同轴腔体滤波器的研究与应用
同轴滤波器详解
同轴滤波器详解
同轴滤波器同轴滤波器包括梳状腔体滤器交指腔体滤波器、小体积阶跃带通滤波器和同轴低通滤波器等，该系列滤波器具有结构稳定、功率容量大、温度变形系数小、体积小、重量轻等特点。
滤波器使用频率覆盖了甚高频和微波部分频段，适用于通信设备前端射频滤波、大功率双工滤波和中频信号滤波等；其Q值高，因此也适宜作为窄带射频滤波器使用。
同轴滤波器的特点
频率覆盖范围：300MHz～8000MHz；
3dB相对带宽典型值为3%～30%，特殊设计可做到1%～50%；
空载Q值高，通带插损小，典型值小于等于1dB；
谐振器数目一般为2～11级或者更多；。
金属同轴腔滤波器设计要点
金属同轴腔滤波器设计摘要近年来，随着移动通信、导航技术和电子对抗的快速发展，对现有微波元器件的需求和性能的改进都提出了很高的要求。
同轴腔体带通滤波器作为微波带通滤波器中应用最广的一种滤波器，具有功率容量大、插入损耗低、寄生通带远等特点,在现代无线通信、数字电视广播、卫星导航、遥测遥感和雷达等系统中得到了广泛的应用。
本文对同轴腔体带通滤波器做了详细的分析，分析讨论了同轴谐振腔的电磁特性，主要包括谐振频率、谐振腔的耦合结构和外部品质因数等。
利用响应函数得到腔体之间的耦合系数。
应用三维全波仿真软件,分析了腔体结构参数与耦合系数和耦合窗的关系。
最后论文给出了同轴腔滤波器设计实例，测试结果性能良好，符合设计指标要求。
关键词：微波滤波器带通滤波器同轴谐振腔全波仿真分析1ABSTRACTWith the rapid development of mobile communication system, the quality of microwave components is becoming more and more important. As a microwave band-pass filter, coaxial cavity filter is widely applied in modern wireless communication and radar systems, for its high power capacity, low insertion loss and far spurious pass-band.Based on the research of coaxial filter, the electromagnetic properties of coaxial cavity resonator are proposed in the paper, including resonant frequency, coupling structure and external Q of the cavities. The coupling coefficient of filter can be getting by utilizing response function. The width of coupling windows and in-put/out-put coupling lines are acquired by full wave simulation and optimization. At last, a coaxial cavity filter is designed and measured, which has perfect performances and is satisfied with the technical specifications.Key Words: microwave filter band-pass filter coaxial resonator full wave simulation目录一绪论 (1)1.1前言 (1)1.2常见的滤波器形式 (1)1.3国内外发展现状 (3)二滤波器的基本概念 (5)2.1滤波函数 (5)2.2微波滤波器参数 (7)2.3低通滤波器到带通滤波器的转换 (7)三同轴腔带通滤波器的设计 (8)3.1滤波器的设计步骤 (8)3.2滤波器的设计方法 (8)3.2.1前言 (8)3.2.2设计指标 (9)3.2.3参数计算 (9)3.3仿真与测试 (10)3.3.1仿真 (10)3.3.2 实物加工与测试 (13)总结 (14)参考文献 (16)一绪论1.1 前言随着通信、广播、雷达、测量、遥感、空间技术和电子对抗技术等的逐步发展，从米波段一直到毫米波段以至更广阔的波段上，微波滤波器在雷达、信号处理、通信等不同电路系统的传输、变换处理和收发中有广泛应用[1]。
传统的滤波器一般是利用金属同轴腔体实现金属同轴腔体由于自身
介质滤波器介绍
传统应用的滤波器一般是由金属同轴腔体实现（实现原理如图1所示），金属同轴腔体由于自身材料损耗的原因，在限定腔体尺寸的情况下，无法取得很高的品质因数（Q值），导致各项性能指标都受到了限制，即使在金属表面采取一定的表面处理，也无法取得令人满意的结果。
图1 腔体滤波器实现结构原理
在欧美以及日本等发达国家，频率应用非常密集，导致了普通金属腔体滤波器不能实现高抑制的系统兼容问题，而采用介质材料来制作腔体滤波器就从根本上解决了上述问题，介质滤波器抛弃了传统的金属腔体，采用了一种高Q值的陶瓷介质材料（如图2所示），大大减小了腔体自身的损耗，提高滤波器的各项性能，特别是在相邻较近的频带能实现高抑制要求，而对插入损耗指标影响很小。
相比传统金属腔谐振器，介质滤波器具有插损小、高抑制、温度漂移特性好的特点，而且功率容量和无源互调性能都得到了很大的改善。
介质滤波器作为一款新型的无源射频器件，代表着高端射频器件的发展方向，凭借其优良的性能，势必会在民用通信领域中拥有为广阔的应用空间。
图2 介质滤波器
而介质滤波器应用到的介质谐振子不是自然界存在的，必须进行人工合成制作，需要通过各种材料，按照一定的比例铸压成为目前我们使用的介质谐振腔，制作工艺复杂也就导致了其价格要远大于
一般金属腔体滤波器。
另外，由于需要实现高Q值的谐振腔体实现需求，而且介质滤波器的体积也明显大于传统滤波器（如下图所示）。
850MHz频段的传统金属腔滤波器与介质滤波器比较
目前国内各个设备供应商都在积极的研发新型的介质滤波器产品，但是受到介质滤波器的技术难度以及开发成本高等各因素的限制，介质滤波器的应用不是十分广泛。
同轴腔体带通滤波器的研究与设计
同轴腔体带通滤波器的研究与设计杨永侠;刘方方;郭亮【摘要】为了抑制移动通信基站CDM800MHz上行频段噪声，设计了一款高抑制性能的同轴腔体带通滤波器．该滤波器采用交叉耦合结构、带外产生零点来实现带外的高抑制性能，设计过程采用HFSS和软件AWR的协同仿真．设计主要参数为：中心频率875MHz，插入损耗＜0．25dB，带外抑制＜－80dB＠825～835MHz，回波损耗＞－20dB．仿真设计结果表明：设计滤波器满足指标要求．利用Matlab仿真验证了其高抑制性能的有效性．%In order to suppress the uplink noise of the mobile communication base station in CDMA800M networks ,a coaxial cavity band pass filter with high suppression performance is designed . The high suppression performance out of the band is achieved by using the cross coupling structure in the filter and producing zero point .Both HFSS and AWR are used for coordination simulation .The major parameters of the filter are as follow s :the center frequency is 875 M Hz ,the insertion loss is below 0 .25 dB ,the out-of-band rejection is below -80dB@ 825~835 M Hz and the return loss is above -20 dB .T he simulation results show that the coaxial cavity band pass filter can meet the requirements .Finally , Matlab is also used to verify the effectiveness of its high suppression performance .【期刊名称】《西安工业大学学报》【年(卷),期】2015(000)007【总页数】6页(P521-526)【关键词】腔体滤波器;交叉耦合;耦合矩阵;高抑制【作者】杨永侠;刘方方;郭亮【作者单位】西安工业大学电子信息工程学院，西安 710021;西安工业大学电子信息工程学院，西安 710021;中国兵器工业集团公司第205研究所，西安710065【正文语种】中文【中图分类】TN911.7近年来，随着微波、毫米波技术的迅速发展，无线通信系统得到了蓬勃的发展．微波滤波器作为一种频率选择装置，是现代微波、毫米波通信系统中一个非常重要的组成部分，是不可缺少的器件之一．由于现在民用移动通信正处于三网融合的3G 时代甚至会渐渐步入4G时代，频段通常比较低，传统的空腔滤波器，体积较大；超导薄膜滤波器对工作环境要求太严格，而且价格昂贵；微带滤波器无法承受发射机的高功率而且插损也较大．同轴腔体具有Q值高、易于实现的特点，特别适用于通带窄、带内插损小、带外抑制高的场合．所以目前移动通信基站上的收发机使用的滤波器大多以铝铜等材料设计的腔体滤波器．并且这种性能优良、价格低廉、微型化的腔体滤波器已经成为移动通信行业中研究的重点［1］．抑制CDMA800MHz网络上行频段噪声的腔体滤波器，采用传统的方法进行设计，尺寸大、周期长、成本高是不可回避的．文中设计中引入交叉耦合产生零点．交叉耦合同轴腔体滤波器在现代射频、微波系统中得到了广泛的应用，其设计灵活，带外传输零点可以任意指定，最多可以实现和滤波器节数一样多的传输零点，传输零点的位置既可以放在通带外以提高阻带抑制，又可以放在通带内将滤波器的一个通带分成多个通带，传输零点不仅可以位于实轴来提高频率选择性，又可以位于虚轴来平坦滤波器的群时延．文中还利用二维电路仿真软件AWR和三维电磁仿真软件（High Frequency Structure Simulator，HFSS）的协同仿真进行设计，不但缩小了设计周期还节省了成本，提高了设计的有效性．1 带通滤波器的设计理论1．1 低通原型滤波器所有类型的滤波器，都是由低通滤波器原型变换来的．低通滤波器原型是网络综合法设计滤波器的基础，他是一种归一化的低通滤波器，即g0＝1，截止角频率Ωc ＝1［2］．1．2 倒置变换器文中利用J阻抗变换器和并联的谐振回路实现带通滤波器［2］．引入阻抗变换器之后，g0…gn，Jn，n＋1，耦合系数kn，n＋1，有载品质因数Qe 之间的数值关系推导如下：电纳斜率参数为在推导过程中发现耦合系数kn，n＋1的最终形式只与相对带宽W 和低通模型中gngn＋1有关，跟电纳斜率无关．所以在单个谐振网络中，不管电容电感怎么取值，只要谐振频率符合即可．2 设计与仿真2．1 设计指标滤波器的设计指标见表1．该滤波器工作于移动通信基站CDMA800MHz网络，中心频率f0在875MHz，工作带宽BW为10MHz，滤波器的回波损耗RL＞-20dB，插入损耗IL＜0．25dB，要求比较严格，所以滤波器可采用同轴谐振腔来实现［3］；滤波器要求对移动通信基站中在CDMA800 MHz网络的上行频段（825～835MHz）的抑制达到80dB，因此就要考虑引入交叉耦合来实现［4-5］．表1 滤波器的设计指标Tab．1 The design index of the filter中心频率／MHz 带宽BW／MHz 插入损耗IL／0．25回波损耗RL／dB 带内波动／dB 带外抑制／dB 875 10 ＜835 MHz＞-20 ＜0．2 ＜-80dB＠825～2．2 设计步骤腔体滤波器设计流程为：根据设计指标要求选择适合的滤波器模型，然后用AWR 软件优化计算得到k，q值，然后用HFSS实现其物理结构并对其完成单腔仿真，双腔仿真，和抽头仿真，分别来确定斜杠杆长度和尺寸，耦合窗的大小，和输入输出的位置，从而实现全腔仿真．最后对其进行调试使其达到设计要求．2．3 仿真结果①根据AWR理论电路结构的设计仿真并优化后，结果如图1所示，其带内插入损耗为-0．167 6dB；回波损耗为-30dB，在带外频率为0．832GHz时其带外抑制为-86．29dB，可以看出滤波器的各项指标都满足，并且留有余量．计算求取谐振器间耦合系数以及各谐振腔的谐振频率分别为图1 仿真优化结果Fig．1 The simulation optimization results②根据AWR中原理图的仿真基础，在HFSS软件中进行物理尺寸的确定［6-7］．首先在在单腔仿真中确定中心频率f0＝0．885 9GHz，品质因数Q＝4 463．谐振杆长度一般采用λ／4，最终确定谐振杆高度为27mm，半径2mm；单腔尺寸半径30mm，高38mm；谐振腔半径7．5mm，高30mm；其次根据AWR中确定的耦合系数确定HFSS中各腔体的尺寸以及谐振杆的大小；最后进行全腔仿真，建立了五腔体模型［8］如图2所示．图2 腔体滤波器设计流程Fig．2 The design process of the cavity filter通过S参数的仿真曲线来判断滤波器是否满足要求，实际仿真结果如图3所示：通带内回波损耗S11为-20．236 8dB，插入损耗S21为-0．252 2 dB，带外抑制为-98．695 8dB．可以看出在频率、插损和抑制度方面，滤波器均达到设计要求．最终设计尺寸见表2．2．4 影响滤波器性能参数的因素分析物理尺寸对滤波器性能起着决定性的作用，本文中设计了一个五腔体的滤波器，谐振杆的长度，双腔开窗的大小以及输入输出位置等决定着滤波器的性能是否达到要求，在此将做以简单介绍［9］．图3 仿真优化结果Fig．3 The simulation optimization results表2 滤波器的最终尺寸Tab．2 The final size of the filter谐振杆高度／mm 耦合杆高度／mm 交叉耦合窗大小／mm H1＝H5＝23．5 H12＝H23＝21 L＝15＝20 H2＝H4＝20．4 H13＝H35＝32 H＝16 H3＝19．7 H34＝H45＝20 W13＝W35①谐振杆长度的影响通过HFSS对单腔模型进行仿真，使得单腔谐振在中心频率附近，利用HFSS的本征模对同轴谐振腔的谐振杆高度进行扫描，可以得到无载品质因数Q0值以及谐振频率随谐振杆的高度的变化曲线．仿真结果如图4所示．在图4（a）中随着谐振杆高度的增大，谐振腔的无载品质因数随之增大，在谐振杆取27mm时，无载品质因数Q0达到最大值5 500左右，而Q0决定了滤波器的插入损耗，Q0越大，插入损耗越小；图4（b）中则是谐振频率随着谐振杆高度的变化曲线图，谐振杆越长，谐振频率越低，他们之间存在的反比关系．②耦合杆的长度以及窗口宽度的影响通过HFSS双腔仿真得到双腔间的耦合结构及耦合系数为例，如图5所示．如图5（a）所示随着耦合杆的增加，其腔间耦合系数随之增加．如图5（b）所示，窗口宽度增加时，耦合系数略有增加．对双模型中交叉耦合模型也进行了同样的扫描仿真，结果如图6～7所示，耦合杆越长，耦合系数越大；窗口宽度增大，耦合系数增大．图4 滤波器模型Fig．4 The filter model图5 双腔耦合的影响因数Fig．5 The influencing factors on double cavity coupling图6 交叉耦合系数的变化曲线Fig．6 The change curve of cross coupling coefficient③ 抽头位置对滤波器的影响在软件中对抽头位置进行扫描，得到S21以及S11的变化曲线如图89所示．图7 窗口宽度的影响变化Fig．7 The changes of window-width从仿真结果可以看出，当抽头位置改变时，图8（a）～（b）都可以看出滤波器的中心频率发生了偏移，同时图8（a）中的插入损耗S21随着抽头位置的增高而减小，图8（b）中的回波损耗S11则随之增大．图8 参数S的变化曲线Fig．8 The changing curves of parameters3 设计验证采用编程的思想，把耦合矩阵综合以及耦合矩阵的变换过程编写成了 Matlab程序［10］．在用Matlab综合耦合矩阵的过程中，只需要输入滤波器的设计指标，进行Matlab程序就可以得到耦合矩阵和外部品质因数．通过Matlab编程使得耦合矩阵综合过程大大的简化了，并且可以节省很多设计时间［10］．通过计算仿真得到如图9所示结果．图9 Matlab编程仿真的S曲线Fig．9 Matlab simulation of Scurve通过图9（a）所示的S21曲线可以看出，在通带内滤波器的插入损耗非常小，完全达到指标要求；同时在带外低频处通过产生的两个零点使得频率在825～835MHz的位置，其带外抑制度高达-120dB，这是理论上达到的效果，从图9（b）中所示的S11曲线可以看出，滤波器的带内回波损耗在通带内小于-15dB．4 结论通过比较三种仿软件的仿真结果可以看出：用两种方法设计的滤波器都可以达到技术指标的要求，中心频率都在875MHz，利用AWR和HFSS协调仿真设计的滤波器回波损耗为-20．54dB，插入损耗为-0．2522dB，其带外抑制为-98．69dB；运用Matlab仿真设计的滤波器其回波损耗为-15 dB，插入损耗为-0．08dB，其带外抑制高达-120 dB．实验结果证明了该滤波器具有在通带内插入损耗小，带外高性能抑制等优点，具有良好的应用前景．【相关文献】［1］甘本袚，吴万春．现代微波滤波器的结构与设计（上册）［M］．北京：科学出版社，1973．GAN Ben-bo，WU Wan-chun．Structure and Design of Modern Microwave Filter （I）［M］．Beijing：Science Press，1973．（in Chinese）［2］ CAMERON R J，KUDSIA C M，MANSOUR R R．通信系统微波滤波器-基础、设计与应用［M］．王松林，泽．北京：电子工业出版社，2012．WANG Song-lin．Microwave Filter，Communication System，the Design and Application［M］．WANG Song-lin，translated．Beijing：Electronic Industry Press，2012．（in Chinese）［3］张同宣，赵振堂．腔体带通滤波器设计［J］．核技术，2008，31（6）：401．ZHANG Tong-xuan，ZHAO Zhen-tang．Design of Cavity Band-Pass Filter［J］．Nuclear Technology，2008，31（6）：401．（in Chinese）［4］ COHN S B．Direct-Coupled-Resonator Filters［J］．Proc of the IRE，1957，45（2）：187．［5］ JIA S H，LANCASTER M J．Micro-Strip Airpin-Resonator Filters［J］．IEEE Trans MTT，1998，46（1）：118．［6］刘扬．同轴腔体滤波器传输零点的实现方法［J］．湖北第二师范学院学报，2011，28（2）：101．LIU Yang．A Method to Achieve Transmission Zeros Based on Coaxial Cavity Filters［J］．Journal of Hubei Sceond Normal Coolege，2011，28（2）：101．（in Chinese）［7］陈彩云，徐立勤，李泳．八腔交叉耦合同轴滤波器的设计与实现［C］／／第六届全国毫米亚毫米波学术会议．哈尔滨：中国电子学会，2006：206．CHEN Cai-yun，XU Li-qin，LI Yong．Design and Implementation of Eight Cross Coupling Coxial Cavity Filter［C］／／The Sixth National Conference on Submillimeter Millimrter，Harbin：Chinese Institute of Electronics，2006：206．（in Chinese）［8］杨永侠，王亚亚．交叉耦合型滤波器的小型化设计及仿真［J］．西安工业大学学报，2013，33（6）：499．YANG Yong-xia，WANG Ya-ya．Design and Simulation of Miniaturized of Cross Coupling-Typed Filter［J］．Journal of Xi’an Technological University，2013，33（6）：499．（in Chinese）［9］张建华．HFSS电磁仿真设计［M］．西安：西安电子科技大学出版社，2008．ZHANG Jian-hua．HFSS Electromagnetic Simulation Design［M］．Xi’an：Xidian University Press，2008．（in Chinese）［10］郭晶，赵红梅．Matlab6．5辅助优化计算与设计［M］．北京：电子工业出版社，2003．GUO Jing，ZHAO Hong-mei．Matlab6．5Aided Optimization Calculation and Design［M］．Beijing：Electronic Industry Press，2003．（in Chinese）。
金属同轴腔滤波器设计要点
金属同轴腔滤波器设计摘要近年来，随着移动通信、导航技术和电子对抗的快速发展，对现有微波元器件的需求和性能的改进都提出了很高的要求。
同轴腔体带通滤波器作为微波带通滤波器中应用最广的一种滤波器，具有功率容量大、插入损耗低、寄生通带远等特点,在现代无线通信、数字电视广播、卫星导航、遥测遥感和雷达等系统中得到了广泛的应用。
本文对同轴腔体带通滤波器做了详细的分析，分析讨论了同轴谐振腔的电磁特性，主要包括谐振频率、谐振腔的耦合结构和外部品质因数等。
利用响应函数得到腔体之间的耦合系数。
应用三维全波仿真软件,分析了腔体结构参数与耦合系数和耦合窗的关系。
最后论文给出了同轴腔滤波器设计实例，测试结果性能良好，符合设计指标要求。
关键词：微波滤波器带通滤波器同轴谐振腔全波仿真分析1ABSTRACTWith the rapid development of mobile communication system, the quality of microwave components is becoming more and more important. As a microwave band-pass filter, coaxial cavity filter is widely applied in modern wireless communication and radar systems, for its high power capacity, low insertion loss and far spurious pass-band.Based on the research of coaxial filter, the electromagnetic properties of coaxial cavity resonator are proposed in the paper, including resonant frequency, coupling structure and external Q of the cavities. The coupling coefficient of filter can be getting by utilizing response function. The width of coupling windows and in-put/out-put coupling lines are acquired by full wave simulation and optimization. At last, a coaxial cavity filter is designed and measured, which has perfect performances and is satisfied with the technical specifications.Key Words: microwave filter band-pass filter coaxial resonator full wave simulation目录一绪论 (1)1.1前言 (1)1.2常见的滤波器形式 (1)1.3国内外发展现状 (3)二滤波器的基本概念 (5)2.1滤波函数 (5)2.2微波滤波器参数 (7)2.3低通滤波器到带通滤波器的转换 (7)三同轴腔带通滤波器的设计 (8)3.1滤波器的设计步骤 (8)3.2滤波器的设计方法 (8)3.2.1前言 (8)3.2.2设计指标 (9)3.2.3参数计算 (9)3.3仿真与测试 (10)3.3.1仿真 (10)3.3.2 实物加工与测试 (13)总结 (14)参考文献 (16)一绪论1.1 前言随着通信、广播、雷达、测量、遥感、空间技术和电子对抗技术等的逐步发展，从米波段一直到毫米波段以至更广阔的波段上，微波滤波器在雷达、信号处理、通信等不同电路系统的传输、变换处理和收发中有广泛应用[1]。
同轴腔体滤波器 强耦合方法
同轴腔体滤波器强耦合方法同轴腔体滤波器强耦合方法引言同轴腔体滤波器是一种常见的电路元件，广泛应用于通信和无线电频率选择等领域。
强耦合方法是一种用来改善同轴腔体滤波器性能的有效技术。
本文将详细介绍同轴腔体滤波器和强耦合方法。
同轴腔体滤波器同轴腔体滤波器是一种基于同轴结构的滤波器，通过引入中心导体和外部屏蔽层的方式，在空间上隔离不同频率成分。
同轴腔体滤波器的结构紧凑且有效地抑制了杂散模式的辐射。
结构同轴腔体滤波器的基本结构包括内引线、中心导体、外部屏蔽层和外引线。
内引线和外引线用于将输入输出信号引入和引出腔体，中心导体和外部屏蔽层则用于构成电磁场封闭的腔体结构。
工作原理在同轴腔体滤波器中，输入信号通过内引线引入腔体，经过中心导体和外部屏蔽层的作用，只有特定频率的成分能够在腔体中传播。
其他频率成分则被滤波器结构有效地阻隔，从而实现频率选择的功能。
强耦合方法在同轴腔体滤波器中，强耦合方法是一种用来提高滤波器性能的技术。
通过增加腔体中的电动耦合装置，强耦合方法可以改变腔体内的场分布，从而实现更强的耦合效果。
电动耦合装置电动耦合装置是用来增加同轴腔体滤波器的内部耦合程度的装置。
常见的电动耦合装置包括定向耦合环和串联耦合环。
定向耦合环通过引入定向耦合结构，使得腔体内不同频率成分之间的电场能够相互耦合。
串联耦合环通过引入串联耦合结构，使得腔体内不同频率成分之间的磁场能够相互耦合。
强耦合效果通过引入电动耦合装置，强耦合方法可以使得同轴腔体滤波器的内部耦合程度增加。
这种增强的耦合效果可以改变腔体内的场分布，进而改变滤波器的频率响应。
强耦合方法可以提高滤波器的选择性、增益和带宽等性能指标。
总结同轴腔体滤波器是一种常用的电路元件，而强耦合方法则是一种用来提高滤波器性能的有效技术。
通过增加电动耦合装置，强耦合方法可以改变滤波器内部的场分布，提高对特定频率成分的耦合效果。
这种方法可以进一步改善滤波器的选择性、增益和带宽等性能指标。
同轴腔体滤波器设计入门
同轴腔体滤波器设计入门——无交叉耦合结构2009-05-14 21:44:47 阅读518 评论0 字号：大中小仿佛记得射频铁三角是功率、频率、和阻抗。
涉及射频电路设计，总是离不开这三个要素。
那么在滤波器的设计中最关键的因素是什么呢？答案是谐振和耦合。
无论什么样的滤波器，终归离不开谐振和耦合。
以通信系统中常见的同轴腔体带通滤波器为例，谐振就是单腔的谐振，对于对称结构而言，单腔的自耦合为零，换句话说，每一个腔体都谐振在该带通滤波器的中心频率上。
同轴腔体滤波器的单腔可以被看作是一个由同轴传输线和分布电容构成的并联谐振器。
那么很容易理解，在谐振频率的时候，并联谐振器的对地阻抗为无穷大，即满足Z0tan（Bd）=1/wC的条件。
此时，信号可以无衰减的从一个腔耦合到下一个腔。
什么又是耦合呢，耦合指的是谐振器之间电磁场的相互作用，耦合包括级间耦合和输入输出耦合。
对于无交叉耦合的结构来说，级间耦合仅仅包涵非相邻腔之间的耦合。
对于级间耦合，需要理解阻抗变换器的概念，我记得《现代微波滤波器的结构与设计》上有句话是这么描述的，一个理想的阻抗变换器，好像是工作在任意频率上的四分之一波长变换线一样。
换句话说，一个理想的级间耦合在任意频率上都是四分之一波长的。
并不依赖于频率而存在。
实际中的耦合当然不是这样，腔间主耦合常常是磁耦合，而交叉耦合滤波器有时会用到电耦合。
那么通过电路仿真会发现，电耦合和磁耦合对于带外抑制的影响是不同的。
腔间耦合为磁耦合时，阻带高端的抑制度会优于阻带低端。
而电耦合时，恰恰相反。
这是因为磁耦合和电耦合都是依赖于频率的，它们仅仅通带的在中心频率处可等效为四分之一波长线。
而带外则稍有差异。
造成了抑制度的差异。
那么腔间的耦合如何识别呢。
在HFSS中可以通过电磁场来判断腔间耦合。
磁耦合的情况下，在对称面上磁场是连续的，电耦合的情况下呢，对称面上电场是连续的。
这是一种很简单的方法适合初学者。
而对于一个有经验的设计者对于常用的耦合都非常熟悉，可以凭经验判断出耦合的方式。
腔体式带通滤波器的研究与设计
西安科技大学硕士学位论文腔体式带通滤波器的研究与设计姓名：***申请学位级别：硕士专业：通信与信息系统指导教师：***2011论文题目：腔体式带通滤波器的研究与设计专业：通信与信息系统硕士生：刘健（签名）指导老师：刘新良（签名）摘 要近年来，随着移动通信、电子对抗和导航技术的飞速发展，对新的微波元器件的需求和现有器件性能的改善都提出了很高的要求。
微波带通滤波器作为一种重要的微波元器件在近几年来也得到了大力的发展。
因此，对微波滤波器理论和设计方法的研究，已经引起了国内外器件工程师的极大兴趣。
本文以腔体式带通滤波器为研究的对象，采用综合法的经典公式与计算机仿真工具相结合的方法简化了设计过程，提高了设计和加工的准确性。
在整个研究的过程中，概括起来主要做了以下几个方面的工作：1. 从滤波器的网络设计理论入手，在耦合谐振腔带通滤波器的理论基础上，研究了从低通原型滤波器到耦合谐振腔可调带通滤波器的设计过程。
2. 针对腔体式带通滤波器的设计，研究分析了滤波器频率变化和滤波器性能参数之间的关系，得出实际设计时所需参数和滤波器结构的设计公式。
3. 依据设计指标，明确采用切比雪夫函数带通滤波器，并利用HFSS仿真软件对几何尺寸参数的初值进行了仿真、优化，以得到滤波器几何尺寸参数的终值，使其能够满足最初的设计指标要求，最终的仿真结果说明了这种方法的可行性和实用性。
关键词：带通滤波器；微波滤波器；同轴腔；切比雪夫滤波器；HFSS研究类型：应用研究Subject : The Cavity Asana Band-pass Filter Research and Design Specialty ：Communication and Information SystemName ： Liu Jian (Signature)Instructor：Liu Xin-liang (Signature)ABSTRACTWith the rapid development of the mobile communication industry，the electronic countermeasure and the technologies of navigation in recent years，the demand of new microwave components and the requirement of improving the quality of the existing microwave components are very high．Therefore the Microwave Band-pass filter, as an important microwave component, is well developed in recent years. Domestic and foreign engineers are very interested in the research of Microwave filters theory and practical design for the microwave filters．This paper chooses cavity asana band-pass filter as research object, combining the method of the synthetic classic formula with computer simulation tools to study, therefore simplifies the design process, and improve the accuracy of designing and machining. In the process. The study mainly includes several aspects:1.Starting from the network design theory of filter, based on coupling resonatorband-pass filter theory, this paper studies the design process developed from Low-pass prototype filter to Coupling resonance cavity adjustable band-pass filter.2. To design cavity band-pass filter, this paper researches and analyzes the relationshipbetween filter frequency variation and filter performance parameters. As a result, it finds out the designing formula.3. According to the design index, this research makes use of Chebyshev functionband-pass filter, and uses HFSS simulation software to simulate and optimize the initial geometric parameters to get the final value of geometric parameters of filter, so it can meet its original design requirements. The final simulation results demonstrate the feasibility and practicability of this method.Key words：Band-pass filter Microwave filter Coaxial-cavity Chebyshev HFSS Thesis ： Application Research1 绪论1 绪论1.1 滤波器概述当前，无线通信技术高速发展，业务范围不断扩大，人们对无线产品的需求迅速增长。
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Keywords：Coaxial cavity filter, cavity resonator, coaxial low-pass filter, adjustable low-pass
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同轴腔体滤波器的研究与应用
filter
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同轴腔体滤波器的研究与应用
目录
目录...............................................................................................................................................................III 第一章 绪论..................................................................................................................................................1 1.1 研究背景及意义................................................................................................................................1 1.2 国内外的研究现状.............................................................................................................................2 1.3 本论文的主要工作及创新点.............................................................................................................3 第二章 滤波器设计的基本理论..................................................................................................................5 2.1 引言.....................................................................................................................................................5 2.2 低通原型滤波器.................................................................................................................................6 2.2.1 对偶电路.....................................................................................................................................6 2.2.2 归一化低通原型滤波器.............................................................................................................7 2.3 切比雪夫原型低通滤波器.................................................................................................................9 2.4 椭圆函数低通原型滤波器...............................................................................................................10 2.5 通带滤波器的设计...........................................................................................................................11 2.5.1 低通到带通的频率转换...........................................................................................................11 2.5.2 耦合谐振器带通滤波器的设计...............................................................................................13 2.5.3 K、J 变换器的微波实现.........................................................................................................15 2.5.4 集总元件耦合谐振器..............................................................................................................16 2.6 本章小结...........................................................................................................................................18 第三章 同轴腔体滤波器耦合矩阵的研究................................................................................................19 3.1 引言...................................................................................................................................................19 3.2 交叉耦合矩阵的综合.......................................................................................................................19 3.2.1 传输与反射多项式的求解.......................................................................................................19 3.2.2 双端口导纳矩阵的求解...........................................................................................................21 3.2.3 耦合矩阵的求解.......................................................................................................................22 3.2.4 耦合矩阵的消元.......................................................................................................................23 3.3 耦合系数的电磁仿真实现...............................................................................................................25 3.3.1 电壁和磁壁提取法...................................................................................................................25 3.3.2 双模提取法...............................................................................................................................27 3.4 耦合的电磁仿真结果.......................................................................................................................28
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同轴腔体滤波器的研究与应用
摘要
现如今， 随着无线通讯业务的高速发展， 本已日趋紧张的频谱资源更加显得捉襟见肘， 由此凸显作为信号选择作用的滤波器在通信系统中的重要作用。与此同时，随着频谱资源 越来越拥挤和电磁环境越来越复杂，对滤波器的体积、性能指标及成本方面的需求也越来 越苛刻。传统的 LC 集总元器件滤波器已经无法满足当今日新月异的通信技术指标。因此， 研制出体积小，低损耗、高矩形系数的滤波器成了滤波器的关键技术要求，加速了微波射 频滤波器的关键技术和理论研究。因此本文对具有高 Q 值，低插损，高矩形系数等优点的 同轴腔体滤波器进行了深入的研究。 同轴腔体滤波器根据同轴传输线原理，通过在各谐振腔之间开窗或者加耦合螺钉，实 现电容或电感的耦合，通过改变窗口的大小和位置的变化或者耦合螺钉的长短、粗细等来 调节耦合电感容或者耦合电感的大小从而实现各种滤波器指标的快速变换；并且利于实现 各谐振器之间的交叉耦合，通过控制交叉耦合的强弱程度和数量从而实现控制传输零点的 数目和位置的目的。同轴腔体滤波器在有电容加载的情况下，其体积可以做的非常小，并 且滤波器的矩形系数非常高、功率容量也很大，因此被广泛使用在基站通信系统中，是国 内外广泛研究的热点。 腔体结构会因为自身谐振在远端产生谐振峰，对器件本身性能产生不利影响，因此在 同轴腔体滤波器的设计过程中，需要添加低通滤波器对远端谐振峰进行滤除，因此本文对 同轴低通滤波器进行了深入的研究，并制作出实物。同时，本人根据同轴低通滤波器的现 存的缺点进行了改进，提出了一种新型的可调低通滤波器，实现截止频率可调的功能。目 前，在国内尚属首例，未见有关报道。 本文对同轴带通滤波器和低通滤波器分别进行了设计和研究，并且结合一些相应的 EDA 设计软件，给出了快速设计滤波器的过程。通过实物的设计加工，最终完成了同轴腔 体带通和同轴腔体低通滤波器的研究。