腔体滤波器的频率计算

1412011年第07期，第44卷通信技术Vol.44，No.07,2011总第235期CommunicationsTechnologyNo.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】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】同轴腔体滤波器；谐振腔；谐振频率；ansoft模拟【中图分类号】TN713.5【文献标识码】A【文章编号】1002-0802(2011)07-0141-03FrequencyCalculationofCavityFilterMAJun-chang，WEIWen-zhen(Xi’anForstarS&TCo.,Ltd,Xi’anShaanxi710077,China)【Abstract】Cavityfilterisaveryimportantpartinmicrowavecommunicationsystem,anditsfrequencycalculationisakeytothefillerdesign.Thisfrequencycalculationistediousandbasedoncomplicatedtheoreticalcomputation.Andthecalculationalmethodsandemulationmodesofcavityfilterarediscussedandinvestigatedthroughexamples,theeasyandpracticaldesignformulaandstepsarealsogiven.First,basedonthesynthesisdesignasinglecavityprogressionisobtained,thentheplatecapacitorandtubbishcapacitorareemployedtoaccuratelycalculatetherodlengthofresonance,andthenthefrequencyofresonanceisverifiedthroughansoftsimulation,theexperimentalresultisquiteidenticalwiththeexamples.【Keywords】coaxialcavityfilter;resonancecavity;resonancefrequency;ansoft0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，PersonalHandyphoneSystem）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110MHzPHS滤波器技术指标工作频段1900～1910MHz带内插损≤1.1dB通带纹波≤0.3p-pmaximum回波损耗≥20dB≥60dB@DC-1880MHz≥45dB@1890MHz≥45dB@1920MHz带外抑制≥60dB@1930MHz功率容量100W参考外形尺寸116mm×80mm×38mm收稿日期：2011-03-23。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。1421.1确定腔体节数f0=1905MHz，△f1=±5MHz，LA1≤1.1dB，12121010lg101lg101lg21LALAWnW⎡⎤⎛⎞⎛⎞⎛⎞∆⎢⎥⎜⎟⎜⎟⎜⎟=−−−⎢⎥⎜⎟⎜⎟⎜⎟∆⎢⎥⎜⎟⎜⎟⎝⎠⎢⎥⎝⎠⎝⎠⎣⎦，△f2=±15MHz，LA2≥45dB，△f3=±25MHz，LA3≥60dB。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Ｑ确定谐振杆的直径同轴腔的Q值计算公式[4]:()20000240πln4πππ(14π8(4)π(ln4π2DdQfDdLfDdDλµδλµδ×=++，L指棒长，U指导磁率，单位：H/cm，δ指电阻率，单位Ω/cm。可以得到:当D/d=3.6时Q最大,即，圆柱腔0138lg()ZDd==76.7Ω；矩型腔0138lg()3.5480.2ZDd=+=Ω。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:55～106Ω；矩型腔：58～110Ω。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。①在外形116X80的面上布腔：33.2×33.2的矩型腔；②阻抗取76Ω:可以得出谐振杆直为Φ9.9取整数Φ10。1.5谐振杆长度的确定滤波器总高38mm.减调谐螺钉高出盖板（锁紧螺母）的高度5mm，盖板厚度取3mm，底面留3.5mm,则腔体净深剩38-5-3-3.5=26.5mm,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≥0.5mm，这里暂取2.0mm,这样谐振杆的长度为26.5-2=24.5mm。24.5mm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=＆πD2/4S,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：①0Bj=∑；②00()10tjZtgLCjCωω+=。得出：100(1)tLCtgZCωω−=×，（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；ωO为频率；Ct为总电容；所以可以求出:Ct=1.355PF，（2）而：tpfCCC=+。CP为平板电容；Cf为筒状电容：2π4pCDSδ=，（3）2πln()fbaCmRRδ=，（4）δ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=0.3475PF，（5）所以Cf=1.0075PF，Cf中暂定Rb=Φ8mm;Ra=Φ5mm，用M5的调谐螺钉。则：m=8.45mm。（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≥１；S≥0.5mm）如果Ct很大,在保证S≥0.5mm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Φd；计算平板电容时用图6中的ΦD。图6电容加载谐振杆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]k12,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[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]YOUNGL,SCHIFFMANBM.NewandLmprovedTypesofWaffle_LronFilters[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]MAKIMOTOM,YAMSHITAS.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].SouthAfrica:UniversityofPretoria,2005.[5]THOMASAK,HOLGERBuchholz.STANAG5066–FlexibleSoftware/HardwareSolutionforthenewNATOHF-CommunicationProtocol[C].USA:IEEE,2002:487-490.[6]STANAG5066.ProfileforMaritimeHighFrequency(HF)RadioDataCommunications[EB/OL].(2005-05-13)[2011-03-12].=607595.[7]TRINDERSE,GILLESPIEAFR.OptimizationofTheSTANAG5066ARQProtocoltoSupportHighDataRateHFCommunications[C].China:[s.n.],2000:482-486.Φ10Φ8M424.518ΦDΦd传输损耗/dB起始频率:1860MHz终止频率:1960MHz