励，此时介质腔等效于一个磁耦极子发生耦合，从而进行能量传递，信号能量经介质腔一个传至一个直至最后一个，再通过微带输出结构，构成滤波器的通带，介质谐振器的个数选取与通带特性有关，圆柱形介质腔的TE01δ模Q值很高，谐振曲线可以很尖锐，满足一定的阻带衰减，同时通带的矩形系数较好。

2.3.2截止波导尺寸参数的确定

矩形波导是横截面为矩形的空心金属管。

在这种单导体的空心波导中不可能存在TEM波，只能存在TE波或TM波，属于色散导波系统。

一般来说不同的场分布具有不同的传播特性，但由于它们都能满足矩形波导的边界条件，因此都能独立地存在于矩形波导中，于是在矩形波导中便有了TEmn和TMmn两个系列无限多种不同的模式。

但是在由TE01δ模谐振器组成的谐振腔滤波器，在波导中就要求只能传输TE01δ模式波，这就需要通过选择合适的波导尺寸来截止其他模式波，可通过下式来根据不同模式的截止波长（λc）mn来确定所需截止模式对应的波导尺寸：

　　　　　（m,n=0,1,2,…）（2.11）

将m＝0，n＝1，

mm，代入式（2.11），可算得b=25mm，也即只需b<25mm，即可将所有模式的波截止，但考虑到波导尺寸与插损及阻带有一定的关系，以及生产实际及目前小型化对产品的要求。

波导尺寸大，插损会小，但阻带可能会较差，同样不利于产品小型化；反之，阻带较好，插损则较大。

我们就要在满足要求的情况下，选择合适的波导尺寸，因此暂定波导尺寸为a=13mm，b=16mm（考虑到谐振器大小及仿真的可行性后得出的结论），由于截止波导尺寸对产品仿真的影响因素是多方面，因此在选择此尺寸进行仿真时一般不对其参数进行更改。

以后对产品进行合理化处理后，会选择更加合适的尺寸。

2.3.3介质谐振器尺寸的确定

介质谐振器尺寸的选择是根据我厂现有产品的频率，及现有模具我们选用我厂介电常数为38的394材料做为此介质谐振器的材料，此材料具有较高的Q值，选用介质谐振器的模具为外径10.54mm，成瓷后外径为9mm；支架采用介电常数为6.5的Z06材料进行生产，根据目前现有模具，选用外径为4.76mm的模具来生产支架，成瓷后支架外径为4mm，高度选为3.5mm。

由介质谐振器的频率可用磁壁法方便地计算出介质谐振器的尺寸，给定谐振波长λ0，谐振器介电常数εr，垫片介质常数εs，以及L1、L2、D、a，如图所示，可算得

（2.12）

其中

图5介质谐振器尺寸与位置图

将以上数据代入上述式子，可得谐振器的高度为L＝3.9mm；但由于在仿真过程中理论计算值不能满足指标要求，将谐振器高度L改为3.52mm。

由此公式我们可以看出，影响谐振器尺寸的因素有支架高度、支架所用材料、谐振器所用材料、波导尺寸等；同样，这些因素也就决定了谐振器的频率，由理论及实践可知，支架越高，其频率越低；谐振器直径越小，频率越高，高度越高，频率越低；谐振器与波导顶的距离越小，谐振器频率越高等。

这些为我们进行滤波器的设计提供了大量的支持，特别是在对滤波器调试方面，在我们的谐振器频率不可能完全一致的情况下，我们可以通过在波导的顶部加上螺钉来调节振子频率，使滤波器设计合理化、快速化。

但螺钉在对谐振器进行调节的过程中，必然导致谐振器的Q值降低，从而使滤波器的插入损耗增加，因此我们在进行设计时要尽量地少用螺钉进行调节，这就一方面需要我们的谐振器频率的一致性较好，另一方面，我们在滤波器设计生产过程中要不断地对谐振器的参数进行反馈处理，找到谐振器的准确尺寸，为以后的调试提供方便。

2.3.4耦合理论参数确定

谐振器腔体滤波器是通过谐振器与输入输出结构的耦合以及谐振器之间的耦合实现的，所以耦合的分析是关键。

介质之间的耦合系数与它们的距离密切相关，距离越近，耦合越强，距离越远，耦合越弱。

所以要制作较宽频带的滤波器，必须增加每级谐振器间的耦合，这样就要把它们的间距做得较小，相反，要做较窄带的滤波器，就需要耦合较弱，谐振器间的距离较大。

宽带耦合输入结构是滤波器激励信号到第一级介质的耦合结构，而输出结构则是滤波器的最后一级介质与输出之间的耦合。

我们采了一些特殊方法，使其耦合加强，能达到较宽的带宽。

由于带宽较宽，带内波动的问题亦是调配时的一个难点，需仔细调整才能达到较好的结果；反之亦然。

1、介质谐振器间的耦合距离

介质谐振器之间的耦合不仅决定着滤波器的带宽，同样对滤波器的驻波、阻带、插入损耗、通带波动都有着很大的关系。

因此计算准确的耦合距离也就至关重要，下面给出了谐振器间耦合系数及耦合距离的计算方法：

通过求两个介质谐振器之间的耦合系数即可得到耦合距离。

耦合系数可用耦合介质谐振器的等效电路计算，也可用微扰法计算，下面给出了用等效电路导出的计算公式：

两谐振器间的耦合系数计算公式为：

（j=1～N-1）（2.13）

式中W＝（f2-f1）/f0＝0.416％为滤波器的相对带宽。

由前面梯形网络的归一化元件值：

g0=1；g1=1.1681；g2=1.4039；g3=2.0562；g4=1.5170；g5=1.9029；g6=0.8618；g7=1.3554。

可计算出各谐振器间的耦合系数为

K12＝0.00284；K23＝0.00231；K34＝0.00225；K45＝0.00231；K56＝0.00284。

两谐振器间的耦合距离可用下式计算：

（2.14）

通过式（2.14）可计算出两谐振器间的距离分别为：

S12＝22.81mm；S23＝23.81mm；S34＝23.93mm；S45＝23.81mm；S56＝22.81mm。

螺钉在微波技术中作为一个可调电抗元件，在此种滤波器耦合调节中也起着重要的作用，在对螺钉的深入是增大了振子间的耦合还是减小振子间的耦合问题上，一度在仿真设计阶段困扰着我们，最初我们一致认为螺钉的深入是减小振子间的耦合，然后当我们在对三腔滤波器进行仿真时，加入螺钉，带宽增加，驻波变高，这一系列的现象说明了螺钉是起着增大耦合的作用的，这也为我们设计提供了依据，在对理论值进行计算后，我们需对这个值加入一定的余量，因为我们对谐振器的定位不可能像在电脑上仿真那样准确无误，加入的余量，我们可以通过螺钉的调节，轻易的实现滤波器的调试。

因此我们选择如下耦合参数进行仿真，S12＝21.95mm；S23＝23.65mm；S34＝23.8mm；S45＝23.65mm；S56＝21.95mm。

其仿真结果在后面有详细的说明。

图6介质谐振器耦合距离分布图

2、输入输出与谐振器间的耦合距离

输入输出与谐振器间的耦合的方式是多种多样的，可以用微带耦合、环耦合、探针耦合等，在此我们选择了设计相对简单的探针耦合。

探针耦合需要注意以下问题：

探针位置及探针长度的选择，探针与谐振器间的耦合距离的确定等。

滤波器终端耦合距离可通过计算端头谐振器的外载Q值而得到。

这里给出了等效理想变压器原理得到的计算公式

（2.15）

为所要求的外载Q值。

。

R2为同轴线特性阻抗。

通过计算可得St＝10

对于输入输出间的耦合由于理论上的不完善性，我们在设计过程中基本上是依据设计经验来进行不断调整实现的，在此以理论结果作参考，实践结论为最终结果，其仿真结果为9.8mm。

最终确定探针长度及探针位置为9.8mm。

另外探针的位置和探针的长度对滤波器性能也起着重要的作用，根据理论分析可知，探针应处于所在壁的中间位置，当然它也随着振子位置的改变可以有相应的调整；至于探针的长度对滤波器性能的影响