一种加工简便的电容加载梳状线滤波器设计

admin

                1  引言

                        梳状线滤波器是一种重要的微波滤波器。其设计简单，性能优良。由于它采用的谐振器是长度约为中心频率对应波长的1/4的谐振杆，因此当工作在频率较低时，每个谐振杆的长度较长，从而导致整个滤波器体积变大。为了解决这一问题，有许多的方法，其中电容加载是重要的一种。所谓电容加载，就是在谐振杆的开路端增加电容效应，使其长度小于1/4波长。文献[3]中所谓的SIR谐振器，即以减小开路端特性阻抗来减小谐振杆长度的办法，其实与电容加载有很大的共通之处，只是从不同的角度去理解而已。本文主要采用“电容加载”这一名词来统称上述方法。
                         
                        常见的电容加载方式示于图1中。总体来讲都是让开路端变大。其中（a）为圆杆的情况，（b）为方杆的情况，（c）为方杆的情况，但开路端只在一个方向变大。
                         
                        对于（a）和（b）来讲，加工时，每个谐振杆一般要分开加工，再与腔体连在一起，用螺钉固定，并加以焊接；对于（c）来讲，虽可将所有谐振杆加工在一个平面上（如图2），再套上盖子（如图2），但要获得较大的电容效应，其开路端体积大，重量大，抗振动性能会变差。
                         
       

               

       

                图1  几种常见的电容加载方式

       

               

       

                图2  一种电容加载的梳状线滤波器

                         
                        为了解决上述问题，本文提出了一种加工简便，又兼顾各方面要求的电容加载方式。
                         
                        2  加工简便的电容加载梳状线滤波器

                        如图3所示的电容加载梳状线滤波器，每个谐振器中有三根方柱，其中较长的一根为谐振杆，下端与腔壁连接，开路端朝上；较短的两根连接在腔壁的另一端，与中间谐振杆的开路端形成电容效应，或者说减小了开路端的特性阻抗，从而使得谐振杆的长度小于1/4波长。
                         
       

               

       

                图3  加工简便的电容加载梳状线滤波器

                         
                        这种结构加工十分方便。所有的方柱都可以在一块金属平板上加工出来（即图3中画出的部分），这种加工可以采用线切割，并且可以多块平板叠在一起同时进行线切割，加工速度很快。切割好后，只要在前后加上盖子即可。与图2中相比，这种形式的电容加载可通过调节谐振杆旁边的柱子长度方便地调节其加载量，而不会造成加载较多时开路端过大、过重。
                         
                        3  设计实例

                        设计一个无线通信用的滤波器。其通带为1.92～1.98GHz，通带边缘一倍带宽以外的抑制达到-60dB，带内反射低于-20dB。
                         
                        根据上述要求，采用6级的滤波器可以实现。限于篇幅，本实例只为验证上述的电容加载方式的有效性，而对滤波器的其它指标，如插入损耗等暂不考虑。设计过程如下：
                 
                        首先，用电磁仿真软件CST对一个单独的腔体进行仿真。调整参数使其谐振在中心频率1.95GHz处。结构如图4所示。结果示于图5中。
                         
                        从图5中可以看到，当hc约为17mm时，谐振频率正好是1.95GHz。
                        单腔仿真后，进行双腔仿真，求耦合系数，以得到两腔之间的距离。耦合系数公式如下：
                       
       

               

       

                图4  单腔仿真（单位：mm）   

       

               

       

                图5  单腔仿真结果（单位：mm）

                         
                        其中f1和f2分别是前两个谐振模式的频率。由于本滤波器无交叉耦合，因此对k的正负可以不予考虑。通过调整两腔间的距离，使算得的k值与参考中查表所得一致即可。具体过程由于篇幅不加详述。
                         
                        最后介绍的群时延调节法，调节同轴线接头的高度。同时，由于单腔、双腔等分离调节的方式会产生较大的误差，因此还要用这种群时延的方法对整个滤波器进行综合调节。各个尺寸参数的最终值、模型立体图和S参数曲线分别示于图6、图7和图8中。其中同轴线的尺寸为：外导体直么4.1mm，内导体直径1.3mm，介电常数2.08。
                         
       

               

       

                图6  滤波器最终尺寸结果，其余尺寸与图4相同
                （单位：mm）

       

               

       

                图7  模型立体图

       

               

       

                图8  电磁仿真S参数曲线

                         
                        4  结论

                        本文所采用的新型的电容加载方式，其加工十分简便，又能较好地克服加载较多时开路端过大过重的问题。仿真结果基本达到设计要求，显示了该方案的可行性。进一步的工作是讨论这种加载方式对腔体Q值的影响，以及对滤波器寄生通带的影响。