小型化交叉耦合腔体滤波器设计

［ Abstract］ How to realize the small crosscoupled cavity filter by HFSS is described， designed a fourcavity filpassband was 30 MHz，S21 was lower than － 20 ter，which material was copper，center frequency was 0． 945 GHz， dB at the frequency point of 10 MHz higher and lower than passband，S21 was higher than － 0． 5 dB and S11 was lower than － 10 dB in the passband． The filter size is 90 mm × 90 mm × 35 mm，which achieve a better band edge suppression without increasing the number of the cavities and is adjustable，compare with the filter that has the same performance it is much more smaller． ［ Key words］ small crossingcoupling adjustable
微波滤波器是雷达系统、 通信系统、 测量系统 其性能的优劣往往 等系统中最常见的元器件之一， 直接影响到整个系统的质量。 广义切比雪夫滤波 器在通带内产生等波纹特性， 在阻带可以任意设置 这使得其响应曲线的频率选择性要优于 衰减极点， 同级数的切比雪夫滤波器， 不仅满足了指标特性， 同时能够减少谐振腔的个数， 降低设计成本和滤波 器体积。因此在现代滤波器设计中广为应用
16 期
奚嘉舣， 等： 小型化交叉耦合腔体滤波器设计
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减小腔体尺寸， 谐振腔高度为 35 mm 谐振柱长度为 30 mm，
图4
四腔体交叉耦合滤波器
由于加入 耦 合 结 构 后， 谐振腔的谐振频率发生变
图2 单腔体模型
所以， 一开始是得不出理想结果的， 需要对谐振 化， 螺钉和耦合螺钉进行调节， 才能得到满意的结果。 调节后的参数如下： 1 腔谐振螺钉长： 15 mm； 2 腔谐振螺钉长： 8． 7 mm； 3 腔谐振螺钉长： 8． 7 mm； 4 腔谐振螺钉长： 15 mm； 三个耦合窗口： 20 mm × 35 mm × 3 mm； 12 腔耦合螺钉长： 22． 5 mm； 23 腔耦合螺钉长： 16 mm； 34 腔耦合螺钉长： 22． 5 mm； 交叉耦合螺钉长： 19 mm， 半径 1． 5 mm； 电耦合窗口： 7 mm × 10 mm × 3 mm。 调结后得到的 S 参数图如图 5 。
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滤波器设计
为实现小型化设计， 设计中滤波器阶数选取 4
1 →2 →3 →4 腔体间采用耦合窗和耦合螺钉进行 阶，
2011 年 3 月 9 日收到 四川省自然科学基金资助
硕士， 研究方向： 微波滤 第一作者简介： 奚嘉舣（ 1986 —） ，四川人， mail： scofeildxjy@ 126． com。 波器。E-
［Hale Waihona Puke ］磁耦合。1 腔体和 4 腔体间的容性耦合通过耦合探 针进行电耦合。图 1 展示了设计的四腔体滤波器的 拓扑图形。
。
图1 四腔体交叉耦合拓扑和理论响应
近年来各种三维电磁仿真软件的商业化发展 ， 一系列像 HFSS 这样的可以达到准确计算的软件不 断涌现， 飞速发展的计算机技术也使得这类软件的 在滤波器的设计仿真和实现中 计算速度大大提高， 发挥着巨大的作用， 使设计水平进入到一个数值化
2 1 2 1 2 ［3 ］ 2 2 2
， 得出耦合系数。
图3
通过耦合杆实现两个腔体间磁耦合 图5 S 参数曲线
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科
学
技
术
与
工
程
11 卷
从图 5 S 参数曲线可以看出 920 MHz 处 S21 为 － 20 dB ，970 MHz 处 S21 为 － 21 dB ， 带内回波损耗 大于 10 dB 。
第 11 卷 第 16 期 2011 年 6 月 1671 — 1815 （ 2011 ） 16-3664-03
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Vol. 11 2011
No. 16
June 2011
Science Technology and Engineering
Sci. Tech. Engng.
小型化交叉耦合腔体滤波器设计
［2 ］ 时代。 本文给出了一种基于 HFSS 作为设计软件
S21 通过电感时， 会产生 + 90 的相位差， 通过电 容时有 － 90 的相位差。对谐振腔而言， 当频率低于 S21 产生 + 90 的相位差， 谐振腔呈容性， 谐振频率时， S21 产生 － 90 的 当高于谐振频率时， 谐振腔呈感性， 相位差。
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2007 ； 32 ； 7 ； 53 —57 量技术， 王清芬， 马延爽． 应用 HFSS 设计 40 MHz 腔体滤波器． 无线电工 2008 ； 38 ； 12 ； 44 —46 程， 3 甘本 祓， 吴 万 春． 现 代 滤 波 器 的 结 构 与 设． 北 京 科 学 出 版 1974 社，
［3 ］
并实际设计仿真了全 的交叉耦合滤波器设计方法， 球移动通信系统（ Global System for Mobile Communication， GSM） 用滤波器。
设计了通带为 930 MHz 到 960 MHz 的， 带宽为 30 MHz， S21 大于 － 0． 5 带内回波损耗小于 － 10 dB ， dB 带外 10 MHz 处有 － 20 dB 的 S21 响应的腔体滤波 器， 经过综合变换得到的耦合矩阵为 ： 1．131 4 0 0 0 0 0 1．131 4 0．001 369 2 0．960 08 0 －0．291 5 0 0．960 08 0．008 369 6 0．867 21 0．014 702 0 0 M = 。 0 0 0．867 21 －0．018 193 0．959 96 0 0 －0．291 5 0．014 702 0．959 96 0．001 369 2 1．131 4 0 0 0 0 1．131 4 0 谐振腔设计中采用在开路端加圆盘的办法来
Design of Small Crosscoupled Cavity Filter
XI Jiayi，SU Hua，ZHANG Zhenyan，ZHAO Yun，CUI Bohua
（ School of Microelectronic Solid Electronic，Electronical University of ScienceTechnology，Chengelu 610051 ，P． R． China）
奚嘉舣 苏 桦 张正严 赵 云 崔博华
（ 电子科技大学微电子固体电子学院， 成都 610051 ）
摘
要
用 HFSS 仿真软件设计了以铜为材料 ， 中心频率为 0． 945 GHz， 带宽为 30 MHz 的小型化交叉耦合滤波器 ， 带外 10
MHz 处 S21 有 － 20 dB 的衰减， S11 ＜ － 10 dB 的四腔体滤波器。 整个滤波器尺寸为 90 mm × 90 mm × 35 带内 S21 大于 － 0． 5 dB， mm。在腔体数不增加的情况下 ， 达到了较好的带边抑制 。同相同滤波器性能相比 ， 体积更小， 而且可调试。 关键词 小型化 交叉耦合 TN713． 7 ； 可调试 文献标志码 A 中国法分类号
单腔体仿真时 Q 值该高于实际值。 因为损耗的 实际值约为 HFSS 仿真值的 80 % ～ 90 % 。 考虑 存在， 到这点， 本文所取 Q 值为 6 091 。 单腔谐振频率为 945 MHz， 谐振螺钉半径取 2． 5 mm。滤波器阻抗选 择为 75 Ω。 使用 HFSS 的本征模式， 仿真磁耦合与电耦合， 磁耦合即对应单通路耦合窗口， 电耦合即本文中的 交叉耦合结构 ～ 电探针耦合。 耦合系数仿真采用 将 2 腔体耦合画好后， 设置模式数为 2 ， 然 双模法， 按公式 后用 HFSS 中 solution data 的两个谐振频率， K = f －f f + f
波器性能相比， 体积更小。 在整个设计中， 耦合系 数和谐振频率都可以通过调节耦合螺钉和谐振螺 增加了设计的实用性， 避免了重复 钉来进行调试， 加工。
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结论
本文介绍了得出耦合矩阵后， 如何根据得出的
1 1 王
参
考
文
献
烁， 姚振东． 交叉耦合腔体滤波器的设计与实现． 电子测
实际设计交叉耦合滤波器， 并通过交叉 耦合系数， 证明了这一设计方法的可行 耦合滤波器实际设计， 性。设计中加入了圆盘结构， 使得腔体高度大大减 进而使得整个滤波器尺寸减小。 使用耦合探针 小， 进行交叉耦合， 增加了带边抑制程度， 在腔体数不 增加的情况下， 达到了较好的带边抑制， 同相同滤