腔体滤波器的设计中耦合窗口的计算

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腔体滤波器的设计中耦合窗口的计算

作者：马军昌 魏文珍

来源：《科技创新导报》2011年第15期

摘 要:根据螺旋滤波器耦合窗口,通过螺旋线与谐振杆转换,得出腔体耦合窗口的计算,与实例有很好的吻合。

关键词:同轴腔体滤波器耦合窗口面积等效

中图分类号:O431.2 文献标识码:A 文章编号:1674-098X(2011)05(c)-0082-02

腔体滤波器谐振腔之间的耦合窗口问题比较复杂,用数学分析的方法来解决比较困难,尤其耦合窗口的高度与耦合系数之间的关系,目前还没有准确的数学分析和计算。现在可以借鉴的技术只有螺旋谐振器的耦合系数与窗口高度之间一个关系曲线。如果将其通过等效转换,将螺旋线等效为腔体滤波器的谐振杆,那么问题将会得到解决。为了更好的说明这个问题,在推导完成之后,再通过一个例题去验证它。 1 同轴腔体之间的耦合

1.1 耦合窗口高度和耦合系数之间的关系 螺旋滤波器的窗口h的定义如图1所示。 通过实验的方法得到如下的关系曲线见图1上图: 图中:K—耦合系数;h—窗口高度;d—螺旋线直径 上图曲线可以简化为下列公式: κЖ10-3=0.071(h/d)1.91(1)

上式中的K—耦合系数、是按预畸设计法得到的。

所谓预畸设计法:为了在元件有耗的情况下准确地实现各类响应,须把元件的损耗预先考虑进去,然后进行综合得出有耗时的设计参数来。这时除通带内附加一固定损耗外,响应曲线与无耗情况一样,这就是预畸设计法。显然,不同的损耗,综合出来的数据是不同的。 通过上面一个公式明显解不出我们需要的h,因此还需要引入另一个参数K′, K′—是归一化的耦合系数.

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在低通原型滤波器中,将耦合系数定义为:K′12=ω12/ω3dB ω12—相邻两元件的实际谐振频率

ω3dB—滤波器通带边缘衰减3分贝处的实际频率 而耦合系数

Κi,i+1=K′i,i+1×△f 3dB/f 0(2) 上式中:△f 3dB为3dB带宽 f 0为中心频率

K′i,i+1为相应已的低通原型中第i支路和第i+1支路间的耦合系数

在实际设计中△f 3dB是已知数;f 0是已知数;K′i,i+1当滤波器的节数和设计原型确定后,可以通过查表的形式得到。

这样通过(2)式既可求出Κi,i+1,将它代入(1)就可以解出h/d。 1.2 螺旋线与谐振杆

通过以上公式可以看出,只要知道d就可以解出窗口的高度h,在螺旋滤波器中d是可以确定的,而在同轴腔体滤波器中如果将谐振杆和螺旋线作一等效,问题将得到解决。 1.2.1 圆柱腔 螺旋滤波器: 阻抗:Zc=25×104/f 0D D—内腔直径(cm) 当Q值最大时:d/D≈0.55 d—螺线管平均直径(cm) 代入上式有:Z0=137.5×103/f 0d(3) 同轴腔体圆柱腔:

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ZC1=138lg(D 1/d 1) (4) D 1--同轴腔体圆柱腔内径 d1--同轴腔体圆柱腔谐振杆直径 令ZC1= Z0

则有:138lg10(D1/d1)=137.5×103/f 0d 所以:d=10×103/f0lg10(D1/d1)(cm)(5) 1.2.2 矩形腔 方法同上,可以得到

d =10×103/f 0[ lg10(D1/d1)+0.025](cm) (6)

可见我们利用螺旋滤波器耦合窗口的计算方法,通过转换,将腔体滤波器的腔体,谐振杆等效为螺旋滤波器的腔体和螺旋线,再通过螺旋滤波器的理论去计算出它的耦合窗口。 2 举例

例:通带频率:2110～2170(MHz) △f 3dB≈66.6MHz 矩形单腔:40×40×27(mm) 谐振杆直径:Φ15mm,高20.8mm 节数:8

计算满足通带频率的各耦合出口的宽度,深度。 计算:

(1)采用切比雪夫0.01波纹 (2)查表得归一化耦合系数

K′12=0.8430;K′23=0.5673;K′34=0.5198;K′45=0.5098K′56=0.5198;K′67=0.5673;K′78=0.8430

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因为:Κi,i+1=K′i,i+1×△f3dB/f0 代人K′i,i+1

得到:Κ12=Κ78=26.259×10-3 Κ23=Κ67=17.671×10-3 Κ34=Κ56=16.192×10-3 Κ45=15.88×10-3。 (3)求d

因为:d=10×103/f0[lg10(D1/d1)+0.025] 代入f0=2140，D1=40，d1=15 得:d=10.36mm。 (4)求h/d

由公式(1)得:hi,i+1/d=(Ki,i+1/71)1/1.91 代入前面求出的Ki,i+1可以得到: h12/d=0.594;h23/d=0.483; h34/d=0.461;h45/i=0.457

解出h后根据腔体间的隔板厚进行修正(修正值在1.0752～2.4之间)。 （5）面积等效

计算h后根据面积等效的方法,等效出实际加工的窗口宽度W和深度H(如图2）。 圆柱腔的面积等效方法同上,直径同矩形腔的边长。 注:等效运算方法:

边长(直径)×h=W×谐振杆的高，如图1。 边长(直径)×h=W×H如图2。

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（6）结构图(如图3）。 3 结语

通过以上推算和等效转换,将复杂的同轴腔体滤波器耦合窗口的计算变得简单化,经过十几种不同频率和带宽的滤波器实践,证明是可行的.现在的设计常用到一些仿真软件,如果将两者相结合,对设计的结果会更准确。 参考资料

[1] LC滤波器和螺旋滤波器的设计.成都电讯工程学院. [2] Simplified Modern Filter Design.New York.1963.

[3] C.F.Nicholson.交叉指状滤波器元件的谐振频率.IEEE T on MTT vol.14.1966.

本文来源：https://www.bwwdw.com/article/v1pf.html