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同轴金属槽

课程设计Ⅲ

题目同轴金属槽的静电场可视化分析

学生姓名陈频学号1113014162

所在学院物理与电信工程学院

专业班级电子1105

指导教师帅春江

完成地点博远楼C1019

2014年12月3日

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

Abstract

Withtherapiddevelopmentofmobilecommunicationsystem,thequalityofmicrowavecomponentsisbecomingmoreandmoreimportant.Asamicrowaveband-passfilter,coaxialcavityfilteriswidelyappliedinmodernwirelesscommunicationandradarsystems,foritshighpowercapacity,lowinsertionlossandfarspuriouspass-band.

Basedontheresearchofcoaxialfilter,theelectromagneticpropertiesofcoaxialcavityresonatorareproposedinthepaper,includingresonantfrequency,couplingstructureandexternalQofthecavities.Thecouplingcoefficientoffiltercanbegettingbyutilizingresponsefunction.Thewidthofcouplingwindowsandin-put/out-putcouplinglinesareacquiredbyfullwavesimulationandoptimization.Atlast,acoaxialcavityfilterisdesignedandmeasured,whichhasperfectperformancesandissatisfiedwiththetechnicalspecifications.

KeyWords:

microwavefilterband-passfiltercoaxialresonatorfullwavesimulation

目录

一绪论1

1.1前言1

1.2常见的滤波器形式1

1.3国内外发展现状3

二滤波器的基本概念5

2.1滤波函数5

2.2微波滤波器参数6

2.3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8

3.1滤波器的设计步骤8

3.2滤波器的设计方法8

3.2.1前言8

3.2.2设计指标9

3.2.3参数计算9

3.3仿真与测试10

3.3.1仿真10

3.3.2实物加工与测试12

结论14

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[1]。

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[2]。

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--“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--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[3]。

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[4]。

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[7]。

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[8]。

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[9]。

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TE01δ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[10]。

直到现在，TE01δ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，TE01δ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，TE01δ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[11]。

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器拓扑结构进行综合已是大势所趋。

国内有报道采用遗传算法优化提取耦合谐振器滤波器的耦合矩阵。

近年来J.S.Hong、M.J.Lancanster、MingYu等也在微波滤波器与双工器的综合方面做出非常重要的贡献[13,14]。

七十年代初期，我国的老一代微波专家甘本祓、吴万春等，在前人研究的基础上，对微波滤波器的设计理论和方法进行了补充和完善，为我国微波滤波器的研究奠定了良好的基础。

80年代中后期的研究相关文献报道较少。

90年代有见零星报道。

进入21世纪后，这已经在国内成为研究热点,中国空间技术研究院的吴须大研究员对同轴腔滤波器与微放电、腔体滤波器与低气压放电等问题进行了细致的分析[15]。

电子科技大学的贾宝富，西安电子科技大学的梁昌洪、李刚等在微波滤波器、双工器和多工器研制上做出了一些探索并取得了一系列的成果。

二滤波器的基本概念

2.1滤波函数

理想的低通滤波器的衰减特性如图2.1（a）所示，即在ω＝0到ω1的频率范围内，衰减为零，称为通带，在ω>ω1的范围内频率衰减为∞，称为阻频带。

Ω为角频率大小，ω1称之为截止频率大小。

显而易见，有限个元件数目的电抗网络的频率衰减特性必是一个连续函数，必然不会在某一固定的频率上突变，像这种理想的滤波特性，是无法用有限个元件的电抗网络来实现，而实际中的滤波器只能通过逼近函数来逼近理想滤波器的衰减特性，所以，在滤波器综合设计时第一步是要确定一个无限接近理想频率衰减特性的滤波函数，然后再依据第一步得到的逼近函数综合出具体的电路结构。

实用中，有三种滤波函数使用最广泛，各对应的滤波器称为最平坦型、切比雪夫型和椭圆函数型滤波器，它们的衰减特性如图2.1（b）、（c）、（d）所示。

（a）理想特性（b）最大平坦型逼近

（c）切比雪夫型逼近（d）椭圆函数型逼近

图2-1常用逼近函数

1）最大平坦型响应

最大平坦型低通原型滤波函数为

（2-1）

它有四个指标参数：

通带内的最大衰减用LAr表示。

截止频率ω1，阻带内的最小衰减用LAs表示以及阻带的边频用ωs表示。

为了让获得的梯形电路通用于对各不相同的ω1和ωs的低通滤波器，可以使用归一化的频率

。

于是，其衰减函数为

（2-2）

综合低通滤波器过程为：

首先，通过四个指标参数LAr，ω1，LAs，ωs，确定常数ε和n，从而可以求得需要的滤波函数。

再次，根据第一步得到的这个函数，利用前面介绍的网络综合法来确定低通滤波器原型的梯形电路各元件值和结构。

ε是当ω'=1时计算通带内的最大衰减LAr得到的，即

n可以通过带外最小衰减获得

（2-3）

2）切比雪夫型响应

切比雪夫的低通原型滤波函数为

（2-4）

切比雪夫函数多项式为Tn（ω'）在ω'=0—1之间是余弦函数，因此衰减在ω'=0—1之间出现的时等波纹的变化，在ω'=1时，Tn

（1）=1，LAr达到其最大值，即

（2-5）

（2-6）

LAr是波纹幅度，ε是波纹的因数。

在通频带内，最小的衰减频率为零。

而当ω'>1时即阻带内时，Tn（ω'）是一个双曲余弦函数，若在阻频带ω's上，阻频带的衰减为

LAs，则有

（2-7）

3）椭圆函数响应

由图2.1（d）可见，由于椭圆函数滤波器的阻带衰减极点不全在无限远处，因而用这种滤波器可得到很陡的截止率。

图中LAr是通带最大衰减，LAs是阻带最小衰减，ω1是通带带边频率，ωs是阻带带边频率。

考虑n阶椭圆函数型低通变换器衰减特性，得到：

（2-8）

其中Fn是含有模为K的函数。

2.2微波滤波器参数

（1）带宽（Bandwidth）：

通带的3dB带宽（flow—fhigh）

（2）中心频率：

fc或f0

（3）截止频率：

下降沿3dB点频率

（4）插入损耗（insertionloss）：

当滤波器与设计要求的负载连接，通带中心衰减。

（5）带内波纹绝对衰减（Absoluteattenuation）：

阻带中最大衰减（dB）

（6）品质因数Q（qualityfactor）：

中心频率与3dB带宽之比

（7）反射损耗（Returnloss）

2.3低通滤波器到带通滤波器的转换

要依据低通的滤波器设计出一个带通的滤波器,它的截止频率是ω1和ω2，频率需要进行较复杂的变换，使低通原型滤波器的频率变量ω＇与带通滤波器的频率变量ω符合下面公式:

（2-9）

式中ω2是带通滤波器高端的截止频率，ω1是其低端的截止频率，ω0为中心频率，通常令

ω2-ω1称为该滤波器中的通频带，（ω2-ω1）/ω0称为该滤波器中的相对通频带W:

（2-10）

根据母型低通滤波器换算带通滤波器，电路元件变得更加复杂。

母型滤波器的电感应改为LC串联电路，它的电感Lk和电容Ck与母型的电感

保持以下关系:

（2-11）

（2-12）

母型滤波器的电容应改为LC并联电路，它的电容Ck+1和电感Lk+1与母型的电容

保持以下关系:

（2-13）

和

都可以从母型低通滤波器的元件表上查得。

三同轴腔带通滤波器的设计

3.1滤波器的设计步骤

滤波器的设计步骤为：

1）确定滤波器的类型和实现方式

根据技术指标要求，确定滤波器的类型和实现方式，包括低通、高通、带通还是带阻的确定，使用何种逼近函数模型，体实现形式（选择用微带线、同轴线还是用波导等实现）。

2）确定滤波器的阶数n

根据技术指标要求、逼近函数模型，确定滤波器的阶数。

n主要取决于带内插损、带外抑制以及所选择的衰减逼近函数模型。

即元件数n是由衰减特性曲线决定的。

可以通过查表可以得到，也可以通过一些公式计算得到。

3）查表得到低通滤波器原型的各元件值

其余三种滤波器可以从低通滤波器原型通过函数转换得到。

（一般滤波器都是对称设计的，也就是说知道一半的元件值就可以了。

）

4）使用电路仿真软件仿真

使用电路仿真软件仿真是为了优化电路各元件的值。

5）使用场仿真软件仿真

场仿真和实际相差较小，所以一般都会使用仿真软件来确定最终的设计。

6）实物加工与调试

3.2滤波器的设计方法

3.2.1前言

滤波器的设计当前有两种不同的出发点：

一种出发点是镜象参数法。

这种方法是过去人们一直用来设计滤波器的经典办法。

此方法的好处是它理论依据很简单，但在分析的过程中不会考虑到外接负载对滤波器的影响是它的缺点。

本文主要采用另外一种方法，故镜象参数法不作详细介绍。

另一种出发点是综合法，又称为插入损耗法，此方法是近些年以来采用的很普遍的设计方法。

此方法的步骤是：

依据需求的技术参数，得到插入损耗Li与频率ω的所决定的关系函数，再依据这个关系函数，推导出具体的相应的电路结构。

因此第二种方法是第一种方法的相反过程，此方法应用网络理论推求出具体的电路，反之镜象参数法是根据已知的电路参数拼凑出符合要求的电路结构。

设计准确是第二种方法的最突出优点,并且设计时将外界负载时的影响已经考虑进去,从而不用进行多次试探。

因为要用到比较难的网络理论这就使设计难度增大这是它的缺点。

尽管如此,因为只要设计出满足指定参数要求的母型滤波器,以后的设计步骤就成了简单的读图查表和使用数学方法数据将换算即可,相比较镜象参数法，综合法要比其更加实用。

3.2.2设计指标

设计指标：

♦通带频率：

1785-1800MHz（fL--fU）

♦插入损耗：

≤2.0dB

♦回波损耗：

≥15dB

♦带外抑制：

1700-1755MHz>30dB

1805-1830MHz≥20dB

1830MHz≥30dB

♦输入功率：

50W

♦工作温度范围：

-35~+75℃

♦接口类：

SMA（F）（特性阻抗50Ω）

3.2.3参数计算

经过带通滤波器到低通原型的变换,可以得到低通原型的带外抑制

（3-1）

由低通原型的带外抑制要求可以得到滤波器的级数n

（3-2）

根据技术指标，由以上公式算得n=5

由低通原型滤波器的级数n,求解其集总参数电路中各元件的归一化值,

根据公式:

算得元件的归一化值如表3.1所示：

表3-1元件归一化值

g0

g1

g2

g3

g4

g5

g6

1.0000

1.3712

1.1468

1.9750

1.3712

1.1468

1.0000

由低通原型中各元件的归一化值,求解同轴腔体之间各耦合系数以及端口的有载Q值

根据公式：

，

......

......

，

由技术指标要求得到:

K12=K45=0.0067

K23=K34=0.0051

QL=137.04

由滤波器级数指标要求f0和耦合系数M、R，确定腔体物理结构，以及耦合腔体开窗的尺寸。

3.3仿真与测试

3.3.1仿真

1、单腔

1）建立本征模求解模型

图3-1单腔模型图

表3-2单腔模型尺寸（单位：

mm）

腔高

腔宽

腔长

内圆柱半径

外圆柱半径

内圆柱高

外圆柱高

8

26

27.5

2

3.7

5.9

7.9

2）仿真

图3-2谐振频率与谐振柱高度关系曲线

由图3-2可知，当h=7.90mm时，谐振频率f0=1.7925GHz。

2、双腔

1）建立本征模求解模型

图3-3双腔模型图

2）仿真

图3-4窗口宽度与耦合系数的关系曲线

从图3-4得出，w12=9.40时K12=0.0051，w12=8.82时K12=0.0067。

由仿真、计算得到的数据如表3-3所示：

表3-3尺寸图（单位：

mm）

12腔

L12

W12

H12

X12

K12

w12

R12

r12

27.5

26

8

3

0.0067

8.82

3.7

2

23腔

L23

W23

H23

X23

K23

w23

R23

R23

27.5

26

8

3

0.0051

9.40

3.7

2

34腔

L34

W34

H34

X34

K34

w34

R34

r34

27.5

26

8

3

0.0051

9.40

3.7

2

45腔

L45

W45

H45

X45

K45

w45

R45

r45

27.5

26

8

3

0.0067

8.82

3.7

2

说明：

表3-3中L、W、H为单腔的长、宽、高，X是腔与腔之间的壁厚，r、R分别是圆柱腔的内、外半径。

3.3.2实物加工与测试

1）实物

根据仿真结果，加工制作了如图3-5所示的实物。

图3-5滤波器实物图

图3-5中，1是滤波器输入端；

2是耦合窗口调谐螺钉；

3是腔体调谐螺钉；

4是固定螺钉；

5是滤波器输出端。

2）根据加工的实物，在网络分析仪上进行调试，其测试结果如图3-6所示。

♦设计目标为：

通带1785—1800MHz内S21≥-2.0dB，回波损耗IL≥15dB。

带外抑制:

1805—1830MHz≤-20dB，1700—1755MHz或1830MHz≤-30dB。

♦实测结果为：

通带内S21为