1、目次1引言 11.1介質諧振器的發展和應用 11.2 介質濾波器的特點及應用 31.3 本文的主要研究內容 32介質腔體濾波器的理論設計 42.1 濾波器基本原理 42.2介質腔體濾波器的線路設計 82.3介質腔體濾波器的微波實現 103腔體介質濾波器的仿真設計 153.1 An soft HFSS 軟件介紹 153.2 腔體介質濾波器的工作原理 173.3腔體介質濾波器的仿真過程 174 腔體介質濾波器的生產與調試 204.1介質諧振器與截止波導的生產 204.2濾波器的調試 225 濾波器的測試結果及分析 22結論 25致謝 26參考文獻 271引言1.1介質諧振器的發展和應用微波介質諧振

2、器是國際上70年代出現的新技術之一。1939年，R. D. Richtmyes 就提出非金屬介質體具有和金屬諧振腔類似的功能，并把它稱為介質諧振腔。但是直 到六十年代末才開始使用到微波電路中。國內七十年代就有人研究，八十年代初報導 了有關研究成果。介質諧振器是用低損耗、高介電常數的介質材料做成的諧振器，已廣泛應用于 多種微波元器件中。它具有如下特點：體積小，由于材料的介電常數高，可使介質 諧振器的體積小至空腔波導或軸諧振器的1/10以下，便于實現電路小型化； Qo值高，高0.1-30GHZ范圍內，Qo可達103-104;基本上無頻率限制，可以適用到毫米 波（高于100GHz）;諧振頻率的溫度穩

3、定性好。因此，介質諧振器在混合微波集成 電路中得以廣泛的應用。目前，介質諧振器已用于微波集成電路中作帶通和帶阻濾波 器中的諧振元件、慢波結構、振蕩器的穩頻腔、鑒頻器的標準腔等。在微波集成電路中，介質諧振器的形狀通常為矩形、圓柱形和圓環形。介質諧 振器的諧振頻率與振蕩模式、諧振器所用的材料及尺寸等因素有關。分析這個問題的方法早期是用磁壁模型法，即將介質諧振器的邊界看成磁壁來分析，這種方法的誤差 較大，達10%。現在較為精確的分析方法有變分法、介質波導模型法（開波導法） 混合磁壁法等，誤差可小于1%。人們已對常用的介質諧振器的諧振頻率做了計算， 對于給定了介電常數和尺寸的介質諧振器，可以直接從有關

4、曲線圖中求得其諧振頻 率。對于介電常數為38的394材料做的圓柱形介質諧振器，它的頻率與尺寸間的關 系公式如下：D.57- D 3.88f。、r 丄(D/L = 2 2.5)(1.1)其中D為諧振器的外徑，L為諧振器高度， r為諧振器的介電常數，f0為諧 振器的諧振頻率。對介質諧振器材料的要求是介電常數 r高、損耗正切tans小、頻率溫度系數n f小。孤立介質諧振器的無載 Q0值取決于介質材料的Q值。對于相對介電常數為100左右或者更高的介質諧振器，其無載 Q0值可用下式近似估算:Q0(1.2)但實際應用的介質諧振器都是放在波導中或微帶基片上的，由于金屬板上將產 生傳導電流引起導體損耗，所以介

5、質諧振器的 Q0 值將降低。 本設計需要將諧振器放 在支架上，支架的高度對諧振器頻率有一定的影響，支架升高，頻率相對減小；另一 方面由于支架的增高，使得諧振器與波導頂的距離減小，同時諧振器頻率又會有所升 高，因此我們在選擇諧振器和支架時，要綜合考慮這些因素的影響，從而得出比較接 近的值，后面將介紹由這些因素的影響而得出的計算諧振器頻率的公式。12 介質濾波器的特點及應用介質諧振器濾波器是微波濾波器電路技術的一個新發展，它可以滿足微波濾波 器尺寸小、低插損但能集成的電路要求。雖然微波毫米波濾波器的研究具有悠久的歷 史，但是傳統的設計和實現高品質的技術，如利用傳統金屬波導或利用微帶線的濾波 器實現

6、技術，不是造價昂貴就是很難達到所要求的技術指標。要實現高質量的移動通信，控制干擾信號進行通信信道十分關鍵，一方面要控 制通信信道外的干擾對通信道的影響。另一方面，在同一通信系統內還要控制通信通 道內的相互干擾。為了達到此目的， 在移動通信基站中就要設置高質量的微波濾波器。 不管通信體制是時分制還是頻分制，這種微波濾波器都是必不可少的。本文介紹的介質腔濾波器，應用于移動碼分地球站和 8 路數字微波接力機中。 由于衛星地球需要同時接收通信信號和信標，為此還研制了介質腔分頻器。在6GH z,7GHz,8GH等頻段中實現的帶通濾波器實測性能與美國 AE TECH Micowave公 司 1983 年報

7、導的數據相當。移動碼分地球站收發信號系統用微帶混合集成電路，除 高功率用行波外，全機場效應管化。其中 4GHz予選器和6GHz上變頻輸出濾波器采用 介質諧振腔帶通濾波器。在 8路數字微波接力機中，微波信道機全機場效應管化，采 用微帶混合集成電路，介質諧振腔穩頻振蕩器作本振源，前、后予選濾波器用介質腔 帶通濾波器。初步實現了微波機的集成化、小型化。 而采用介質諧振器組成的腔體濾波器具有比較明顯的優勢，首先單個諧振器具有較高的頻率和Q值，因此具有良好的性能；另外它采用的是電磁耦合的方式，適用 于微波通訊、雷達、電子對抗、軍事、航空航天等領域，是一種新型的，有發展前途 的器件。13 本文的主要研究內

8、容介質腔體帶通濾波器是一種窄帶高性能濾波器，具有帶內低插耗，帶外高抑制等優點。在1%-0.5 %或更窄帶寬均可實現，帶內插損可在1dB左右，帶外抑制大于 60dB,帶內起伏可達土 0.25dB，般第一個寄生通帶高出工作通帶中心頻率的 20%左 右，與理論值基本一致。本文介紹的介質諧振器濾波器要求：中心頻率為 5.5GHz,帶寬為25MHz插入 損耗為2dB,通帶波動0.5dB,駐波比1.5。就此濾波器的理論可行性和實際生產而言 是沒有問題的，但是由于考慮到實際生產中諧振器頻率的問題，現將設計指標定為中 心頻率為6GHz其它參數不變。與其它濾波器相比，此濾波器應用于較大功率和對阻帶衰減（即矩形系

9、數）要 求較高的場合，具有比較明顯的優勢，但由于其設計具有方法的特殊性，要突破原有 設計經驗的束縛，并總結出此種濾波器的設計規律，將理論和生產實際有機地結合起 來，這也作為此濾波器設計的主要目的。介質諧振器帶通濾波器使用至今，其主要結構還是兩種：一種是微帶型；另一 種是截止波導型。由于微帶型損耗較大，一般對于頻率高于 8 GHZ的微波帶通濾波器 都不使用它,而采用插損較小的截止型帶通濾波器。截止型濾波器的設計由于受很多因素的影響,如介質諧振器的介電常數和其尺 寸、墊襯材料及其厚度、濾波器外殼尺寸等。另外理論也不完善。因而很難達到統一 的最佳形式。本文從理論上對此種濾波器做一些基本的描述,并通過

10、設想與前人總結的一些理論計算，及ANSOF軟件的精確仿真，總結出此種濾波器的一些設計規律和方法。2 介質腔體濾波器的理論設計21 濾波器基本原理理想的濾波器應該是這樣的一種二端口網絡：在通帶內它能使微波信號完全傳 輸，而在阻帶內它使微波信號完全不能傳輸。然而我們只能設計一個盡可能接近理想 濾波器特性的濾波器。與其他微波器件一樣，對于微波濾波器同樣也有兩類問題需要 研究，一是分析， 二是綜合。 已知濾波器的電路結構和元件參數， 計算它的工作特性， 這屬于分析問題；與此相反，從預定的工作特性出發，確定濾波器的電路結構和元件 數值，這一過程則屬于綜合問題。在實際工作中遇得較多的是綜合問題。濾波器的綜

11、合設計一般包括四個環節：根據系統要求確定濾波器的工作特性， 選擇適當的描述上述工作特性的逼近函數的數學表達式， 確定濾波器的集總參數的網 絡結構，選擇合適的微波結構予以實現。下面將詳細介紹濾波器設計的一般流程。濾波器設計一般流程一般的濾波器都可以看做是一個二端口網絡，按照微波系統的要求，可以確定濾波器的工作特性。工程上習慣于用插入衰減 L來描述濾波器的工作特性。L定義為 當網絡輸出端口接匹配負載時，網絡輸入端口的入射功率 Pi與負載所得到的功率Pl 之比，常用對數表示為P1L=10lg! =10lg2 ( dB)(2.1)PlS21按照濾波器插入衰減的頻率特性不同，一般將濾波器的工作特性分為四

12、類：低通、高通、帶通和帶阻。本論文的指標為一帶通濾波器。對于一個微波濾波器有下列幾項主要技術指標：1、通帶載止頻率和通帶最大插入衰減；2、阻帶邊界頻率和阻帶最小插入衰減；3、寄生通帶；4、插入相移和時延頻率特性所謂插入相移是信號通過濾波器后所引入的滯后相位，即網絡散射參數S21的相 角；：21，它是頻率的函數，；：21隨著CD的變化曲線即為濾波器的插入相移頻率特性。對于不同類型的濾波器，我們并不需要一一自始至終地進行綜合設計，簡單的 方法是將低通原型濾波器分析清楚，然后利用頻率變換將低通、高通、帶通、帶阻濾 波器變換成低通原型來綜合設計。在工程上只能用一些函數去盡量逼近理想的衰減特性。常用的逼

13、近函數有三種： 最平坦函數、切比雪夫多項式和橢圓函數。這三種逼近函數分別形成低通原型濾波器 的三種衰減頻率特性，而與之對應的濾波器分別稱為最平坦式濾波器、切比雪夫式濾 波器和橢圓函數式濾波器。這三種逼近函數所形成的衰減頻率特性各有特點，其中最 平坦式的特性表現為插入衰減 L隨頻率的增加而單調增大，但L隨頻率的增加的速率 比較緩慢，即由通帶過渡到阻帶的頻帶比較寬，這是它的不足之處。切比雪夫式的特 性表現為通帶內衰減量有等起伏變化， 通帶外衰減量L單調增大，與最平坦式的特性 相比，其過渡帶較窄，即由通帶過渡到阻帶比較陡。橢圓函數式的特性表現為無論是 在通帶內還是在通帶外，衰減量L都有起伏變化，它的

14、過渡帶更窄，其帶外衰減的上 升斜率在三種濾波器中為最大，但由于其電路結構復雜，元件數目多，因而不及前兩 種濾波器用得普遍。當逼近函數選定后，運用數學運算可得出由電感和電容等集總參數元件所構成 的梯形網絡結構。如何將濾波器的梯形網絡結構在微波工程中具體實現是微波濾波器不同于低通 濾波器的關鍵問題。在微波工程中，研究的是分布參數電路，據工作頻段及功率容量 的不同要求選擇不同的微波傳輸線形式，確定它們的形狀和尺寸，用它們具有的分布 參數去替代上述梯形網絡中的集總參數。圖1濾波器設計流程圖由低通原型濾波器到耦合諧振腔濾波器的變換低通原型濾波器是設計各種微波濾波器的基礎。所謂低通原型濾波器，是實際 的低

15、通濾波器的頻率對通帶截止頻率歸一化，各元件阻抗對信源內阻歸一化后的濾波 器。在此就應用最為廣泛并為本設計所應用的切比雪夫式濾波器的設計過程進行討 論。切比雪夫式低通原型衰減頻率特性的表達式為：L =10lg1 TfCjldB)(2.2)L與及Q的關系即為等波紋式低通濾波器插入衰減頻率特性圖(如下圖)(b)等波紋式低通濾波器插入衰減頻率特性圖 N=3(b)N=2由圖2可知，其特點是通帶內L的零點個數等于N。當N為奇數時曲線過原點, 當N為偶數時則不過原點。據切比雪夫多項式在自變量不同值域內具有不同形式的特點，可寫出通帶和阻 帶內的插入衰減表示式分別為2L =10lg1 亠 * cos (N ar

16、ccos)1(2.3a)L =10lg1；cosh2(Narccos) Q 1(2.3b)在截止頻率處，1, TrCO =1,因而LP =10lg(1 ；)(2.4)當Lp給定后，常數&可按下式計算Lp:=1010 -1(2.5)阻帶內的最小插入衰減為Ls =10lg1；cosh2(Nar coshs)(2.6)當&、Q s確定后便可由給定的Ls確定元件數目N，為Ls(2.7)ar cosh(1010 -1)/ 名ar cosh 門 s反之，如果給定、Q s及N亦可計算出Ls的值腔體耦合濾波器的電路模型N個腔體構成的腔體濾波器的等效電路如圖所示， 其中L、C的R分別表示電感、電容和電阻，路方程

17、：I表示電流回路。應用基爾霍夫電壓定律，我們可以得到等效電路的回jj Lj1 - j 丄12：2_ j LIN i - es(2.8)-j LNli - j LN2i2 -Rnj Lnj Cn其中Lij=Lji表示兩個諧振器之間的互感,es為電壓源值。如果電路中所有的諧振器是相同的，即L=Li=L2= Ln 與 C=Ci =C2=Cn,并且在工作頻率附近和窄帶的條件下可以認為3 / W 0心1,則上式可表示為:1乙 I - 0L FBW其中 o =ir. lcqe1- jk21-ikNi一 jk!2-jkN2濾波器相對帶寬0Lqe-FBW匚麗。Lj1- jk1N-jk2NqeNFBW =2 一

18、 1 , p = j(2.9)j L21i 1 + j C0L2 + 卜一一j國 L2n i n = 0 I jg丿2.2介質腔體濾波器的線路設計由前面對濾波器基本原理及設計流程的闡述，下面我們根據以上的基本原理來 設計此濾波器。介質腔體濾波器規格的定義此濾波器要求實現以下指標：中心頻率為6GHz帶寬為25MHz插入損耗為2dB,通帶波動0.5dB，駐波比1.5，在f。土 50MHz處衰減不小于70dB。這屬于濾波器設計的綜合問題在確定了濾波器的工作特性之后，要選擇濾波器的逼近函數，前面對濾波器的 逼近函數已作了簡單的介紹，由于最平坦式濾波器不能滿足以上指標的要求，而橢圓 函數式濾波器實現又較

19、為困難，因此選用切比雪夫式濾波器作為此濾波器的逼近函 數。222濾波器級數的確定前面對濾波器逼近函數的選擇及由低通原型濾波器到帶通濾波器的設計已有簡 單的介紹，下面通過低通原型來確定濾波器的節數：在確定濾波器的節數時，我們可以通過理論計算和查圖表法來完成： 我們要求中心頻率為 6GHz帶寬25MHz通帶波動0.5dB，阻帶在fo50MHz處 衰減不小于70dB。首先通過頻率變換計算出歸一化頻率為：001 國國0，C、門=(-)(-)(2.10)2 - 1OW 0式中，W 二 2 一 1 = 0.416 %為相對帶寬。計算可得 Q 1 = -4.0168，Q 2 = 3.98347。 因002，

20、故用Q 2來確定No由此可通過查切比雪夫式低通原型濾波器阻帶衰減頻率特性圖(見附錄)得N= 5;也可通過下面的計算得出介質腔體濾波器的節數，具體計算如下：Lp由式(2.5)，可得；=1010 -1 = 0.122 ;由式(2.7)，當&、Q確定后便可由給定的Ls確定元件數目NarCOSh (10101)/； = 4.761158，因此選 N- 5 來進行仿真。 ar cosh1 1但由于用5級諧振腔濾波器進行仿真時，阻帶不能滿足指標的要求，在進行多次 仿真處理后，N=6能滿足指標的要求。濾波器的網絡結構在濾波器級數確定之后，由理論計算或查表法可以得出由電感和電容等集總元 件構成的梯形網絡結構，

21、其梯形網絡如圖3所示：在此我們通過查表法來確定通帶波動為0.5dB的歸一化元件值為：g0=1 ；g1=1.7254; g2=1.2479; g3=2.6064; g4=1.3137; g5=2.4758; g6=0.8696; g7=1.9841o由Lk_ gk_ W .0，人WCk0gk(k=1,3,5-)C；二giLW(i=2,4,6河得W / i-0gkL；二11nH ， C1=0.064 pF , L2 :53=8.85 10 nH ， C2 = 8.67 10pF,L3=18nH，53C3 =0.042pF,L4 =8.41 10 nH, C4=9.12 10 pF,L5=17 nH

22、, C5=0.045pF,L6 =1.27 10* nH , C6 =6.04 103 pF , l7 =13.7 nH , C； =0.056pF.2.3介質腔體濾波器的微波實現介質腔體濾波器的結構圖4 介質腔體濾波器的基本結構圖圖4是介質腔濾波器的典型結構。這種結構的濾波器計算簡單，性能良好，是一種很實用的微波帶通濾波器。介質腔與探針電路裝在封閉的金屬盒內，金屬屏蔽盒 不僅有防止外界電磁干擾的作用，它與微帶電路基片一起構成一段部分填充介質的截 止波導，適當地選擇屏蔽盒截面尺寸，使其截止頻率遠高于濾波器的通帶頻率，則介 質諧振器與通常空腔諧振器一樣，能夠有選擇地傳遞所需信號頻率的能量。傳至介質 諧振器附近的信號，假如其頻率與介質的 TEois模諧振頻率不一樣，介質諧振器不被 激勵，同時又由于屏蔽盒的截止波導作用，信號能量不能通過，這樣就構成了濾波器 的阻帶。當其頻率與介質腔TEoi模的諧振頻率相同時，濾波器輸出端的介質腔被激 勵，此時介質腔等效于一個磁耦極子發生耦合，從而進行能量傳遞，信號能量經介質 腔一個傳至一個直至最后一個，再通過微帶輸出結構，構成濾波器的通帶