腔体滤波器的频率计算.pdf

141 2011 年第 07 期 第 44 卷 通 信 技 术 Vol 44 No 07 2011 总第 235 期 Communications Technology No 235 Totally 腔体滤波器的频率计算 马军昌 魏文珍 西安富士达科技股份有限公司 陕西 西安 710077 摘 要 摘 要 腔体滤波器是现代微波通信系统中重要的组成 频率的计算是滤波器的关键 而频率的计算是比较繁琐的 基于复杂的理论计算 研究出了简洁实用的设计思路和设计公式 通过例题全面介绍了腔体滤波器各种频率的计算和仿真 给出了设计公式和设计步骤 首先根据综合设计得出单腔级数 再运用平板电容和筒状电容准确得到谐振杆长 通过 ansoft 模拟验证谐振频率 与实例有很好的吻合 关键词 关键词 同轴腔体滤波器 谐振腔 谐振频率 ansoft 模拟 中图分类号 中图分类号 TN713 5 文献标识码 文献标识码 A 文章编号 文章编号 1002 0802 2011 07 0141 03 Frequency Calculation of Cavity Filter Frequency Calculation of Cavity Filter MA Jun chang WEI Wen zhen Xi an Forstar S resonance cavity resonance frequency ansoft 0 引言 滤波器是一种二端口网络 它具有选择频率的特性 即 可以让某些频率顺利通过 而对其它频率则加以阻拦 1 目 前用于在雷达 微波 通信等部门 常见有螺旋振子滤波器 微带滤波器 交指型滤波器等等 虽然它们的设计方法各有 自己的特殊之处 但是这些设计方法仍是以低频综合法滤波 器设计为基础 随着多频率工作越来越普遍 对分隔频率的 要求也相应提高 尤其是临近频道的抗干扰 1 2 要求越来越 严格 这样常见的滤波器就很难满足 腔体滤波器就是随着 通讯技术的发展而产生的新秀 就目前还没有完整的理论来 指导其设计 下述理论和方法是工作经验和实践的总结 1 实例设计 以小灵通滤波器为例来研究腔体滤波器的设计过程 小 灵通 PHS Personal Handyphone System 是数位式行动 电话系统 提供高速上网 高清新话质 随着用户量的增大 PHS 的网络优化问题也日益尖锐 它采用微蜂窝技术 通过 微蜂窝基站实现无线覆盖 要做好网络覆盖问题 就必须做 好基站内部的器件指标 滤波器只是其中的一个小部件 指 标设定如表 1 所示 表 1 10 MHz PHS 滤波器技术指标 表 1 10 MHz PHS 滤波器技术指标 工作频段 1 900 1 910 MHz 带内插损 1 1 dB 通带纹波 0 3p p maximum 回波损耗 20 dB 60 dB DC 1 880 MHz 45 dB 1 890 MHz 45 dB 1 920 MHz 带外抑制 60 dB 1 930 MHz 功率容量 100 W 参考外形尺寸 116mm 80mm 38mm 收稿日期收稿日期 2011 03 23 作者简介 作者简介 马军昌 1970 男 工程师 主要研究方向为微波 无源技术 魏文珍 1972 女 工程师 主要研究 方向为电磁场与微波技术 142 1 1 确定腔体节数 1 1 确定腔体节数 f0 1 905 MHz f1 5 MHz LA1 1 1 dB 12 1 21010 lg 101lg 101lg 2 1 LALA W n W f2 15 MHz LA2 45 dB f3 25 MHz LA3 60 dB 代入 LA1 1 1 LA2 45 W2 5 W1 15 有 n 5 28 同样代入LA2 45 LA3 60 W2 15 W3 25 有n 3 378 因此取 6 腔 1 2 根据外形尺寸确定单个腔的大小 1 2 根据外形尺寸确定单个腔的大小 单腔的排列法有很多种 具体根据输入 输出的位置和 需要加的传输零点 3 的情况而定 就如上给定参考尺寸和技 术指标的情况下 可以确定必须要有一对腔用来做传输零 点 排列方法有图 1 图 2 图 3 的基本形式 图 1 单腔排列 图 2 单腔排列 图 3 单腔排列 所有图中 处为加零点位置 方腔 腔体体积大 电 磁容量多 圆腔 单个腔体的摆放更灵活 1 3 根据1 3 根据 确定谐振杆的直径 确定谐振杆的直径 同轴腔的 Q 值计算公式 4 2 0 000 240 ln4 14 8 4 ln4 2 D d Q fDdLfDd D L 指棒长 U 指导磁率 单位 H cm 指电阻率 单位 cm 可以得到 当D d 3 6时Q最大 即 圆柱腔 0 138lg ZD d 76 7 矩型腔 0 138lg 3 5480 2ZD d 当阻抗是上面值时 理论上的插入损耗可以得到的最小 值 在实践中当抽头同样匹配在最佳时只要阻抗 5 在一定范 围 都可以得到理想的效果 圆柱腔 55 106 矩型腔 58 110 1 4 腔体 谐振杆直径的确定 1 4 腔体 谐振杆直径的确定 通过以上数值的取得就可以确定腔体 谐振杆直径 在外形 116X80 的面上布腔 33 2 33 2 的矩型腔 阻抗取 76 可以得出谐振杆直为 9 9 取整数 10 1 5 谐振杆长度的确定 1 5 谐振杆长度的确定 滤波器总高 38 mm 减调谐螺钉高出盖板 锁紧螺母 的 高度 5 mm 盖板厚度取 3 mm 底面留 3 5 mm 则腔体净深剩 38 5 3 3 5 26 5 mm 谐振杆能产生谐振必须和盖板有一定 的距离 无源器件都有功率要求 为避免在系统运行中出现 功率打火 谐振杆和盖板的距离应 0 5 mm 这里暂取 2 0 mm 这样谐振杆的长度为 26 5 2 24 5 mm 24 5 mm的高度显然不能确定为滤波器的谐振频率 此高 度只是它的一个暂定值 至于能不能满足要求 则要通过计 算去验证 现进行验证 同轴滤波器的谐振频率到底怎么计算 很多资料都有提 到 但只是一部分即考虑到其平板电容 C D2 4S 即内导 体的开路端面与外导体 可看做盖板 之间形成的集中电容 故称加载电容 在实际中没有不调试的同轴腔体滤波器 这样就会出现 图 4 的情况 图 4 谐振杆剖视 图 4 通过平板和筒状电容的计算可以得其谐振频率 根 据同轴腔的谐振条件 0Bj 00 10 t jZtgL CjC 得出 1 00 1 t LCtgZC 1 其中 L为谐振杆长度 注 这里一定等于腔深 C为光速 Z为阻抗 O为频率 Ct为总电容 所以可以求出 Ct 1 355 PF 2 而 tpf CCC CP为平板电容 Cf为筒状电容 2 4 p CDS 3 2 ln fba CmRR 4 为常数 S为内导体的开路端面与外导体之间的距离 m 为调谐杆的平均调入深度 Rb为谐振杆的内径 Ra为调谐杆 调谐杆 调谐杆 调振杆 143 的直径 代入前面的暂定数据 可得 CP 0 347 5 PF 5 所以Cf 1 007 5 PF Cf中暂定Rb 8 mm Ra 5 mm 用 M5 的调谐螺钉 则 m 8 45 mm 6 谐振杆的结构如 5 图所示 图 5 谐振杆 可见只要算出Ct 通过调整S Ra Rb和m值 总能找到 符合要求的数值 必须满足 Rb Ra S 0 5 mm 如果 Ct 很大 在保证S 0 5 mm 的前提下 可以通过加大加载电容的 方法去满足 如图 6 所示 在计算阻抗时用图 6 的 d 计 算平板电容时用图 6 中的 D 图 6 电容加载谐振杆 1 6 窗口的宽度和深度计算 1 6 窗口的宽度和深度计算 比较繁杂 根据所选择的函数式及波纹 查出它的耦合 系数 6 k 12 k23 k34 kij 再根据公式求出其耦合面积 4 再根 据面积等效关系求出它的深度 经过修正得出结果 ansoft 仿真频率结果如图 7 示 可以看出谐振频率满足 没有加陷波 频率 GHz 图 7 仿真曲线 1 7 实际产品加传输零点后 1 7 实际产品加传输零点后 经过矢量网络分析仪进行调试 得出最后指标 网络分 析仪测试曲线如图 8 示 图 8 产品调试曲线 2 结语 以上方法将比较复杂深奥的微波电磁理论和公式 通过 转换 用简洁易懂的计算达到了设计目的 在实际中 通过十 几种不同频率的验证 用以上方法是可行的 参考文献 参考文献 1 成都电讯工程学院七系 LC 滤波器和螺旋滤波器的设计 M 北京 人民邮电出版社 1978 2 YOUNG L SCHIFFMAN B M New and Lmproved Types of Waffle Lron Filters J Proc Lee London 1968 100 1191 1198 3 胡皓全 曹纪刚 新型微带交叉耦合环微波带通滤波器 J 电子科技 大学学报 2008 06 22 23 4 贺瑞霞 微波技术基础 M 北京 人民邮电出版社 1988 5 程昆仑 李平辉 赵志远 一种宽阻带带通滤波器的设计方法 J 通信技术 2011 44 03 141 142 6 常建刚 高性能滤波器的谐振器结构设计 J 通信技术 2008 41 12 300 301 7 MAKIMOTO M YAMSHITA S 无线通信中的微波谐振器和滤波器原理 论 M 北京 国防工业出版社 2002 上接第 140 页 Waveforms D South Africa University of Pretoria 2005 5 THOMAS A K HOLGER Buchholz STANAG 5066 Flexible Software Hardware Solution for the new NATO HF Communication Protocol C USA IEEE 2002 487 490 6 STANAG 5066 Profile for Maritime High Frequency HF Radio Data Communications EB OL 2005 05 13 2011 03 12 http NATO STANAG 5066 Edition2 1999 ieeexplore ieee org iel3 4826 13334 006