微波腔体滤波器的原理与测量.doc

微波腔体滤波器的原理与测量一、 实验目的1 在了解滤波器的基础上了解腔体滤波器的工作原理；2 了解腔体滤波器的电路模型；3 了解腔体滤波器的设计方法。二、 实验原理滤波器的功能主要是选择需要的应用频率范围，滤除带外杂波，按滤波器的功能分有低通滤波器、高通滤波器、带通滤波器、带阻滤波器，而按滤波器频响特性的形状分为：最大平坦型、切比雪夫型，椭圆函数型。按结构实现角度又分为：腔体滤波器、梳状滤波器、交指滤波器、介质滤波器。腔体滤波器由谐振腔、调谐螺钉等组成，与其他性质的滤波器比较，结构牢固，性能稳定可靠，体积小，Q值适中，高端寄生通带较远而且散热性能好，可用于较大功率和频率。主要运用于各大通信基站的前端滤波，滤除带外强干扰信号。对于微波腔体滤波器的设计，以下两种设计模型可供选择。（一） 负阻线模型Gustavo L. R. 1 采用一个电流控制电流源(CCCS) 和一个电压控制电压源(VCVS) 构造了如图20-1所示的网络n ，通过合理设置其参数，使其ABCD 矩阵近似为：图20-1 负阻线子网络利用该负阻线子网络将3个TEM 耦合线（如图20-2）化为两对双耦合线（如图20-3）。相邻传输线的耦合系数保持不变，忽略非相邻耦合线1，3 之间的耦合，而与两个负阻线子网络n 相连的一段独立传输线的特性阻抗和电长度与传输线2 - 2一致。图20-2 3个TEM耦合线图20-3 两对双耦合线的连接（二）滤波器电路模型通常同轴腔带通滤波器中心导体长度选择约为， (为通带中心频率对应的波长) 特性阻抗为752 ，3 ，接入点位置离短路面高度为 （图20-4）。利用负阻线模型，将六腔分解为(1，2)、（2，3）、（3 ，4）、（4 ，5）、（5 ，6）五对耦合腔。用5对理想耦合线表示，其单线特性阻抗为75，考虑到实际腔体中存在损耗，将传输线损耗设为0. 3，耦合线对的奇偶模阻抗分别为(，) 、(，) 、(，) 、(，) 、(，) ，输入输出线阻抗为，构造电路模型如图20-4所示。图20-4 同轴滤波器示意图一对互相耦合的同轴腔之间的耦合系数可以用其奇偶模特性阻抗表示为： 奇偶模特性阻抗与特性阻抗之间的关系为：Ze Zo = Z2c 因此：k =Z2e-Z2c/ Z2e+Z2c 在Agilent ADS 中，建立如图20-5 所示的电路模型，将各腔体的奇偶模阻抗(，) 、(，) 、(，) 、(，) 、(，)，输入输出线阻抗和引线位置以及各腔的加载电容，作为优化参数。设立优化目标使通240050MHz 内，带外抑制 35dB (= 2300MHz，=2500MHz) 。主要优化结果见表20-1 ，此时滤波器电路响应如图20-6 所示。 图20-5 滤波器电路模型表20-1 电路优化结构 78.63 71.54 0.04777.52 72.56 0.03377.40 72.67 0.031577.52 72.56 0.03378.65 71.54 0.047图20-6滤波器电路模拟响应关键参数指标及其含义：1. 插入损耗 ( Insertion Loss )：设若在信号源与负载端之间不加滤波电路，应当可在负载端取得一定的输出值。但是将滤波电路加入后，在负载端的输出信号值，即使是在通带区内，也会比原本的输出低，二者的差异即为介入损耗。因为电抗性组件中包含了电阻，它是产生介入耗损的主要来源。2. 通带涟波 ( Passband Ripple )：用以量测通带区内的平坦度者，定义为在通带区内最大衰减值与最小衰减值之差。不同的电路结构如切比雪夫和巴特渥斯等架构，会产生有不同的涟波值。3. 通带频宽 ( Passband Width )：简称为频宽 ( Bandwidth )，一般都以3 dB 点为截止频率来界定。图7-2 所示为两端3 dB 点之间的频率范围 ()。4. 型态因子 ( Shape Factor )：用以量测在通带区以外，与截止区相交接处的衰减程度，其表示滤波电路通带区两侧的陡削度。定义为衰减60 dB 处的频宽 ()，与3dB衰减处的频宽 () 的比值。型态因子SF为：5. 最终衰减 ( Ultimate Attenuation )：是为滤波电路在截止区内的最大衰减。由于电子组件的特性不尽理想，实际的滤波电路，都无法提供最大的截止区衰减100 dB，一般约在50 至70dB 而已。6. 品质因素(Quality Factor， Q)：品质因素是描述滤波器选择度(Selectivity)的一项参数。一般而言，其定义为组件中的平均最大储能比上每一个周期损耗的能量；或是可以用简单的中心频率(Center Frequency)比上3dB频宽(3dB Bandwidth)之比值作为品质因素之定义。其中fc 为中心频率；为3dB 频宽。7. 群延迟(Group Delay)：群延迟之定义为单位信号相位()之变化量与信号角频率()之变化量的比值：其中为信号之相位；信号角频率。三、 设计实例1. 电磁仿真与优化和电路结构的实现将电路优化的结果作为电路结构设计和电磁仿真的出发点。在该滤波器实现中，选择方腔边长15mm ，高度16. 5mm ，中心导体外径5. 6mm ，内径4mm，长度15.6mm。腔体上盖上设置调谐导体柱直径3mm ，长度ht i ( i = 1 ，2 ，6) ，来实现加载调谐电容。通过开窗大小Wi ( i = 1 ，2 ，6) 来调节腔体之间耦合。输入输出线的半径为r 。结构设计参数主要有耦合窗的大小和输入输出线的径。利用Ansoft HFSS 分析不同窗口宽度两谐振腔之间的耦合系数(图20-7) 。通过本征模计算出两个独立谐振频率为的双腔的本征模频率，。耦合系数为：k = f22- f 12/ f22+ f 12图20-7耦合窗宽度与耦合量的关系输入输出采用抽头方式，这种方式可以有许多等效电路表达方式（20-1），本文采用一段高阻线表示，根据电路模拟结果，输入输出引出线特性阻抗ZIO= 180 ，抽头位置离短路面3. 9mm。为得出引出线的半径，将应用电路分析和电磁场仿真相互结合的方法。本文提出以下几个步骤：构造单腔，与图20-4 中腔尺寸一致; 利用HFSS 本征模分析; 优化调谐柱的长度ht ， 使本振模频率=2.4GHz，优化结果= 2.73 。此时，终端加载电容为： 式(20-1)计算得。保持该结构不变，设置输入输出结构，输入输出线半径r ，长度为4. 7mm ，抽头点离短路面距离l2为3.9mm ，输入输出端口阻抗为50，等效电路如图20-8 所示。此时输入电抗为，忽略电路损耗，反射系数c 的相位近似为：图20-8 输入输出结构等效电路 在谐振频率点附近， 电磁模型中输入电抗，应与电路模型中输入电抗一致，其输入反射系数的相位也应一致。因此，在2.32.5GHz 频段内，以等间隔取= 21个频点，设目标函数为：F = n i = 1(em ( f i)-c ( f i) ) 2 然后，采用HFSS 对图20-9 表示的电磁结构进行分析和优化，取的初值为0. 4mm ，优化值使目标函数最小化。优化结果= 0. 61mm ，此时，见图20-10。图20-9 输入输出结构示意图图20-10 输入发射系数相位通过上述步骤，由电路优化的结果通过电磁分析和优化得到滤波器的结构参数。2. 实测结果和讨论利用上述方法，设计和制作了一个同轴腔带通滤波器，其设计目标为：通带2400 50MHz 内小于-0.5dB，小于-20dB ，带外抑制 35dB (， )。所使用的腔体材料为铝材，调谐杆为铜螺钉，未镀银。实际测试结果是： 通带2400 46MHz带内插损-0.9dB，反射系数为-18dB，带外抑制36dB。实测结果如图20-11所示。图20-11 滤波器响应测试结果分析和优化中主要存在以下两个方面的误差来源：（1）电路模型的中负阻线子网络模型是一个近似。将多腔耦合化为两个腔的耦合再由负阻线子网络连接起来，忽略了不相邻腔体之间的耦合，对通带较宽的滤波器势必造成较大的误差。（2）电磁分析中，计算两腔之间耦合与窗口大小的关系时，忽略了两边相邻窗口，从而影响了耦合度计算的准确性。进一步的电磁优化和电路优化相结合的研究中，需要从这两方面探讨减少误差的途径。四、 实验内容实验设备：项次设备名称数量备注1腔体滤波器模块1块有源实验箱2频谱分析仪1台3射频连接线2条实验步骤： 1.频谱分析仪起始频率，终止频率分别设置为1700MHZ，2500MHZ，校准频谱仪。将频谱仪信号输出端接到腔体滤波器模块IN端，相应的OUT端接频谱分析仪的INPUT端口，测试框图如下：图20-12 滤波器响应测试结果2.