同軸腔交叉耦合濾波器設(shè)計總覽

同軸腔交叉耦合濾波器設(shè)計總覽CoaxialCavityCross-CouplingFiltersDesign—ATutorialOverview蘇濤，西安電子科技大學(xué)2007.09.14同軸腔交叉耦合濾波器設(shè)計總覽1、微波腔體濾波器等效電路2、同軸腔濾波器基本原理3、交叉耦合原理4、工程化設(shè)計方法1、微波腔體濾波器等效電路濾波器設(shè)計，通?？梢杂傻屯ㄔ烷_始，例如下圖的梯形低通原型電路。實際應(yīng)用中，要么都使用串聯(lián)的電感，要么都使用并聯(lián)的電容；避免在同一個電路中既有串聯(lián)電感，又有并聯(lián)電容。此時，可以使用阻抗變換器。1/4波長傳輸線阻抗變換器其他形式的阻抗變換器等效電路使用阻抗變換器，K變換器，將并聯(lián)電容變換為串聯(lián)電感引入非相鄰單元的交叉耦合，以實現(xiàn)類橢圓函數(shù)濾波器。即得到有限傳輸零點。低通原型到帶通濾波器變換2、同軸腔濾波器基本原理TEM模傳輸線：同軸線當(dāng)b/a=3.6時，衰減最?。ㄓ米髦C振器Q值最高）空氣填充，匹配同軸線的擊穿功率：第一個高次模TE模式（單位：英寸）：一段開路傳輸線或者短路傳輸線作為諧振器。?波長諧振腔同軸線腔內(nèi)導(dǎo)體長度確定諧振頻率當(dāng)頂板與內(nèi)導(dǎo)體上面接近時，相互間存在電容——電容加載，諧振頻率下降3、交叉耦合原理概述交叉耦合的基本原理，及其在同軸腔濾波器中的應(yīng)用。有限傳輸零點，陡峭的帶外特性非對稱響應(yīng)，即滿足要求又減小了復(fù)雜度、成本、尺寸和重量交叉耦合可以實現(xiàn)有限傳輸零點腔間耦合既有磁性成分，也有電性成分；兩者異相，總的耦合等于磁耦合減去電耦合；開路端調(diào)諧螺釘，增加耦合強度（磁耦合增加，電耦合減小，總耦合增加）；短路端退耦合墻，減小耦合強度（減小磁耦合）（1）相位關(guān)系同軸腔濾波器等效電路如下圖。遠(yuǎn)離諧振頻率（通帶頻率）時，各元件的表現(xiàn)產(chǎn)生了傳輸零點。同軸腔間的耦合一般可以用串聯(lián)電感等效。設(shè)S參數(shù)S21和S11的相位分別是21和11串聯(lián)電感的21逼近-90°串聯(lián)電容的21逼近+90°同軸腔等效并聯(lián)諧振回路的21關(guān)系（2）多耦合線路A.感性交叉耦合的CT結(jié)構(gòu)通道1：1-2-3;通道2：1-3

腔體1和3為公共點，相移可不計感性耦合相移-90°

腔體2的相移，要考慮通帶低端和高端在通帶低端，同相；在通帶高端，異相；準(zhǔn)確的180°相位差在2030MHz；近似方向區(qū)域為2020-2040MHz；

1-3之間的耦合加強，傳輸零點接近通帶移動；耦合減弱，其遠(yuǎn)離通帶；

CT結(jié)構(gòu)只增加耦合，沒有增加其他代價。B.容性交叉耦合的CT結(jié)構(gòu)C.感性交叉耦合的CQ結(jié)構(gòu)上述感性交叉耦合的CQ結(jié)構(gòu)同軸腔，無法產(chǎn)生有限傳輸零點；雖然沒有實頻率零點，但是可以產(chǎn)生虛頻率零點；虛頻率零點可以改善通帶時延的平坦度，多用于超線性系統(tǒng)中放大器前端對通帶插耗平坦度也有影響。C.容性交叉耦合的CQ結(jié)構(gòu)（3）嵌套結(jié)構(gòu)問題1：嵌套結(jié)構(gòu)中，為什么最長通路和最短通路不能產(chǎn)生有限傳輸零點？產(chǎn)生有限傳輸零點的條件：等幅反向通道上經(jīng)過的諧振腔（失諧狀態(tài)）會對幅度產(chǎn)生影響；即使最長通路和最短通路滿足反向條件，但是其幅度差距很大，無法產(chǎn)生傳輸零點。問題2：同軸腔體之間感性耦合的其他形式環(huán)路垂直磁場，感性耦合問題3：注意分布參數(shù)的影響4、工程化設(shè)計方法Chebyshev濾波器設(shè)計。交叉耦合項都是零（小電容或者大電感）；增加交叉耦合項，此時已經(jīng)調(diào)諧的Chebyshev響應(yīng)會變差；只需調(diào)節(jié)傳輸零點相關(guān)腔體頻率和耦合值，調(diào)好響應(yīng)。例如：5腔濾波器，2-4增加交叉耦合，只需調(diào)節(jié)2和4的諧振頻率，及其2-3和3-4的耦合即可。原理分析將交叉耦合濾波器等效為兩個A矩陣網(wǎng)絡(luò)并聯(lián)，其中A1是原Chebyshev濾波器，A2是交叉耦合支路（大多數(shù)情況下，僅僅是一個K變換器）；在此條件下，討論有限傳輸零點產(chǎn)生的條件，及其交叉耦合的取值。傳輸矩陣形式連接條件經(jīng)推導(dǎo)得到：可見，有限傳輸零點產(chǎn)生的條件是：傳輸矩陣形式K變換器傳輸矩陣失諧諧振腔傳輸矩陣其中圖中的Kij是耦合系數(shù)的值，應(yīng)用kij表示，其值等于K變換器的值去除電抗斜率；此時，失諧電抗X相應(yīng)的也去除了電抗斜率A.對于4腔1-4交叉耦合得到：應(yīng)用前面得到的有限傳輸零點產(chǎn)生的條件：即：例子：Ansoft巡展《RapidElliptic-FilterDesign

》fo=400MHzBW*=15MHzRipple=0.08dBOutofbandrejection>20dBfz=412MHz;388MHzg0g1g2g3g4g511.10881.30611.77030.81801.3554查表得到，歸一化低通原型的元件值，帶內(nèi)波紋0.1dB得到耦合值如下R =0.0338K12 =0.0312K23 =0.0247K34 =0.0312根據(jù)前面的結(jié)論，得到K14 =-0.0083 （-0.0078）有限傳輸零點產(chǎn)生，但帶內(nèi)特性等變差，需要微調(diào)。K12 =0.02894 K23 =0.02863 K34 =K12K14 =-0.00942 QL =29.69Ansoft給出的結(jié)果K12 =0.0312K23 =0.0247K34 =0