（物理电子学专业论文）同轴腔体带通滤波器的研究与设计.pdf

摘要 摘要 同轴腔体带通滤波器作为一种重要的微波元器件，近年来得到了大力的发展，它 具有功率容量大、插入损耗低、寄生通带远等特点，在现代无线通信等领域中得到了 广泛的应用。因此，国内外工程师对腔体滤波器的研究工作产生了很大的兴趣。本文 以腔体带通滤波器为研究对象，设计了一款新型同轴腔体带通滤波器，通过运用交叉 耦合结构实现了对边带高抑制的性能。运用h f s s 和m i c r o w a v e0 f f i c a 软件协同仿真 的方法进行了整体仿真和优化，实现了同轴腔体带通滤波器的整个设计，提高了设计 效率，尤其对于复杂的滤波器结构，有效得缩短了研发和生产周期，大大节约了成本。 在通信频段范围内，该结构设计尺寸小、频带宽、带外抑制高、带内差损小等特点， 具有广阔的应用前景。本文的研究工作，主要包括以下几个方面： 1 、从滤波器的基本概念入手，复习研究了各种性能、指标、分类以及从低通原型滤 波器到耦合谐振腔带通滤波器的设计过程。 2 、在腔体耦合理论基础上，研究了各种耦合结构的以及耦合系数的仿真，并分析了 交叉耦合相位模型，得出实际设计时所需传输零点和滤波器耦合结构的设计思路。 3 、无源互调对于无源器件一直是个难点，本文以腔体滤波器为研究对象，对其无源 互调做了系统的分析总结，对以后的滤波器的设计、加工、制造具有一定的指导 性作用。 4 、根据设计指标，在对滤波器设计的过程中，通过计算机辅助软件( c o u p l e - f i l t e r ) 可以得到带通滤波器的拓扑结构、耦合系数和各谐振腔频率。并利用m i c r o w a v e o f f i c e 和h f s s 协同仿真的方法对滤波器结构进行了仿真、优化，最后得到了滤 波器结构尺寸，使其能够满足设计指标要求，仿真结果说明了此方法的有效性与 实用性。 关键词。腔体滤波器；交叉耦合；高抑制；传输零点 广东工业大学硕士擘位论文 a b s t r a c t a sa ni m p o r t a n tm i c r o w a v ec o m p o n e n t ，c o a x i a lc a v i t yb a n d p a s sf i l t e rh a s r e c e n t l yb e e nv i g o r o u s l yd e v e l o p e da n di th a sab i gp o w e rc a p a c i t y ，l o wi n s e r t i o n l o s s 。p a r a s i t i cp a s sf a r a w a ya n ds oo n a n dn o wi th a sb e e nw i d e l yu s e di nw i r e l e s s c o m m u n i c a t i o n sf i e l d s t h e r e f o r e 。s t u d i e so fm i c r o w a v ef i l t e r sh a v ea t t r a c t e dt h e d e v i c ee n g i n e e rd e e p l ya th o m ea n da b r o a d ac o a x i a lc a v i t yb a n d p a s sf i l t e rh a s b e e ns t u d i e di nt h i sp a p e r w eu s en e wc r o s sc o u p l i n gs t r u c t u r eo nt h ee d g et o a c h i e v et h ed e s i g no fh i g hi s o l a t i o n w i t h u s i n gh f s sa n dm i c r o w a v eo f f i c e s o f t w a r et oc o - s i m u l a t e ，w em a k et h eo v e r a l ls i m u l a t i o na n do p t i m i z a t i o n ，b a s e do n t h ee n t i r ed e s i g no ft h ec o a x i a lc a v i t yb a n d p a s sf i l t e r t h ea p p l i c a t i o no fc o - s i m u l a t i o nm e t h o d sh a v eg r e a t i m p r o v e dt h ed e s i g n e f f i c i e n c ya n dr e d u c e dt h ep r o d u c t i o nc y c l ec o s t ，e s p e c i a l l yf o rt h o s ec o m p l e x f i l t e r s i nt h ec o m m u n i c a t i o nf r e q u e n c yr a n g e s ，t h ed e s i g nm o d e lh a st h e s e f e a t u r e s ：s m a l ld i m e n s i o n 。w i d ep a s sb a n d h i g h b a n dr e j e c t i o n ，l o wi n s e r t i o nl o s s ， w h i c hm a k ei ti m p o r t a n ti nt h ef i e l do fw i r e l e s sc o m m u n i c a t i o n sd e v e l o p m e n t i nt h i s r e s e a r c hp r o c e s s ，w h i c hm a i n l yi n c l u d et h ef o l l o w i n ga s p e c t s = 1 f r o mt h eb a s i cc o n c e p to ft h ef i l t e r ，w el e a r na n ds t u d yt h ef e a t u r e ，s p e c i f i c a t i o n s c l a s s i f i c a t i o n ，a n dp r o c e s sf r o ml o w - p a s sf i l t e rp r o t o t y p et ob a n d - p a s sf i l t e r d e s i g n 2 o nt h eb a s i so fc a v i t yc o u p l i n gt h e o r y ，w eh a v es t u d i e ds o m ek i n d so fc o u p l i n g s t r u c t u r ea n ds i m u l a t i o no fc o u p l i n gc o e f f i c i e n t a n a l y z e dt h e c r o s s - c o u p l i n g p h a s em o d e l 。s oa st od r a wf i l t e rd e s i g ni d e a sf r o mt h ea c t u a ld e s i g no ft h e c o u p l i n gs t r u c t u r ew i t hd e s i r e dt r a n s m i s s i o nz e r o s 3 p a s s i v ei n t e r - m o d u l a t i o nh a sa l w a y sb e e nd i f f i c u rf o rt h ep a s s i v ec o m p o n e n t s a n dt h i sp a p e ri n c l u d e sas y s t e m a t i ca n a l y s i so fp a s s i v ei n t e r - m o d u l a t i o nf o rt h e b a n d - p a s sf i r e r t h i sp r o c e s sw i l l b eac e r t a i n g u i d i n gr o l e i nt h ef u t u r e m a n u f a c t u r i n g a b s t r a c t 4 a c c o r d i n gt ot h ed e s i g ns p e c i f i c a t i o n s 。t h ed e s i g np r o c e s si n c l u d e sb a n d - p a s s f i l t e r t o p o l o g y ，c o u p l i n gc o e f f i c i e n ta n dr e s o n a t o rf r e q u e n c yw h i c h h a sb e e n e a s i l yg a i n e db yc o m p u t e r - a i d e ds o f t w a r e ( c o u p l e - f i l t e r ) i nt h eh e l po f m i c r o w a v eo f f i c ea n dh f s s ，t h i sf i l t e rm o d e lh a sb e e ns i m u l a t e da n do p t i m i z e d t h i sd e s i g n e df i l t e ro fg e o m e t r i cs i z ea n ds p e c i f i c a t i o nm e e t st h er e q u i r e m e n t s w e l l t h er e s u l t sp r o v e dt h ef e a s i b i l i t yo ft h i sa p p r o a c ha n dp r a c t i c a l i t y k e y w o r d s ：c a v i t yf i l t e r ；c r o s s - c o u p l i n g ；h i g hi s o l a t i o n ；t r a n s m i s s i o nz e r o c o n t e n t s i i _ _ _ - _ _ _ _ _ _ _ _ - _ _ _ _ _ _ _ 皇昌昌墨置置_ - _ - _ 置_ _ _ _ _ _ - _ _ c o n t e n t s a b s t r a c t c o n t e n t v i i c h a p t e ro n ei n t r o d u c t i o n 。1 1 1r e s e a r c hb a c k g r o u n da n ds i g n i f i c a n c e 1 1 2r e s e a r c hh i s t o r ya n dc u r r e n ts i t u a t i o n 1 1 3a r r a n g e m e n to ft h i sc o n t e n t 2 c h a p t e rt w ob a s i ct h e o r yo fm i c o 拍ef i l - t e r 4 ：! 1p r e f a c e 4 2 2t h em a i nt e c h n i c a lp a r a m e t e r so ff i l t e r 4 ：! 3t y p e so fm i c r o w a v ef i l t e r 5 2 4t r a n s f e rf u n c t i o no ff i l t e r 7 ：! 5p r o t o t y p eo fi o w p a s sf i l t e r 7 2 6f r e q u e n c yc o n v e r s i o n 10 ：! 7i m p e d a n c et r a n s f o r m e r 1 2 ：! 8c o n c l u s i o n s 1 4 c h a n p t e rt h r e ec o u p l i n gs t r u c t u r ea n dc o u p l i n gt h e o r 15 3 1p r e f a c e 15 3 2m i c r o w a v er e s o n a n tc i r c u i t 18 3 3c o a x i a lr e s o n a t o ra n dt u n i n g 16 3 3 1i n t r o d u c t i o no fc o a x i a ir e s o n a t o r 1 6 3 3 2t u n i n go fc o a x i a lr e s o n a t o r 1 7 3 4a n a l y s i so fc o u p l e dr e s o n a n tc i r c u i t 1 8 3 4 1c o u p l e dt h e o r y 1 8 3 4 2c o u p l i n gc o e f f i c i e n tk 2 3 3 5a n a l y s i so fk i n d so fc o u p l i n gs t r u c t u r eo fc a v i t yf i l t e r 2 3 3 5 1a n a l y s i so fc o u p l i n gt a n p p e ds t r u c t u r e 2 3 v 广东工业大学硕士学位论文 3 5 2a n a l y s i so fc o u p l i n gs t r u c t u r eb e t w e e nc a v i t i e s 2 6 3 6a n a l y s i so fc r o s s c o u p l i n g 2 8 3 7c o n c l u s i o n s 3 3 c h a n p t e rf o u rp a s s i v ei n t e r m o d u l a t i o no fc a v i t yf i l t e r 。3 4 j i 1p r e f a c e 3 4 4 2m e c h a n i s mo fp a s s i v ei n t e r m o d u l a t i o n 3 4 4 3p a s s i v ec h a n n e in o n l i n e a r i t yc a u s e d 3 5 4 4p r e c a u t i o n so fp a s s i v ei n t e r m o d u l a t i o n 3 5 4 5r e q u i r e m e n to fi n t e r m o d u l a t i o nm e a s u r e m e n ts y s t e m 3 6 4 6n o t e so fi n t e r m o d u l a t i o nm e a s u r e m e n ts y s t e m 3 6 c h a n p t e rf i v ed e s l g ne x a m p l eo f ac o x i a lc a v i 。r yb a n d p a s sf i t e r 3 8 5 1p r e f a c e 3 8 5 2d e s i g no fe x a m p l ea n ds t e p s 3 8 5 2 1d e t e r m i n a t i o no ff i l t e rt o p o l o g i e s 3 9 5 2 2d e t e r m i n a t i o no fs i n g l er e s o n a t o r 4 0 5 2 3d e t e r m i n a t i o no fc o u p l i n gs t r u c t i o nb e t w e e nc a v i t i e s 4 2 5 2 4d e t e r m i n a t i o no fi n p u u o u p u tc o u p l i n gs t r u c t u r e 4 3 5 2 53 ds i m u l a t i o no ft h ec o m p l e t ef i l t e r 4 3 5 3f a b r i c a t i o na n dd e b u g g i n g 4 6 5 4r e s u l t sa n dd i s c u s s i o n 4 7 5 4 1c o m p a r i n gt h es i m u l a t i o nr e s u l t sw i t ht h em e a s u r e dd a t a 4 7 5 4 2h i g h l o wt e m p e r a t u r et e s t 4 9 5 4 3p a s s i v ei n t e r m o d u l a t i o nt e s t 5 0 5 5c o n c l u s i o n s 5 1 s u m m r ya n do u t l o o k 5 2 r e f e r e n c e s 5 3 p a p e r sp u b l i s h e dd u r i n gm a s t e r ss t u d l e s 5 7 v c o n t e n t s o r i g i n a ls t a t e m e n t 。6 1 a k n o w l e d g e m e n t s 。6 2 i x 第一幸绪论 1 1 研究背景及意义 第一章绪论 我们的周围都存在着由电磁振荡所产生的不同频率的电磁信号，当我们只需要其 中的某些特定的频率时，就需要特定的装置来选取这些频率，阻止不需要的频段。这 种装置就是滤波器。微波通信系统与我们现代的生活联系越来越紧密，从民用到军用， 应用也越发广泛。作为特定得具有选频功能的电磁网络，微波滤波器是微波系统中的 一个重要部分，在电子科学技术发展中占有举足轻重的地位。 目前，微波滤波器已广泛应用于卫星通信、毫米波通信、导航、遥测遥控以及军 事电子对抗等各个领域，并且对微波滤波器性能指标的要求也愈来愈耐”。低带内插 损、大功率、高阻带抑制、寄生通带远、超宽带等各项指标已经成为了用户重要关注 对象。而且，客户关心的重要指标还有体积大小、设计速度、成本等。这也是工程师 不断探索和研究微波滤波器的目标和方向。 根据频率响应，传统意义上的滤波器主要可以分为契比雪夫、巴特沃兹与椭圆函 数等。在其通带内，契比雪夫型滤波器具有等波纹的特性，巴特沃兹滤波器具有最大 平坦特性，并定义无穷远处为他们的传输零点。椭圆函数滤波器的传输零点在其有限 频率远处，而且零点的位置由滤波器的阶数来确定。在现代滤波器设计中，广义的契 比雪夫函数是应用最广泛得，设计非常灵活。它的零点位置可以任意确定，个数最多 和滤波器的阶数一样多。根据其零点位置不同，其作用有很多：( 1 ) 放在带外来提高带 外衰减；( 2 ) 放在带内把一个通带分成许多个通带；( 3 ) 位于虚轴以平坦滤波器的群时 延；( 4 ) 位于实轴以提高频率选择性。 1 2 研究历史及现状 滤波器作为微波技术的一个分支，自发展以来有了突飞猛进的进步。微波滤波器 的理论研究与实践应用始于第二次世界大战前几年。19 3 7 年，r a s y k e s 和w p m a s o n 发表的文章中利用传输矩阵推导出了大量滤波器相位和衰减函数【2 】，为微波滤 波器莫定了理论基础。在各大实验室当中通过这种方法，波导、窄带可调、宽带低通 广东工业大学硕士学位论文 及带通同轴滤波器是当时的主要研究对象。映像参数方法在后来很长一段时间都有应 用价值。许多学者和专家在随后发展过程中又有了重大发现，上世纪5 0 年代，以集 总元件低通滤波器原型机为基础，耦合空腔滤波器理论由s b c o h n 提出网。上世 纪6 0 年代，g l m a t t h e w 针对最平坦型和契比雪夫型在其论著中对微波滤波器的传 统设计方法做出了较全面、系统的介绍，但未涉及广义契比雪夫型【4 】和椭圆函数型。 文献中建立了集总参数滤波器和分布参数滤波器的元件之间的联系，并给出了低通原 型滤波器的综合方法和常用滤波器的计算公式 5 - 8 。 7 0 年代，k u r z r o k 与a e w i l l i a m s 提出了低阶滤波器用于分析交叉耦合。他们 还总结出了综合传输零点对称分布时的耦模网络与对应的耦模矩阵的方法p 1 2 】。同时 期的j d r h o d e s 提出并发展了线性相位滤波器设计理论 1 3 - 1 s 。1 9 8 2 年，r j c a m e r o n 先提出了广义c h e b y s h e v 多项式的快速递归技术【1 9 - 2 0 1 ，后来1 9 9 9 年至 2 0 0 3 年提出了利用施密特正交变换的方法综合耦合矩阵【2 “2 2 ，其矩阵综合和消零计 算量较大。2 0 0 7 年，其发表的论文中对交叉耦合滤波器的综合技术做了详细的推理 和总结【z 3 】。与此同时，作者s a m a r i 推出了另外一种广义c h e b s h e v 多项式的递归 算法【2 4 】，而且运用梯度算法优化出了交叉耦合滤波器的耦合矩阵【2 5 】。褚庆听教授于 2 0 0 8 年提出了并发展了电磁混合耦合来实现带外传输零点的理论【2 昏捌。 在七十年代，国内的专家、学者甘本拔、吴万春、李嗣范等补充和完善了微波滤 波器的设计理论和方法，开创了国内滤波器研究的先河【删。 1 3 本文内容安排 课题来源：公司实习期间的实际项目 课题应用背景：本课题设计的滤波器主要应用于移动通信系统 本文内容安排如下： 第一章，主要介绍了腔体滤波器的研究背景及意义，详细分析了滤波器的发展过程。 第二章，作为本文的理论基础及基本概念，介绍了微波滤波器的技术参数、分类、低 通原型、频率变换以及阻抗变换器等。 第三章，讲述了滤波器的耦合理论及耦合结构，详细分析研究了同轴谐振腔、抽头耦 合结构、双腔耦合结构、以及交叉耦合的原理及其结构。 2 第一章绪论 第四章，介绍了滤波器无源互调，无源互调一直是行业中的一个难点，所以本章对滤 波器的这个难点做了详细的论述和总结，对滤波器在实际设计生产中有一定 得指导性作用。 第五章，以带通腔体滤波器为研究对象，分析了整个设计过程和步骤，设计这款带 通滤波器性能满足实际应用要求，在移动通信基站中具有广泛的应用前景。 最后一章，结论与展望作为对本文的工作总结，总结了文中出现的新方法与新技术， 并对滤波器在设计方法和应用前景做出了展望。 3 广东工业大学硕士学位论文 2 1 引言 第二章微波滤波器的基本理论 滤波器作为一种二端口网络，它具有频率选择的特点，即可以对其它频率加以阻 拦而让某些频率顺利通过。目前由于在各种系统部门，多频率工作越来越广泛，对分 隔频率的要求也越来越严格：所以对滤波器的需求更加劲。另外，滤波器的发展也受 到了微波固体器件的推动作用，像微波固体倍频器、微波固体混频器、参数放大器等 器件都是工作在多频段，都需要相应的滤波器。本章主要介绍微波腔体滤波器设计的 一些技术参数，基本概念和理论。 2 2 滤波器的主要技术参数说明 滤波器的主要参数包括：通带中心频率，截止频率，通带带宽，插入损耗，带内 驻波，带内波纹，回波损耗，阻带抑制，延迟等。 通带中心频率即滤波器通带的中心频率点f o ，通常取f o = 掣，f 1 、f 2 为带通 或带阻滤波器左、右相对下降3 d b 或1 d b 的频点。 截止频率即高通滤波器的通带左侧频点和低通滤波器的通带右侧频点。通常以相 对损耗点l d b 或3 d b 来进行定义。相对损耗的参考准则为：低通基准为d c 处的插 损，高通基准则以没有出现寄生阻带的足够远通带频率处的插损。 通带带宽是指需要通过的频谱宽度，b wxd b = ( f 2 一f 1 ) 。f 1 f 2 是以中心频率 f 0 处插入损耗开始下降x ( d b ) 处对应的左、右两边频点。通常用x = 3 ，1 。0 5 ，即 b w 3 d b ，b w l d b ，b w 0 5 d b 表征滤波器的通带带宽参数。 插入损耗是指因为引入的滤波器对电路中本来信号带来的损耗。 带内波纹是指3 d b 或l d b 带宽( 截止频率) 范围以内，插入损耗随着频率在损 耗平均值曲线基础上波动的峰- 峰值。 带内驻波比是在滤波器通带中传输的信号是否良好匹配传输的一项关键指标。完 美匹配v s w r = i ：1 ，实际失配时v s w r i 。对于实际的滤波器，符合v s w r l ，便可确定b u t t e r w o r t h 型低通滤波器的阶数。 2 、c h e b y s h e f 低通原型滤波器 g l = 一s m 石 14s t n 学矧n 学 8 1 = 五焉卒矿 ( 1 1 1 为奇数 g n + 1 = k 2 ，n 为偶数 仨七 式中，b = i n 【c 。t hg 薏) 】，o = s t n h 昙。 8 第二章微波滤波器的基本理论 假如给定波纹l a ，( d b ) ，在t = f 。处阻带的最小衰减l a s ，满足要求的切比雪夫低通 滤波器的阶数可由下式确定： n攀1001las-i 仁9 ， n d 茅 ( 2 9 ) 在滤波器设计中，很多时候会用到指标是电压最大驻波比v s w r 或带内最小回波 损耗l r 等设计指标，而并不是带内波纹l a r ，此时我们需要通过回拨损耗或最大电压 驻波比计算出通带波纹，公式如下： l a r = - 1 0 1 0 9 ( 1 1 0 0 1 l s ) d b( 2 10 ) v s w r = 制 ( 2 1 1 ) = 一 【1 - ( 罟翥鞠2d blarl o l o g1 v ： w k - - 1 ( 2 1 2 ) = 一 i 一v s w r + 1 ) ( 2 1 2 ) 3 、椭圆函数滤波器 如下图所示为两种常用的椭圆函数低通原型滤波器的网络结构，两者实现的频率 响应相同，与切比雪夫和巴特沃斯低通原型滤波器不同，没有用现成的公式计算该原 型低通元件值，但可以通过查表的方式获取一些常用指标的元件值。 啦 期 ( a ) 期l ( b ) 图2 2 椭圆函数滤波器低通原型，( a ) 串联形式的并联谐振支路( b ) 并联形式的串联谐振支 路 f i g 2 - 2l o wp a s sf i l t e rp r o t o t y p e so fe l l i p t i cf u n c t i o n 。( a ) s e r i e s - s h u n tr e s o n a t ec i r c u i t ( b ) s h u n t - s e n e sr e s o n a t ec i r c u i t 9 广东工业大学硕士学位论文 2 6 频率变换 在滤波器设计中，低通原型滤波器可以通过反归一化方法，变换成低通滤波器， 高通、带通或带阻滤波器。先通过频率变换，把它们的衰减特性转换为对低通原型的 要求，便可以确定一个满足该衰减要求的低通原型，带阻、带通或高通滤波器的元件 值便可通过低通原型的频率变换导出。 先定义。为阻抗转换因子，实际阻抗便可由归一化的阻抗转化，g o = 1 为归一化的 源阻抗，z o 或y o 为实际中的滤波器的源阻抗，则o = z o 旭o ，g o 为电阻：o = g o y o ，当g o 为 电导。其中y o = i z o 为源导纳。滤波器网络元件可用以下公式对其进行变换 l o l ，c - c o ，r _ o r ，g - g o 在元件转换过程中，通常称低通元件为g 。由于与频率变换无关，所以任意形式 的滤波器都适用接下来的元件变换。r = o g ，g 表示电阻；g = 墨，g 表示电导。 1 、低通变换 通过以下公式将低通原型变换到实际的低通滤波器，其中l o 表示低通滤波器的 频率变换，c 表示截止频率：q 表示低通原型的频率变量，n c 表示截止频率。 q = 仨) ( 2 1 3 ) 低通滤波器的元件值不难得到： l = 罡) 。g 当g 代表电感； c = 罡) 詈 当g 代表电容 2 、高通变换 表示高通滤波器的频率变量，c 表示截止频率，则公式变换为： n = 一警) ( 2 1 4 ) c 将低通中的电抗元件g 带到频率变换公式得： j o g 一訾i ( 2 1 5 ) 显然高通滤波器中电容，电感元件由低通原型中电感，电容元件变换得到。变换公 式为： c = ( _ 去) 壶当g 为电感：l ( u 。1 【- ) o g 当g 为电容 1 0 第二章微波滤波器的基本理论 3 、带通变换 q = 羔皓一书 ( 2 1 6 ) 其中：f b w = _ w 2 - - w 1 ，o = 厕 j a g _ j 啬 揣 ( 2 1 7 ) 裳剐憾 c 三塌仁 4 、带阻变换 设o k ) 为带阻滤波器的频率变量，b 3 2 。1 为阻带带宽，1 、2 分别表示阻带的上、 下边带的频率，频率转换公式为： 其中f b w = w _ 2 - w i ，o = 互丽 w n q 语_ l l c f 习b w ( 2 1 9 ) 带阻滤波器相对带宽为f b w ，阻带中心频率为o 。其变换形式与带通滤波器恰 恰相反，低通原型中的电感，电容元件，转换成带阻滤波器的并联，串联l c 谐振回路， 谐振回路元件值为： 广东工业大学硕士学位论文 2 - 7 阻抗变换器 g 表示电感；g 表示电容 ( 2 2 0 ) 在设计带阻滤波器与带通滤波器的时，通常需把图2 3 中的电容与电感构成梯形 的低通原型，转换成为一种等效电路，此电路只有一种电抗元件( 电感或电容) 。这 便可借助图2 8 所表示的阻抗变换器进行。在所有频率上的特性阻抗的波长线都是k 的1 1 4 是理想情况，所以，如果在阻抗变换器地一端接阻抗z ，阻抗z 1 就是另一端看 到的： z 1 = f k z( 2 2 1 ) 其中，k 为变换常数 z lk 二匕 z 2 图2 - 3 阻抗变换器 f i g 2 - 3i m p e d a n c et r a n s f o r m e r 关于微波耦合结构，一、可以获得耦合系数与终端外界q 值，二、即j 变换器 或k 变换器。下面讨论如何实现j ，k 变换器。 1 、四分之一波长阻抗变换器 四分之一波长变换器是非常有用而且实际应用广泛的阻抗匹配电路。它可以给出 简单传输线电路，来说明在线失配情况下地驻波特性。四分之一波长传输线是最简单 的变换器之一，因为阻抗变换器的基本定义就是这样的，阻抗变换器的阻抗k 就等于 它的特性阻抗。这种变换器有一定的局限性，它是窄带的，所以只能用来作为窄带滤 1 2 墨o 三店星击g - u = = p j q l 第二章微波滤波器的基本理论 波器的导纳变换器或阻抗。 2 、并联电抗耦合型 如下图：这种变换器跟比1 4 波长线带宽相差无几。 图2 4 并联电抗型阻抗变换器 f i g 2 4t y p eo fs h u n tr e a c t o ri m p e n d e n c et r a n s f o r m e r 图中兀件关系为： k = z o t a n l 0 2 l( 2 2 2 ) e = 一a c t a n 关 ( 2 2 3 ) x = k (224)z-(kzx = o ) 2 【z 下图给出了另外一种结构的阻抗变换器。其带宽要比上面给出的阻抗变换器宽， 它的元件关系为： 3 、短截线型 图2 - 5t 型电路 f i g 2 - 5tt y p ec i r c u i t k = t a n + a c t a n 馐) ) e = 一a c t a 咆( 2 x 。b + 等) 一a c r t a n ( p o ) 1 3 ( 2 2 5 ) ( 2 2 6 ) 广东工业大学硕士学位论文 下图给出的由正、负特性导纳的传输线所组成的短截线导纳变换器。在实际的应 用当中，相邻的正导纳线应该为负导纳线提供补偿。 图2 - 6 短截线导纳变换器 f i g 2 - 6s t u bl i n ea d m i t t a n c ei n v e r t e r r ll l - 弓 k o lk 1 2 l k n ，n + l 图2 7 低通原型滤波器中含阻抗变换器 f i g 2 - 7i m p e n d e n c et r a n s f o r m e ri ni o w p a s sp r o t o t y p ef i l t e r 2 8 本章小结 本章主要介绍了滤波器的基本概念，包括各种技术参数、滤波器的分类、传递函 数、低通原型、频率变换、阻抗变换器等。通过对微波滤波器基本理论的阐述和分析， 对下面的研究奠定了理论基础。 1 4 第三幸微波滤波嚣耦合理论及耦合结构 3 1 引言 第三章腔体滤波器耦合理论及耦合结构 本章主要介绍了滤波器的耦合理论及耦合结构，详细分析研究了同轴谐振单腔、 抽头耦合结构、双腔耦合结构、以及交叉耦合的原理及其结构，并举例验证。这是设 计滤波器的关键步骤，通过理论分析和耦合结构仿真，对滤波器的信号的传输有了更 深刻的认识。 3 2 微波谐振电路 谐振电路所实现的功能是：从宽的信号频谱中选出一段频段以满足某种通信电路 的需要。滤波器可以作为微波谐振电路的一种应用。 图3 1 谐振电路 f i g 3 - 1r e s o n a n tc i r c u i t 谐振电路中储存的电能w ：( t ) 和w m ( t ) 磁能可分别表示为： w e ( t ) = 昙c v 2 ( t ) w m ( t ) = l i 2 ( t ) ( 3 1 ) ，( 3 2 ) 式中，v 为电容器两端的电压；i 为流经电感器的电流。总得储能为： w ( t ) = w e ( t ) + w m ( t ) 谐振电路的品质因数q o 定义为： q 。= 。紫= 。瓦w 1 5 ( 3 1 ) ( 3 2 ) ( 3 3 ) ( 3 4 ) 广东工业大学硕士学位论文 ( 3 4 ) 式中，p l 为谐振时谐振回路的损耗功率；o 为谐振时的角频率。 品质因数对谐振的影响用通频带f 来表示，即q o 越高，带宽f 越窄， 性越好，如式( 3 5 ) f = 去 3 3 同轴谐振腔和谐振腔的调谐 3 3 1 同轴谐振腔的介绍 回路的选择 ( 3 5 ) 在微波技术中，同轴线和微带线通常被用作作为主要的传输线。同轴线工作于 t e m 模，微带线工作于准t e m 模。它们构成的谐振器具有很多优点，例如：工作频 带宽、场结构稳定以及振荡模式简单等优点。同轴线在传输中难免要出现高次波型， 怎么样才可以比避免出现高次波型( 即t e 波与t m 波) ? 利用下式，传输线内外导体 直径要满足 旦掣 入 ( 3 6 ) 1 、， ( 3 6 ) 式中，同轴线外导体内直径d = 2 b ，同轴线内导体直径d = 2 a ，人为工作波长。 击穿电压、功率容量、特性阻抗、传输线损耗等参数会受到内外导体的半径之比不同 而不同。 ( a ) x 4 型( b ) ；u 2 型( c ) 电容负载式 图3 _ 2 同轴谐振腔示意图 f i g 3 - 2d i a g r a m so fc o a x i a lr e s o n a t o r 同轴谐振腔共有三种形式：( a ) d 2 同轴线谐振腔是由一段两端用导体板封闭， 腔长为胞的同轴线：( b ) m 4 同轴线谐振腔的同轴线一段开路一段短路，腔长m 4 ， 可以利用一段处于截止状态的圆形波导来实现其开路端；( c ) 电容负载同轴谐振腔 是指在同轴腔体的内导体的腔体端面与开路端之间形成的集中电容作为同轴线的末 1 6 第三章微波滤波器耦合理论及耦合结构 端负载。 电容负载式同轴谐振腔是最被常用的一种结构形式，大大提高了其准确度。 6 7 瞄l i e s 习 钆3 4 e 5 11 4 7 1 e 5 1 薰。i ( a )( b ) 图3 - 3 ( a ) 谐振管电场能量图( b ) 谐振管磁场能量图 f i g 3 - 3 ( a ) e l e c t r i cp o w e rd i a g r a m s ( b ) m a g n e t i cp o w e rd i a g r a m s 图3 3 为c s t 中对谐振管的电磁场仿真，由图发现，电场主要集中的在谐振管顶 部，磁场主要集中在谐振管底部。这种谐振管电磁场分别的特性决定了抽头耦合结构 和谐振腔之间的耦合结构以及导致不同的耦合性质。 3 3 2 同轴谐振腔的调谐 同轴谐振器的调谐有两种：微扰法和活塞调谐法。活塞调谐法的原理非常简单， 通过调整谐振腔体的高度，谐振波长就会随着变化。但是在大多数情况下，通常采用 调谐螺钉来实现对谐振腔的谐振频率进行微调，这种情况适用于很多形状的谐振腔。 设一个圆形腔，高度为h ，伸入腔内的调谐螺钉长度为t ，如图3 _ 4 所示。 1 7 栩川搦i 3 a 1 1 0 9 9 8 7 7 哺 6 1 8 1 8 s 2 旧 n 6 0 5 9 9 3 8 3 口 ， 9 2 5 0 2 s 9 2 6 9 j 6 6 5 4 4 3 2 2 1 广东工业大学硕士学位论文 图3 4 调谐谐振器结构 f i g 3 - 4s t r u c t u r eo ft u n i n gr e s o n a t o r 随着螺