一種L波段同軸腔體濾波器的設(shè)計(jì)

柳占偉

摘要：同軸腔體濾波器具有插入損耗低、功率容量大、邊帶抑制高、寄生通帶遠(yuǎn)、調(diào)試方便等優(yōu)點(diǎn)，在雷達(dá)、通信、電子對抗等系統(tǒng)中的應(yīng)用越來越廣泛。本文介紹了一種L波段大功率同軸腔體濾波器，利用公式計(jì)算軟件算出濾波器的初值，使用HFSS軟件建模仿真和優(yōu)化。經(jīng)過驗(yàn)證，濾波器各項(xiàng)技術(shù)指標(biāo)和功率容量都滿足要求。

關(guān)鍵詞：L波段;同軸腔體濾波器;大功率

中圖分類號：TN713.5 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A 文章編號：1007-9416（2019）02-0163-02

在電子系統(tǒng)中，濾波器主要用于濾除帶外雜散信號和諧波信號。而同軸腔體濾波器具有優(yōu)良的射頻特性，用在電子系統(tǒng)接收前端時(shí)，具有同節(jié)數(shù)濾波器邊帶抑制陡峭、抑制高的優(yōu)點(diǎn)，可以有效抑制帶外雜散信號輸入，提高系統(tǒng)的抗干擾能力;用在電子系統(tǒng)發(fā)射末端時(shí)，低損耗、大功率、高抑制的優(yōu)點(diǎn)，可以有效抑制大功率發(fā)射機(jī)的諧波信號，防止影響系統(tǒng)中其它設(shè)備的正常工作，提高系統(tǒng)的電磁兼容性。

1同軸腔體濾波器原理

同軸腔體濾波器等效電路如圖1所示。每一組諧振桿、調(diào)諧螺釘及其周圍空間構(gòu)成一個(gè)諧振腔，每個(gè)諧振腔的諧振頻率都在濾波器的中心頻率附近，Q值影響濾波器的插入損耗[1]。

當(dāng)確定濾波器的中心頻率、帶寬、插入損耗、波紋、帶外抑制時(shí)，可以通過切比雪夫帶通原型濾波器查表可以計(jì)算濾波器節(jié)數(shù)、耦合常數(shù)、群時(shí)延、單腔諧振頻率、單腔Q值等[2]。

f0=? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? （1）

l=（2p-1）λ/4，（p=1，2，3，…）? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?（2）

Q0=? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? （3）

Δω=（ω2-ω1）/? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? （4）

Kij=Δω/? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?（5）

式中：f0為1/4波長同軸諧振器的諧振頻率，c為光速，l為電磁波在諧振器中傳播方向的長度，εr為相對介電常數(shù);Q0為同軸腔的品質(zhì)因數(shù)，δ為損耗角，h為同軸腔的高度，a為調(diào)諧釘外半徑，b為諧振桿內(nèi)半徑，諧振桿使用加載電容時(shí)諧振桿長度會(huì)變短;ω1和ω2為濾波器的通帶邊緣頻率，Δω為濾波器的相對帶寬;gi、gj為原型濾波器值，Kij為第i諧振腔和第j諧振腔之間的耦合系數(shù)[3]。

2 濾波器的設(shè)計(jì)和仿真

濾波器的指標(biāo)要求：

（1）工作頻率：1GHz-1.35GHz;

（2）駐波比：≤1.5;

（3）插入損耗：≤0.5dB;

（4）帶外抑制：≥60dB@0.1～0.5GHz;≥60dB@1.6～ 4.05GHz;

（5）承受功率：≥500瓦，連續(xù)波。

使用查表計(jì)算的方法設(shè)計(jì)濾波器過程比較繁瑣，本設(shè)計(jì)采用同軸腔體濾波器公式計(jì)算軟件算出初值。使用HFSS仿真軟件對同軸腔體濾波器建立模型，如圖2所示。對調(diào)諧釘伸入調(diào)諧桿的長度、調(diào)諧桿之間的間距分別設(shè)置變量，進(jìn)行分步優(yōu)化。

3 濾波器測試

根據(jù)濾波器仿真優(yōu)化數(shù)據(jù)，對濾波器進(jìn)行加工、裝配、測試，完成后切割調(diào)諧釘多余部，以減小濾波器外形尺寸。實(shí)物如圖3所示，測試結(jié)果如圖4所示。濾波器在設(shè)計(jì)、加工、調(diào)試中需要注意的事項(xiàng)如下：

（1）諧振桿和調(diào)諧釘，設(shè)計(jì)時(shí)要適當(dāng)粗一些，以便滿足大功率工作時(shí)的散熱需求;間距要適當(dāng)大一些，滿足大功率工作時(shí)的電場強(qiáng)度需求，防止發(fā)生打火現(xiàn)象。

（2）加工時(shí)應(yīng)選用數(shù)控加工機(jī)床，加工精度提高后，可以降低不同產(chǎn)品的差異性，大幅度減少調(diào)試工作量，提高工作效率。

（3）調(diào)試中發(fā)現(xiàn)調(diào)諧釘有形變的現(xiàn)象，調(diào)諧釘發(fā)生形變后不僅影響調(diào)試，距離諧振桿距離太近，大功率工作時(shí)還會(huì)出現(xiàn)擊穿空氣打火的現(xiàn)象。為了避免此問題，材料在加工前應(yīng)該進(jìn)行熱處理，釋放機(jī)械應(yīng)力。

4 結(jié)語

本文設(shè)計(jì)了一種L波段大功率同軸腔體濾波器，該濾波器損耗小、承受功率大、邊帶陡峭、帶外抑制高。仿真優(yōu)化設(shè)計(jì)與實(shí)物測試結(jié)果相吻合，并且調(diào)試簡單，說明設(shè)計(jì)方法可行。經(jīng)過工程使用，驗(yàn)證了濾波器的可靠性。

參考文獻(xiàn)

[1] 甘本祓，吳萬春.現(xiàn)代微波濾波器的結(jié)構(gòu)與設(shè)計(jì)[M].北京：科學(xué)出版社，1973.

[2] Cabor? C. Temes，Sanjit? K.mITra.現(xiàn)代濾波器理論與設(shè)計(jì)[M].王志潔，譯.北京：人民郵電出版社，1984.

[3] M. Makimoto，S. Yamashita.無線通信中的微波諧振器與濾波器[M].趙宏錦，譯，北京：國防工業(yè)出版社，2002.

Design of an L-band Coaxial Cavity Filter

LIU Zhan-wei

（Shijiazhuang Norton Human Resources Development Co. Ltd. Shijiazhuang Hebei 050000）

Abstract：Coaxial resonator filter has the advantages of low insertion loss， large power capacity， high sideband suppression， remote parasitic passband and convenient debugging. In this paper， a kind of? L wave band high-power coaxial resonator filter is introduced， the initial value of the filter is calculated by the formula calculation software， and the HFSS software is used for modeling， simulation and optimization. After testing and verification， all technical indexes and power capacity of the filter meet the requirements.

Key words：L wave band;coaxial resonator filter;high power