介質(zhì)濾波器畢業(yè)設計論文

1、<p><b>　　目 錄</b></p><p>　　引言……………………………………………………………………………………… 1</p><p>　　1.1 介質(zhì)諧振器的發(fā)展和應用……………………………………………………… 1</p><p>　　1.2 介質(zhì)濾波器的特點及應用 …………………………………………………… 3&

2、lt;/p><p>　　1.3 本文的主要研究內(nèi)容 ………………………………………………………… 3</p><p>　　2 介質(zhì)腔體濾波器的理論設計……………………………………………………… 4</p><p>　　2.1濾波器基本原理……………………………………………………………… 4</p><p>　　2.2 介質(zhì)腔體濾波器的線路設計

3、…………………………………………………… 8</p><p>　　2.3 介質(zhì)腔體濾波器的微波實現(xiàn)…………………………………………………… 10</p><p>　　3 腔體介質(zhì)濾波器的仿真設計………………………………………………………15</p><p>　　3.1 Ansoft HFSS軟件介紹………………………………………………………… 15</p

4、><p>　　3.2 腔體介質(zhì)濾波器的工作原理……………………………………………… 17</p><p>　　3.3 腔體介質(zhì)濾波器的仿真過程…………………………………………………… 17</p><p>　　4 腔體介質(zhì)濾波器的生產(chǎn)與調(diào)試……………………………………………………20</p><p>　　4.1 介質(zhì)諧振器與截止波導的生產(chǎn)…

5、…………………………………………… 20</p><p>　　4.2 濾波器的調(diào)試…………………………………………………………… 22</p><p>　　5 濾波器的測試結(jié)果及分析……………………………………………………22</p><p>　　結(jié)論 ……………………………………………………………………………………25</p><p>　

6、　致謝 ……………………………………………………………………………………26</p><p>　　參考文獻………………………………………………………………………………27</p><p><b>　　1 引言</b></p><p>　　1．1 介質(zhì)諧振器的發(fā)展和應用</p><p>　　微波介質(zhì)諧振器是國際上70年代

7、出現(xiàn)的新技術(shù)之一。1939年，R．D．Richtmyes就提出非金屬介質(zhì)體具有和金屬諧振腔類似的功能，并把它稱為介質(zhì)諧振腔。但是直到六十年代末才開始使用到微波電路中。國內(nèi)七十年代就有人研究，八十年代初報導了有關(guān)研究成果。</p><p>　　介質(zhì)諧振器是用低損耗、高介電常數(shù)的介質(zhì)材料做成的諧振器，已廣泛應用于多種微波元器件中。它具有如下特點：①體積小，由于材料的介電常數(shù)高，可使介質(zhì)諧振器的體積小至空腔波導或軸諧振

8、器的1/10以下，便于實現(xiàn)電路小型化；②Q0值高，高0.1-30GHz范圍內(nèi)，Q0可達103-104；③基本上無頻率限制，可以適用到毫米波（高于100GHz）；④諧振頻率的溫度穩(wěn)定性好。因此，介質(zhì)諧振器在混合微波集成電路中得以廣泛的應用。目前，介質(zhì)諧振器已用于微波集成電路中作帶通和帶阻濾波器中的諧振元件、慢波結(jié)構(gòu)、振蕩器的穩(wěn)頻腔、鑒頻器的標準腔等。①</p><p>　　在微波集成電路中，介質(zhì)諧振器的形狀通常為矩

9、形、圓柱形和圓環(huán)形。介質(zhì)諧振器的諧振頻率與振蕩模式、諧振器所用的材料及尺寸等因素有關(guān)。分析這個問題的方法早期是用磁壁模型法，即將介質(zhì)諧振器的邊界看成磁壁來分析，這種方法的誤差較大，達10％。現(xiàn)在較為精確的分析方法有變分法、介質(zhì)波導模型法（開波導法）、混合磁壁法等，誤差可小于1％。人們已對常用的介質(zhì)諧振器的諧振頻率做了計算，對于給定了介電常數(shù)和尺寸的介質(zhì)諧振器，可以直接從有關(guān)曲線圖中求得其諧振頻率。對于介電常數(shù)為38的394材料做的圓柱形

10、介質(zhì)諧振器，它的頻率與尺寸間的關(guān)系公式如下：</p><p>　　（D/L＝2～2.5） (1.1)</p><p>　　其中D為諧振器的外徑，L為諧振器高度，εr為諧振器的介電常數(shù)，f0為諧振器的諧振頻率。</p><p>　　對介質(zhì)諧振器材料的要求是介電常數(shù)εr高、損耗正切tanδ小、頻率溫度系數(shù)ηf小。孤立介質(zhì)諧振器的無載Q0值取決于介

11、質(zhì)材料的Q值。對于相對介電常數(shù)為100左右或者更高的介質(zhì)諧振器，其無載Q0值可用下式近似估算：</p><p><b>　　(1.2)</b></p><p>　　但實際應用的介質(zhì)諧振器都是放在波導中或微帶基片上的，由于金屬板上將產(chǎn)生傳導電流引起導體損耗，所以介質(zhì)諧振器的Q0值將降低。 本設計需要將諧振器放在支架上，支架的高度對諧振器頻率有一定的影響，支架升高，頻率相

12、對減?。涣硪环矫嬗捎谥Ъ艿脑龈?，使得諧振器與波導頂?shù)木嚯x減小，同時諧振器頻率又會有所升高，因此我們在選擇諧振器和支架時，要綜合考慮這些因素的影響，從而得出比較接近的值，后面將介紹由這些因素的影響而得出的計算諧振器頻率的公式。</p><p>　　1．2 介質(zhì)濾波器的特點及應用</p><p>　　介質(zhì)諧振器濾波器是微波濾波器電路技術(shù)的一個新發(fā)展，它可以滿足微波濾波器尺寸小、低插損但能集成的

13、電路要求。雖然微波毫米波濾波器的研究具有悠久的歷史，但是傳統(tǒng)的設計和實現(xiàn)高品質(zhì)的技術(shù)，如利用傳統(tǒng)金屬波導或利用微帶線的濾波器實現(xiàn)技術(shù)，不是造價昂貴就是很難達到所要求的技術(shù)指標。</p><p>　　要實現(xiàn)高質(zhì)量的移動通信，控制干擾信號進行通信信道十分關(guān)鍵，一方面要控制通信信道外的干擾對通信道的影響。另一方面，在同一通信系統(tǒng)內(nèi)還要控制通信通道內(nèi)的相互干擾。為了達到此目的，在移動通信基站中就要設置高質(zhì)量的微波濾波器。

14、不管通信體制是時分制還是頻分制，這種微波濾波器都是必不可少的。</p><p>　　本文介紹的介質(zhì)腔濾波器，應用于移動碼分地球站和8路數(shù)字微波接力機中。由于衛(wèi)星地球需要同時接收通信信號和信標，為此還研制了介質(zhì)腔分頻器。在6GHz,7GHz,8GHz等頻段中實現(xiàn)的帶通濾波器實測性能與美國AD－TECH　Micowave公司1983年報導的數(shù)據(jù)相當。移動碼分地球站收發(fā)信號系統(tǒng)用微帶混合集成電路，除高功率用行波外，全機

15、場效應管化。其中4GHz予選器和6GHz上變頻輸出濾波器采用介質(zhì)諧振腔帶通濾波器。在8路數(shù)字微波接力機中，微波信道機全機場效應管化，采用微帶混合集成電路，介質(zhì)諧振腔穩(wěn)頻振蕩器作本振源，前、后予選濾波器用介質(zhì)腔帶通濾波器。初步實現(xiàn)了微波機的集成化、小型化。②</p><p>　　而采用介質(zhì)諧振器組成的腔體濾波器具有比較明顯的優(yōu)勢，首先單個諧振器具有較高的頻率和Q值，因此具有良好的性能；另外它采用的是電磁耦合的方式，

16、適用于微波通訊、雷達、電子對抗、軍事、航空航天等領(lǐng)域，是一種新型的，有發(fā)展前途的器件。</p><p>　　1．3 本文的主要研究內(nèi)容</p><p>　　介質(zhì)腔體帶通濾波器是一種窄帶高性能濾波器，具有帶內(nèi)低插耗，帶外高抑制等優(yōu)點。在1％-0.5％或更窄帶寬均可實現(xiàn)，帶內(nèi)插損可在1dB左右，帶外抑制大于60dB，帶內(nèi)起伏可達±0.25dB，一般第一個寄生通帶高出工作通帶中心頻率的

17、20％左右，與理論值基本一致。</p><p>　　本文介紹的介質(zhì)諧振器濾波器要求：中心頻率為5.5GHz，帶寬為25MHz，插入損耗為2dB，通帶波動0.5dB，駐波比1.5。就此濾波器的理論可行性和實際生產(chǎn)而言是沒有問題的，但是由于考慮到實際生產(chǎn)中諧振器頻率的問題，現(xiàn)將設計指標定為中心頻率為6GHz，其它參數(shù)不變。</p><p>　　與其它濾波器相比，此濾波器應用于較大功率和對阻帶衰

18、減（即矩形系數(shù)）要求較高的場合，具有比較明顯的優(yōu)勢，但由于其設計具有方法的特殊性，要突破原有設計經(jīng)驗的束縛，并總結(jié)出此種濾波器的設計規(guī)律，將理論和生產(chǎn)實際有機地結(jié)合起來，這也作為此濾波器設計的主要目的。</p><p>　　介質(zhì)諧振器帶通濾波器使用至今，其主要結(jié)構(gòu)還是兩種：一種是微帶型；另一種是截止波導型。由于微帶型損耗較大，一般對于頻率高于8 GHz的微波帶通濾波器都不使用它，而采用插損較小的截止型帶通濾波器。

19、</p><p>　　截止型濾波器的設計由于受很多因素的影響，如介質(zhì)諧振器的介電常數(shù)和其尺寸、墊襯材料及其厚度、濾波器外殼尺寸等。另外理論也不完善。因而很難達到統(tǒng)一的最佳形式。</p><p>　　本文從理論上對此種濾波器做一些基本的描述，并通過設想與前人總結(jié)的一些理論計算，及ANSOFT軟件的精確仿真，總結(jié)出此種濾波器的一些設計規(guī)律和方法。</p><p>　　2

20、 介質(zhì)腔體濾波器的理論設計</p><p>　　2．1濾波器基本原理</p><p>　　理想的濾波器應該是這樣的一種二端口網(wǎng)絡：在通帶內(nèi)它能使微波信號完全傳輸，而在阻帶內(nèi)它使微波信號完全不能傳輸。然而我們只能設計一個盡可能接近理想濾波器特性的濾波器。與其他微波器件一樣，對于微波濾波器同樣也有兩類問題需要研究，一是分析，二是綜合。已知濾波器的電路結(jié)構(gòu)和元件參數(shù)，計算它的工作特性，這屬于分

21、析問題；與此相反，從預定的工作特性出發(fā)，確定濾波器的電路結(jié)構(gòu)和元件數(shù)值，這一過程則屬于綜合問題。在實際工作中遇得較多的是綜合問題。</p><p>　　濾波器的綜合設計一般包括四個環(huán)節(jié)：根據(jù)系統(tǒng)要求確定濾波器的工作特性，選擇適當?shù)拿枋錾鲜龉ぷ魈匦缘谋平瘮?shù)的數(shù)學表達式，確定濾波器的集總參數(shù)的網(wǎng)絡結(jié)構(gòu)，選擇合適的微波結(jié)構(gòu)予以實現(xiàn)。下面將詳細介紹濾波器設計的一般流程。</p><p>　　2.

22、1.1濾波器設計一般流程</p><p>　　一般的濾波器都可以看做是一個二端口網(wǎng)絡，按照微波系統(tǒng)的要求，可以確定濾波器的工作特性。工程上習慣于用插入衰減L來描述濾波器的工作特性。L定義為當網(wǎng)絡輸出端口接匹配負載時，網(wǎng)絡輸入端口的入射功率Pi與負載所得到的功率PL之比，常用對數(shù)表示為</p><p>　?。╠B） (2.1)</p>&

23、lt;p>　　按照濾波器插入衰減的頻率特性不同，一般將濾波器的工作特性分為四類：低通、高通、帶通和帶阻。本論文的指標為一帶通濾波器。</p><p>　　對于一個微波濾波器有下列幾項主要技術(shù)指標：</p><p>　　通帶載止頻率和通帶最大插入衰減；</p><p>　　阻帶邊界頻率和阻帶最小插入衰減；</p><p><b>

24、;　　寄生通帶；</b></p><p>　　插入相移和時延頻率特性</p><p>　　所謂插入相移是信號通過濾波器后所引入的滯后相位，即網(wǎng)絡散射參數(shù)S21的相角，它是頻率的函數(shù)，隨著ω的變化曲線即為濾波器的插入相移頻率特性。</p><p>　　對于不同類型的濾波器，我們并不需要一一自始至終地進行綜合設計，簡單的方法是將低通原型濾波器分析清楚，然后利

25、用頻率變換將低通、高通、帶通、帶阻濾波器變換成低通原型來綜合設計。</p><p>　　在工程上只能用一些函數(shù)去盡量逼近理想的衰減特性。常用的逼近函數(shù)有三種：最平坦函數(shù)、切比雪夫多項式和橢圓函數(shù)。這三種逼近函數(shù)分別形成低通原型濾波器的三種衰減頻率特性，而與之對應的濾波器分別稱為最平坦式濾波器、切比雪夫式濾波器和橢圓函數(shù)式濾波器。這三種逼近函數(shù)所形成的衰減頻率特性各有特點，其中最平坦式的特性表現(xiàn)為插入衰減L隨頻率的

26、增加而單調(diào)增大，但L隨頻率的增加的速率比較緩慢，即由通帶過渡到阻帶的頻帶比較寬，這是它的不足之處。切比雪夫式的特性表現(xiàn)為通帶內(nèi)衰減量有等起伏變化，通帶外衰減量L單調(diào)增大，與最平坦式的特性相比，其過渡帶較窄，即由通帶過渡到阻帶比較陡。橢圓函數(shù)式的特性表現(xiàn)為無論是在通帶內(nèi)還是在通帶外，衰減量L都有起伏變化，它的過渡帶更窄，其帶外衰減的上升斜率在三種濾波器中為最大，但由于其電路結(jié)構(gòu)復雜，元件數(shù)目多，因而不及前兩種濾波器用得普遍。①</p

27、><p>　　當逼近函數(shù)選定后，運用數(shù)學運算可得出由電感和電容等集總參數(shù)元件所構(gòu)成的梯形網(wǎng)絡結(jié)構(gòu)。</p><p>　　如何將濾波器的梯形網(wǎng)絡結(jié)構(gòu)在微波工程中具體實現(xiàn)是微波濾波器不同于低通濾波器的關(guān)鍵問題。在微波工程中，研究的是分布參數(shù)電路，據(jù)工作頻段及功率容量的不同要求選擇不同的微波傳輸線形式，確定它們的形狀和尺寸，用它們具有的分布參數(shù)去替代上述梯形網(wǎng)絡中的集總參數(shù)。</p>

28、<p>　　圖1 濾波器設計流程圖</p><p>　　2.1.2由低通原型濾波器到耦合諧振腔濾波器的變換</p><p>　　低通原型濾波器是設計各種微波濾波器的基礎。所謂低通原型濾波器，是實際的低通濾波器的頻率對通帶截止頻率歸一化，各元件阻抗對信源內(nèi)阻歸一化后的濾波器。在此就應用最為廣泛并為本設計所應用的切比雪夫式濾波器的設計過程進行討論。</p><

29、;p>　　切比雪夫式低通原型衰減頻率特性的表達式為：</p><p><b>　　(2.2)</b></p><p>　　L與ω及Ω的關(guān)系即為等波紋式低通濾波器插入衰減頻率特性圖（如下圖）</p><p>　　圖2 等波紋式低通濾波器插入衰減頻率特性圖</p><p>　　(a) N=3 (b)N=2&l

30、t;/p><p>　　由圖2可知，其特點是通帶內(nèi)L的零點個數(shù)等于N。當N為奇數(shù)時曲線過原點，當N為偶數(shù)時則不過原點。</p><p>　　據(jù)切比雪夫多項式在自變量不同值域內(nèi)具有不同形式的特點，可寫出通帶和阻帶內(nèi)的插入衰減表示式分別為</p><p>　　Ω≤1 (2.3a)</p><p>　　Ω＞1 (2.3b)

31、</p><p>　　在截止頻率處，Ω＝1，，因而</p><p><b>　　(2.4)</b></p><p>　　當LP給定后，常數(shù)ε可按下式計算</p><p><b>　　(2.5)</b></p><p>　　阻帶內(nèi)的最小插入衰減為</p><

32、p><b>　　(2.6)</b></p><p>　　當ε、Ωs確定后便可由給定的Ls確定元件數(shù)目N，為</p><p><b>　　(2.7)</b></p><p>　　反之，如果給定ε、Ωs及N亦可計算出Ls的值。</p><p>　　2.1.3腔體耦合濾波器的電路模型</p&g

33、t;<p>　　N個腔體構(gòu)成的腔體濾波器的等效電路如圖所示，其中L、C的R分別表示電感、電容和電阻，I表示電流回路。應用基爾霍夫電壓定律，我們可以得到等效電路的回路方程：</p><p><b>　　(2.8)</b></p><p>　　其中Lij=Lji表示兩個諧振器之間的互感，es為電壓源值。</p><p>　　如果電路中

34、所有的諧振器是相同的，即L=L1=L2=…＝LN與C=C1=C2=…=CN，并且在工作頻率附近和窄帶的條件下可以認為ω/ω0≈1，則上式可表示為：</p><p>　　(2.9)其中，濾波器相對帶寬，。</p><p>　　2.2介質(zhì)腔體濾波器的線路設計</p><p>　　由前面對濾波器基本原理及設計流程的闡述，下面我們根據(jù)以上的基本原理來設計此濾波器。<

35、/p><p>　　2.2.1介質(zhì)腔體濾波器規(guī)格的定義</p><p>　　此濾波器要求實現(xiàn)以下指標：中心頻率為6GHz，帶寬為25MHz，插入損耗為2dB，通帶波動0.5dB，駐波比1.5，在f0±50MHz處衰減不小于70dB。這屬于濾波器設計的綜合問題。</p><p>　　在確定了濾波器的工作特性之后，要選擇濾波器的逼近函數(shù)，前面對濾波器的逼近函數(shù)已作了

36、簡單的介紹，由于最平坦式濾波器不能滿足以上指標的要求，而橢圓函數(shù)式濾波器實現(xiàn)又較為困難，因此選用切比雪夫式濾波器作為此濾波器的逼近函數(shù)。</p><p>　　2.2.2濾波器級數(shù)的確定</p><p>　　前面對濾波器逼近函數(shù)的選擇及由低通原型濾波器到帶通濾波器的設計已有簡單的介紹，下面通過低通原型來確定濾波器的節(jié)數(shù)：</p><p>　　在確定濾波器的節(jié)數(shù)時，我們

37、可以通過理論計算和查圖表法來完成：</p><p>　　我們要求中心頻率為6GHz，帶寬25MHz，通帶波動0.5dB，阻帶在f0±50MHz處衰減不小于70dB。首先通過頻率變換計算出歸一化頻率為：</p><p><b>　　(2.10)</b></p><p>　　式中，＝0.416％為相對帶寬。計算可得Ω1＝-4.0168，Ω

38、2＝3.98347。因，故用Ω2來確定N。</p><p>　　由此可通過查切比雪夫式低通原型濾波器阻帶衰減頻率特性圖（見附錄）得N＝5；也可通過下面的計算得出介質(zhì)腔體濾波器的節(jié)數(shù)，具體計算如下：</p><p>　　由式(2.5)，可得＝0.122；</p><p>　　由式(2.7)，當ε、Ω確定后便可由給定的Ls確定元件數(shù)目N </p><

39、p>　?。?.761158，因此選N＝5來進行仿真。</p><p>　　但由于用5級諧振腔濾波器進行仿真時，阻帶不能滿足指標的要求，在進行多次仿真處理后，N=6能滿足指標的要求。</p><p>　　2.2.2濾波器的網(wǎng)絡結(jié)構(gòu)</p><p>　　在濾波器級數(shù)確定之后，由理論計算或查表法可以得出由電感和電容等集總元件構(gòu)成的梯形網(wǎng)絡結(jié)構(gòu)，其梯形網(wǎng)絡如圖3所示：

40、</p><p>　　在此我們通過查表法來確定通帶波動為0.5dB的歸一化元件值為：g0=1； g1=1.7254；g2=1.2479；g3=2.6064；g4=1.3137；g5=2.4758；g6=0.8696；g7=1.9841。</p><p>　　由 (k=1,3,5…)</p><p>　　(i=2,4,6…)可得</p>&l

41、t;p>　　圖3 歸一化帶通濾波器電路圖</p><p>　　2.3介質(zhì)腔體濾波器的微波實現(xiàn)</p><p>　　2.3.1介質(zhì)腔體濾波器的結(jié)構(gòu)</p><p>　　圖4 介質(zhì)腔體濾波器的基本結(jié)構(gòu)圖</p><p>　　圖4是介質(zhì)腔濾波器的典型結(jié)構(gòu)。這種結(jié)構(gòu)的濾波器計算簡單，性能良好，是一種很實用的微波帶通濾波器。介質(zhì)腔與探針電路

42、裝在封閉的金屬盒內(nèi)，金屬屏蔽盒不僅有防止外界電磁干擾的作用，它與微帶電路基片一起構(gòu)成一段部分填充介質(zhì)的截止波導，適當?shù)剡x擇屏蔽盒截面尺寸，使其截止頻率遠高于濾波器的通帶頻率，則介質(zhì)諧振器與通?？涨恢C振器一樣，能夠有選擇地傳遞所需信號頻率的能量。傳至介質(zhì)諧振器附近的信號，假如其頻率與介質(zhì)的TE01δ模諧振頻率不一樣，介質(zhì)諧振器不被激勵，同時又由于屏蔽盒的截止波導作用，信號能量不能通過，這樣就構(gòu)成了濾波器的阻帶。當其頻率與介質(zhì)腔TE01δ模

43、的諧振頻率相同時，濾波器輸出端的介質(zhì)腔被激勵，此時介質(zhì)腔等效于一個磁耦極子發(fā)生耦合，從而進行能量傳遞，信號能量經(jīng)介質(zhì)腔一個傳至一個直至最后一個，再通過微帶輸出結(jié)構(gòu)，構(gòu)成濾波器的通帶，介質(zhì)諧振器的個數(shù)選取與通帶特性有關(guān)，圓柱形介質(zhì)腔的TE01δ模Q值很高，諧振曲線可以很尖銳，滿足一定的阻帶衰減，同時通帶的矩形系數(shù)較好。</p><p>　　2.3.2截止波導尺寸參數(shù)的確定</p><p>　

44、　矩形波導是橫截面為矩形的空心金屬管。在這種單導體的空心波導中不可能存在TEM波，只能存在TE波或TM波，屬于色散導波系統(tǒng)。一般來說不同的場分布具有不同的傳播特性，但由于它們都能滿足矩形波導的邊界條件，因此都能獨立地存在于矩形波導中，于是在矩形波導中便有了TEmn和TMmn兩個系列無限多種不同的模式。但是在由TE01δ模諧振器組成的諧振腔濾波器，在波導中就要求只能傳輸TE01δ模式波，這就需要通過選擇合適的波導尺寸來截止其他模式波，可通

45、過下式來根據(jù)不同模式的截止波長（λc）mn來確定所需截止模式對應的波導尺寸：</p><p>　?。╩,n=0,1,2,…） (2.11)</p><p>　　將m＝0，n＝1， mm，代入式(2.11)，可算得b=25mm，也即只需b<25mm，即可將所有模式的波截止，但考慮到波導尺寸與插損及阻帶有一定的關(guān)系，以及生產(chǎn)實際及目前小型化對產(chǎn)品的要求。波導尺寸大，插損會

46、小，但阻帶可能會較差，同樣不利于產(chǎn)品小型化；反之，阻帶較好，插損則較大。我們就要在滿足要求的情況下，選擇合適的波導尺寸，因此暫定波導尺寸為a=13mm，b=16mm（考慮到諧振器大小及仿真的可行性后得出的結(jié)論），由于截止波導尺寸對產(chǎn)品仿真的影響因素是多方面，因此在選擇此尺寸進行仿真時一般不對其參數(shù)進行更改。以后對產(chǎn)品進行合理化處理后，會選擇更加合適的尺寸。</p><p>　　2.3.3介質(zhì)諧振器尺寸的確定<

47、;/p><p>　　介質(zhì)諧振器尺寸的選擇是根據(jù)我廠現(xiàn)有產(chǎn)品的頻率，及現(xiàn)有模具我們選用我廠介電常數(shù)為38的394材料做為此介質(zhì)諧振器的材料，此材料具有較高的Q值，選用介質(zhì)諧振器的模具為外徑10.54mm，成瓷后外徑為9mm；支架采用介電常數(shù)為6.5的Z06材料進行生產(chǎn)，根據(jù)目前現(xiàn)有模具，選用外徑為4.76mm的模具來生產(chǎn)支架，成瓷后支架外徑為4mm，高度選為3.5mm。</p><p>　　由介

48、質(zhì)諧振器的頻率可用磁壁法方便地計算出介質(zhì)諧振器的尺寸，給定諧振波長λ0，諧振器介電常數(shù)εr，墊片介質(zhì)常數(shù)εs，以及L1、L2、D、a，如圖所示，可算得</p><p><b>　　(2.12)</b></p><p><b>　　其中</b></p><p>　　圖5 介質(zhì)諧振器尺寸與位置圖</p><

49、p>　　將以上數(shù)據(jù)代入上述式子，可得諧振器的高度為L＝3.9mm；但由于在仿真過程中理論計算值不能滿足指標要求，將諧振器高度L改為3.52mm。</p><p>　　由此公式我們可以看出，影響諧振器尺寸的因素有支架高度、支架所用材料、諧振器所用材料、波導尺寸等；同樣，這些因素也就決定了諧振器的頻率，由理論及實踐可知，支架越高，其頻率越低；諧振器直徑越小，頻率越高，高度越高，頻率越低；諧振器與波導頂?shù)木嚯x越小

50、，諧振器頻率越高等。這些為我們進行濾波器的設計提供了大量的支持，特別是在對濾波器調(diào)試方面，在我們的諧振器頻率不可能完全一致的情況下，我們可以通過在波導的頂部加上螺釘來調(diào)節(jié)振子頻率，使濾波器設計合理化、快速化。但螺釘在對諧振器進行調(diào)節(jié)的過程中，必然導致諧振器的Q值降低，從而使濾波器的插入損耗增加，因此我們在進行設計時要盡量地少用螺釘進行調(diào)節(jié)，這就一方面需要我們的諧振器頻率的一致性較好，另一方面，我們在濾波器設計生產(chǎn)過程中要不斷地對諧振器的

51、參數(shù)進行反饋處理，找到諧振器的準確尺寸，為以后的調(diào)試提供方便。</p><p>　　2.3.4耦合理論參數(shù)確定</p><p>　　諧振器腔體濾波器是通過諧振器與輸入輸出結(jié)構(gòu)的耦合以及諧振器之間的耦合實現(xiàn)的，所以耦合的分析是關(guān)鍵。介質(zhì)之間的耦合系數(shù)與它們的距離密切相關(guān)，距離越近，耦合越強，距離越遠，耦合越弱。所以要制作較寬頻帶的濾波器，必須增加每級諧振器間的耦合，這樣就要把它們的間距做得較

52、小，相反，要做較窄帶的濾波器，就需要耦合較弱，諧振器間的距離較大。</p><p>　　寬帶耦合輸入結(jié)構(gòu)是濾波器激勵信號到第一級介質(zhì)的耦合結(jié)構(gòu)，而輸出結(jié)構(gòu)則是濾波器的最后一級介質(zhì)與輸出之間的耦合。我們采了一些特殊方法，使其耦合加強，能達到較寬的帶寬。由于帶寬較寬，帶內(nèi)波動的問題亦是調(diào)配時的一個難點，需仔細調(diào)整才能達到較好的結(jié)果；反之亦然。</p><p>　　1、介質(zhì)諧振器間的耦合距離&l

53、t;/p><p>　　介質(zhì)諧振器之間的耦合不僅決定著濾波器的帶寬，同樣對濾波器的駐波、阻帶、插入損耗、通帶波動都有著很大的關(guān)系。因此計算準確的耦合距離也就至關(guān)重要，下面給出了諧振器間耦合系數(shù)及耦合距離的計算方法：</p><p>　　通過求兩個介質(zhì)諧振器之間的耦合系數(shù)即可得到耦合距離。耦合系數(shù)可用耦合介質(zhì)諧振器的等效電路計算，也可用微擾法計算，下面給出了用等效電路導出的計算公式：</p&

54、gt;<p>　　兩諧振器間的耦合系數(shù)計算公式為：</p><p>　　( j=1～N-1 ) (2.13)</p><p>　　式中W＝（f2-f1）/f0＝0.416％為濾波器的相對帶寬。</p><p>　　由前面梯形網(wǎng)絡的歸一化元件值：g0=1； g1=1.1681；g2=1.4039；g3=2.0562；g4=1.5170

55、；g5=1.9029；g6=0.8618；g7=1.3554。可計算出各諧振器間的耦合系數(shù)為</p><p>　　K12＝0.00284；K23＝0.00231；K34＝0.00225；K45＝0.00231；K56＝0.00284。</p><p>　　兩諧振器間的耦合距離可用下式計算：</p><p><b>　　(2.14)</b><

56、;/p><p>　　通過式(2.14)可計算出兩諧振器間的距離分別為：S12＝22.81mm；S23＝23.81mm；S34＝23.93mm；S45＝23.81mm；S56＝22.81mm。</p><p>　　螺釘在微波技術(shù)中作為一個可調(diào)電抗元件，在此種濾波器耦合調(diào)節(jié)中也起著重要的作用，在對螺釘?shù)纳钊胧窃龃罅苏褡娱g的耦合還是減小振子間的耦合問題上，一度在仿真設計階段困擾著我們，最初我們一致認

57、為螺釘?shù)纳钊胧菧p小振子間的耦合，然后當我們在對三腔濾波器進行仿真時，加入螺釘，帶寬增加，駐波變高，這一系列的現(xiàn)象說明了螺釘是起著增大耦合的作用的，這也為我們設計提供了依據(jù)，在對理論值進行計算后，我們需對這個值加入一定的余量，因為我們對諧振器的定位不可能像在電腦上仿真那樣準確無誤，加入的余量，我們可以通過螺釘?shù)恼{(diào)節(jié)，輕易的實現(xiàn)濾波器的調(diào)試。</p><p>　　因此我們選擇如下耦合參數(shù)進行仿真，S12＝21.95m

58、m；S23＝23.65mm；S34＝23.8mm；S45＝23.65mm；S56＝21.95mm。其仿真結(jié)果在后面有詳細的說明。</p><p>　　圖6 介質(zhì)諧振器耦合距離分布圖</p><p>　　2、輸入輸出與諧振器間的耦合距離</p><p>　　輸入輸出與諧振器間的耦合的方式是多種多樣的，可以用微帶耦合、環(huán)耦合、探針耦合等，在此我們選擇了設計相對簡單的

59、探針耦合。探針耦合需要注意以下問題：探針位置及探針長度的選擇，探針與諧振器間的耦合距離的確定等。</p><p>　　濾波器終端耦合距離可通過計算端頭諧振器的外載Q值而得到。這里給出了等效理想變壓器原理得到的計算公式</p><p><b>　　(2.15)</b></p><p>　　為所要求的外載Q值。。R2為同軸線特性阻抗。</p&

60、gt;<p>　　通過計算可得St＝10</p><p>　　對于輸入輸出間的耦合由于理論上的不完善性，我們在設計過程中基本上是依據(jù)設計經(jīng)驗來進行不斷調(diào)整實現(xiàn)的，在此以理論結(jié)果作參考，實踐結(jié)論為最終結(jié)果，其仿真結(jié)果為9.8mm。最終確定探針長度及探針位置為9.8mm。</p><p>　　另外探針的位置和探針的長度對濾波器性能也起著重要的作用，根據(jù)理論分析可知，探針應處于所在

61、壁的中間位置，當然它也隨著振子位置的改變可以有相應的調(diào)整；至于探針的長度對濾波器性能的影響是非常大的，在大多的文章中，都要求探針長度h為波導內(nèi)壁寬度b的一半，特別是對濾波器邊帶的影響，選擇合適的探針長度，就可以盡量地實現(xiàn)濾波器邊帶的對稱性，當探針過長時，我們可以看作是輸入與輸出是容性耦合，以致下邊帶較陡峭，上邊帶較平緩；反之則為感性耦合，下邊帶較平緩，上邊帶較陡峭。在大多數(shù)情況下，我們要求濾波器兩邊帶具有對稱性，具有良好的矩形系數(shù)，就要

62、求一邊為感性耦合，一邊為容性耦合，但對于此產(chǎn)品的耦合是通過電磁耦合來實現(xiàn)的，我們很難達到一邊感性，一邊容性，只有讓感性和容性相一致，從而實現(xiàn)真正的電磁耦合。因此選擇適當?shù)奶结樀拈L度也是至關(guān)重要的。</p><p>　　3腔體介質(zhì)濾波器的仿真設計</p><p>　　3.1Ansoft　HFSS仿真軟件介紹</p><p>　　Ansoft HFSS是一個計算電磁結(jié)構(gòu)

63、的交互軟件包,可分析仿真任意三維無源結(jié)構(gòu)的高頻電磁場，可直接得到特征阻抗、傳播常數(shù)、S參數(shù)及電磁場、輻射場、天線方向圖等結(jié)果。該軟件廣泛應用于無線和有線通信、計算機、衛(wèi)星、雷達、半導體和微波集成電路、航空航天等領(lǐng)域。它具有如下特點：</p><p>　　Ansoft重新定義高頻及高速數(shù)位設計標準</p><p>　　基于三維電磁場的自動化設計流程進一步縮短高頻設計的周期,Ansoft 公司

64、發(fā)布了HFSS的最新版本V9，即基于三維電磁場設計和分析的電子設計工業(yè)標準。 </p><p>　　全世界成千上萬的工程師利用HFSS設計最先進的電子設備，例如射頻(RF)和微波部件、天線和天線陣列、高速積體電路、印刷電路板和IC封裝，值得欣慰的是HFSS V9在提高設計性能和減少制造成本的同時，還大大縮短了研制時間。 </p><p><b>　　概述</b><

65、;/p><p>　　在HFSS的桌面上，你能找到HFSS的全套功能，這是一個可以完全支持基于三維電磁場設計的界面。除了直觀的視窗特性外，圖形項目樹提供了廣為熟知的HFSS設計流程的傳統(tǒng)風格。利用Ansoftlinks接口，設計師可將HFSS和現(xiàn)有的EDA和MCAD設計流結(jié)合起來。利用與 Cadence、Mentor Graphics，Synopsys以及Zuken的接口，還可鏈接到外部的設計流，從而支持Hspice、

66、Pspice及Maxwell SPICE 實現(xiàn)精確的寬帶電路仿真。全參數(shù)化的電路模型還可支持在 Ansoft Disigner和其它電路與系統(tǒng)設計工具中進行精確的高頻電路設計。 </p><p><b>　　自動化</b></p><p>　　HFSS能進行全面的全參數(shù)化設計，從幾何結(jié)構(gòu)、材料特性到分析、控制及所有后處理。該軟體強大的參數(shù)化三維建模能力和高性能的圖形能

67、力，大大節(jié)省了工程師 的設計時間。直觀的分析設置和高級的分析控制確保在全自動化方式下獲得設計師 所希望的設計結(jié)果。利用 Optimetrics可自動實現(xiàn)最優(yōu)化和參數(shù)化掃描設計，且很容易在桌面上同一項目樹中直接訪問進入。在優(yōu)化設計分析技術(shù)中增強了敏感性分析和統(tǒng)計分析功能，其利用HFSS參數(shù)化分析能力自動設計分析制造公差帶來的性能變化。 </p><p><b>　　用戶化</b></p&

68、gt;<p>　　HFSS有多個機制允許工程師們根據(jù)自己的需要去制作用戶特定的設計流程。視窗、對話方塊、工具欄、甚至菜單均可被用戶通過配量缺省來支持個性化參數(shù)定義。 使用者可通過主菜單、工具欄、項目樹和文本欄來靈活操作界面命令。另外，通 過腳本語言VB和JavaScript全面控制HFSS和專用化定制。腳本也能支持強大的宏記 錄，可以用來定義參數(shù)化幾何結(jié)構(gòu)，執(zhí)行用戶分析流程或控制從開始到結(jié)束的整個設計流程。</p&g

69、t;<p>　　3.2腔體介質(zhì)濾波器的工作原理</p><p>　　下面以兩腔諧振器濾波器為例說明此種濾波器的工作原理：</p><p>　　由圖我們可以看出，如前面所述，能量是在截止波導中以波的方式經(jīng)探針，由兩個諧振器，探針依次傳遞過去，此圖也是判斷濾波器設計是否成功的一個依據(jù)，同樣也為濾波器的設計提供了方便，使之更加直觀化，后面在仿真部分我們還會作進一步的分析。</

70、p><p>　　3.3腔體介質(zhì)濾波器仿真過程</p><p>　　前面已對濾波器的基本參數(shù)進行了分析和計算，將分析與計算的數(shù)據(jù)在模型中表現(xiàn)出來，是仿真的主要工作。而對波形的分析與模型的修改是設計濾波器的關(guān)鍵，也是對濾波器進行調(diào)試的關(guān)鍵。</p><p><b>　　1、繪制仿真模型</b></p><p>　　按照計算出的數(shù)

71、據(jù)，用ANSOFT仿真軟件繪制仿真模型（如圖7所示），所繪模型和實物基本一致，設置模型中所用材料的基本參數(shù)（如介電常數(shù)等），如振子和支架的介電常數(shù)前面已有說明，特別需要注意的是矩形波導為良導體，SMA探針的參數(shù)是繪制模型的關(guān)鍵，由于SMA接頭是一個輸入輸出特性阻抗為50Ω的裝置，也正是這個接頭才使濾波器能夠與外電路達到匹配，從而使傳輸功率最大。SMA接頭的設計要以實物為參考，繪出基本結(jié)構(gòu)，并設置材料的介電常數(shù)，確保輸入輸出特性阻抗為50

72、Ω，使仿真與實物盡可能的一致。</p><p>　　圖7 濾波器仿真模型圖</p><p><b>　　2、進行仿真設計</b></p><p>　　在進行仿真設計之前我們還需對仿真的其它參數(shù)進行設置，如仿真的頻率段、仿真精度、仿真步數(shù)、仿真方式等多種參數(shù)，這些參數(shù)決定著仿真的時間、效率與精度。因此準確地選擇這些參數(shù)會給仿真帶來大大的方便。在

73、對這些參數(shù)設置之后就可以對模型進行仿真了。</p><p>　　3、仿真波形的分析與模型的修改</p><p>　　對仿真波形的分析是設計的關(guān)鍵也是對模型進行修改的前提，只有準確地把握波形才能對模型做出正確的判斷，對于腔體介質(zhì)濾波器的波形雖然與其它濾波器的波形沒有太大的區(qū)別，可以準確地分析出波形的耦合與頻率，但是在對模型的修改卻是非常困難的，由于此濾波器與其他濾波器在形式和調(diào)試方法上的不一

74、致性，也就使對此濾波器的修改要有新的思路，前面已提到過關(guān)于此濾波器耦合上的問題，即螺釘對耦合的影響，而實際上在此濾波器頻率上的問題也是不容忽視的，按照目前我廠的由DRT制作的多腔組合式濾波器，一般來說中間振子的頻率要低于兩邊振子的頻率，而腔體介質(zhì)濾波器卻不同，它要求所有的振子頻率一致，這對濾波器的調(diào)試也有很大的指導意義。</p><p><b>　　仿真經(jīng)驗總結(jié)</b></p>

75、<p>　　由于仿真此種濾波器的難度相對較大，在仿真過程中總結(jié)了大量的經(jīng)驗：</p><p>　　由2腔、3腔等較簡單的模型開始進行仿真，不斷總結(jié)這些模型仿真過程中的經(jīng)驗，如螺釘在調(diào)節(jié)耦合是起增耦合還是減耦合作用的問題就是通過簡單模型的快速實現(xiàn)來完成的。</p><p>　　參考多種模型，進行大膽猜測，找到較快捷的設計方法，如在確定腔體濾波器內(nèi)部結(jié)構(gòu)的問題時我們參考了大量的模型

76、資料，以求找到增加耦合和減小的耦合的有效方法。</p><p>　　通過對濾波器模型的調(diào)整及波形的變化的比較分析，來實現(xiàn)快速設計方法，如在設計中將某一參數(shù)的變化對應的波形變化通過手繪，電腦記錄等方法來找到一套行之有效的調(diào)試方法。</p><p>　　突破現(xiàn)有經(jīng)驗的束縛，勇于實踐，大膽猜測。特別是在對新一種濾波器的設計過程中，特別要注意這一點，在此濾波器的設計中，我們突破了螺釘對耦合影響的概

77、念，擺脫了諧振器頻率排布與濾波器波形關(guān)系的束縛。</p><p>　　經(jīng)過一段時間對此濾波器的了解，在設計過程中慢慢地也掌握了一定規(guī)律，這是此濾波器設計成功的關(guān)鍵所在。其仿真波形如下：</p><p>　　圖8 濾波器仿真波形圖</p><p>　　4腔體介質(zhì)濾波器的生產(chǎn)與調(diào)試</p><p>　　4.1介質(zhì)諧振器與截止波導的生產(chǎn)<

78、/p><p>　　由前面的仿真波形可以看出波形并不完美，這是因為在設計過程中沒有辦法對耦合進行準確地判斷，對耦合距離一點點的移動，都會對波形產(chǎn)生較大的影響。在波形不是非常滿意的情況下進行生產(chǎn)，也是考慮到仿真參數(shù)對波形的影響以及仿真的效率相對較慢等因素。因此決定在生產(chǎn)調(diào)試產(chǎn)品之后再來將調(diào)試參數(shù)反饋給模型，以達到較好的效果。</p><p>　　對于整個濾波器的生產(chǎn)，以生產(chǎn)介質(zhì)諧振器和截止波導為主

79、，下面來詳細說明介質(zhì)諧振器和截止波導的加工過程。圖9為我廠介質(zhì)諧振器的工藝流程圖，本濾波器中所用諧振器的材料為介電常數(shù)為38的394材料，壓濾也只是針對A9材料而言的，它的目的是加快干燥速度，而A9材料如果直接在混料后進行干燥需要時間太長，所以在干燥之前先對其進行壓濾；噴霧造粒也僅是針對干壓成型而言的，而所有的介質(zhì)諧振器都是干壓成型的；滾磨是所有濾波器和諧振器都需的工序，但是它們的作用是不一樣的，對于需要電鍍的濾波器，滾磨一方面是為了有

80、利于金屬化，另一方面也是為了防止棱角因摩擦而脫落，而介質(zhì)諧振器經(jīng)過滾磨一方面是為了厚度研磨盡量避免邊</p><p>　　圖9 介質(zhì)諧振器工藝流程圖</p><p>　　緣破損，另一方面是防止在使用過程中因碰撞而破損；而對于厚度的研磨，之所以要分粗磨和精磨是因為我們所用的設備相對陳舊，是因為在諧振器加工的一致性方面存在一定的困難，即引起諧振器密度的不一致，也就導致了材料的介電常數(shù)的變化

81、，由式(1.1)及(2.12)可知，當介電常數(shù)發(fā)生變化，諧振器的頻率也將變化，要彌補這方面的缺陷就需要在第一次分頻之后將頻率不能達到所需頻率的諧振器進行精磨。粘膠是用黑膠將諧振器與其支架粘在一起，選擇黑膠是因為其具有良好的粘結(jié)力，一般不隨環(huán)境的變化而出現(xiàn)脫膠現(xiàn)象，前面對支架高度對諧振頻率的影響已作介紹，在所不做贅述；回溫處理是對諧振器性能的測試，也相當于高低溫循環(huán)試驗，它用來測試諧振器隨溫度的變化系數(shù)；在經(jīng)過總測、外觀分選、包裝和QA之

82、后即可出廠。</p><p>　　根據(jù)截止波導材料的要求，我們選用銅作用波導材料，銅具有良好的導電性，用來做波導具有衰減較小等優(yōu)點，另外我們要求波導壁盡量的光滑，尺寸誤差相對較小，這都是為了讓產(chǎn)品的一致性達到最佳。另外我們還需在波導壁上進行鍍銀，也是為了讓衰減最小，另外也防止了銅長期暴露在空氣中氧化。矩形波導零件圖見附錄。</p><p><b>　　4.2濾波器的調(diào)試</

83、b></p><p>　　對于此濾波器的調(diào)試，我們一方面是根據(jù)在設計過程中所積累的大量經(jīng)驗，另一方面是我們在對其它濾波器調(diào)試經(jīng)驗的總結(jié)，當然我們會根據(jù)不同的波形來進行調(diào)整。其濾波器調(diào)試主要依靠螺釘來完成，即通過螺釘來調(diào)整頻率與耦合，不同的帶寬我們需要不同的頻率與不同的耦合之間的配合，為了實現(xiàn)指標的要求，最終將各螺釘?shù)恼{(diào)試長度確定為S12=5.8mm,S23=4.7mm,S34=4.8mm,S45=4.5mm

84、,S56=6.2mm。</p><p>　　5濾波器測試結(jié)果及分析</p><p>　　以下是由實物得出的波形圖，各參數(shù)基本滿足要求，帶寬24.933MHz，中心頻率5.999GHz，插入損耗為-0.75dB，駐波比為1.2，阻帶在f0±50MHz處衰減不小于70dB。</p><p>　　由實物波形圖與仿真波形圖我們可以清晰地看到，實物波形圖的阻帶僅能達