1、現(xiàn)代微波電路和器件設(shè)計(jì)11、耦合諧振腔濾波器的調(diào)諧蘇 濤西安電子科技大學(xué)，電子工程學(xué)院2008年春11、耦合諧振腔濾波器的調(diào)諧一、濾波器調(diào)諧簡(jiǎn)介二、交替開(kāi)路和短路方法串并聯(lián)諧振回路帶通濾波器耦合諧振腔帶通濾波器三、耦合帶寬調(diào)諧反射系數(shù)相位特性耦合帶寬的概念和計(jì)算中心插損的估計(jì)耦合帶寬的測(cè)量耦合帶寬測(cè)量的演示 所謂調(diào)諧，就是把濾波器中所有的諧振腔都調(diào)整到需要的頻率上。如果各個(gè)諧振腔諧振頻率相同，稱(chēng)為同步調(diào)諧，否則稱(chēng)為異步調(diào)諧。 由于，諧振腔的頻率受到耦合的影響，濾波器響應(yīng)由諧振腔頻率和耦合共同確定；通常，調(diào)諧的過(guò)程也是濾波器耦合強(qiáng)度的測(cè)試和調(diào)整過(guò)程。 調(diào)諧是濾波器調(diào)試的過(guò)程，有些方法也可以應(yīng)用于

2、濾波器的設(shè)計(jì)過(guò)程。一、濾波器調(diào)諧簡(jiǎn)介 調(diào)諧的方法有多種，各有特色和應(yīng)用，比如適用于“級(jí)聯(lián)耦合諧振腔帶通濾波器調(diào)諧”的 濾波器時(shí)域調(diào)諧 交替開(kāi)路短路法 反射系數(shù)相位 群時(shí)延 單端短路反射系數(shù)相位反演近年來(lái)，計(jì)算機(jī)輔助調(diào)諧技術(shù)（CAT）得到了快速發(fā)展，以調(diào)高調(diào)諧效率和濾波器性能，并適應(yīng)多耦合濾波器調(diào)諧的需要。使用網(wǎng)絡(luò)分析儀調(diào)諧濾波器帶通濾波器的頻域、時(shí)域響應(yīng)和時(shí)域調(diào)諧過(guò)程 一端短路時(shí)，級(jí)聯(lián)耦合諧振腔帶通濾波器反射系數(shù)相位曲線(xiàn)；可以根據(jù)其零點(diǎn)和極點(diǎn)的位置，反演得到各個(gè)腔體的諧振頻率和腔間耦合系數(shù)。國(guó)外公司的濾波器CAT系統(tǒng)演示 無(wú)論調(diào)諧的方法如何，都是建立在對(duì)濾波器原理電路和物理結(jié)構(gòu)分析的基礎(chǔ)之上。

3、 另一方面，與調(diào)諧相對(duì)的，在微波工程中也出現(xiàn)了一種“無(wú)需調(diào)試”，一次加工定型的設(shè)計(jì)思路。其主要應(yīng)用于無(wú)法加入可調(diào)部件的場(chǎng)合，比如LTCC濾波器；和不易加入可調(diào)部件的場(chǎng)合，比如波導(dǎo)圓極化器，傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)帶有調(diào)諧螺釘，會(huì)影響功率容量等指標(biāo)；新的結(jié)構(gòu)立足精確設(shè)計(jì)和加工，沒(méi)有加入可調(diào)部件。二、交替開(kāi)路和短路方法 如圖所示的帶通濾波器，具有兩個(gè)串聯(lián)諧振和一個(gè)并聯(lián)諧振回路，并有開(kāi)關(guān)使串聯(lián)諧振回路開(kāi)路，使并聯(lián)諧振回路短路，即有開(kāi)關(guān)斷掉諧振回路。2.1 串并聯(lián)諧振回路帶通濾波器斷掉所用諧振回路，s1和s3打開(kāi)，s2閉合，這樣，輸入導(dǎo)納為零。 接入第一個(gè)諧振回路，即s1閉合，調(diào)諧諧振回路1；當(dāng)輸入導(dǎo)納為無(wú)窮大（工作

4、頻率下）時(shí)，調(diào)諧1完成； 再接入第二個(gè)諧振回路，即s2打開(kāi)，調(diào)諧諧振回路2；到輸入導(dǎo)納為零時(shí)，調(diào)諧2完成； 再接入第三個(gè)諧振回路，即s3和s4閉合，調(diào)諧諧振回路2；到輸入導(dǎo)納為無(wú)窮大時(shí)，諧振3完成。 上述過(guò)程，就是串聯(lián)諧振回路調(diào)諧到對(duì)輸入短路，并聯(lián)諧振回路調(diào)諧到對(duì)輸入開(kāi)路。 對(duì)于如圖所示的并聯(lián)諧振回路帶通濾波器，如果J變換器的導(dǎo)納不隨頻率變化，則其濾波器的輸入導(dǎo)納特性與前面的完全相同。注意此時(shí)只有并聯(lián)諧振回路，斷開(kāi)諧振回路意味著諧振回路短路。2.2 耦合諧振腔帶通濾波器 短路所有并聯(lián)諧振回路，輸入導(dǎo)納為零，輸入呈現(xiàn)開(kāi)路； 除去諧振回路1的短路裝置，調(diào)諧諧振回路1；輸入導(dǎo)納在工作頻率為無(wú)窮大，輸

5、入呈現(xiàn)短路；除去諧振回路2的短路裝置，調(diào)諧諧振回路2；輸入導(dǎo)納在工作頻率為零，輸入呈現(xiàn)開(kāi)路； 依次調(diào)諧各個(gè)諧振回路，使輸入交替呈現(xiàn)開(kāi)路和短路，直到最后一個(gè)諧振回路調(diào)諧，再把輸出負(fù)載的短路裝置除去。3.1 反射系數(shù)相位特性 無(wú)論濾波器的結(jié)構(gòu)如何，對(duì)于窄帶或者中等帶寬的微波帶通濾波器，其特性總可以由諧振腔特性（諧振頻率和無(wú)載Q值）和耦合特性（源/負(fù)載耦合和腔間耦合）確定。三、耦合帶寬調(diào)諧 對(duì)于任意的濾波器形式，前面的“交替開(kāi)路和短路方法”都給出了有效的調(diào)諧策略，現(xiàn)在給出調(diào)諧過(guò)程中對(duì)耦合等因素的定量分析。 窄帶濾波器中，腔體的有限Q值是限制濾波器特性的實(shí)際因素，其無(wú)法達(dá)到理想的逼近響應(yīng)；而在寬帶濾波

6、器中，低通到帶通變換的非對(duì)稱(chēng)性、耦合特性的頻變性和諧振腔有限Q值都限制了濾波器的特性。3.2 耦合帶寬的概念和計(jì)算 所謂耦合帶寬（Coupling Bandwidths， CBWs），其實(shí)是耦合強(qiáng)度的另一種表示；并且在使用矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀測(cè)試濾波器時(shí)，耦合帶寬更加的直接和簡(jiǎn)便。外部Q值和腔間耦合系數(shù)引入歸一化外部Q值和腔間耦合系數(shù)耦合帶寬CBWs，耦合系數(shù)與帶寬相關(guān)的頻率單位量顯然，外部值和腔間耦合系數(shù)，也CBWs相差一個(gè)中心頻率f0回波損耗25dB的Chebyshev濾波器原型5腔Chebyshev，中心頻率939MHz，帶寬28MHz3.3 中心插損的估計(jì) 已知腔體的無(wú)載Q值，可以通過(guò)低通原

7、型的元件值表示濾波器的中心插損 比如上面例子中，如果腔體無(wú)載Q值為2500，則中心插耗為0.34dB。3.4 耦合帶寬的測(cè)量可以通過(guò)反射相位的測(cè)量得到耦合帶寬。 矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀（VNA），測(cè)試S11，Smith圓圖或者極坐標(biāo)圖顯示； 連接待測(cè)濾波器（DUT），將所用腔體短路； 調(diào)節(jié)VNA的時(shí)延（delay）或者相位偏移（phase offset），使中心頻點(diǎn)位于極坐標(biāo)圖0或180 點(diǎn)；測(cè)量的步驟 調(diào)諧第1腔，去除短路，調(diào)整調(diào)諧螺釘，使中心頻率相位有180反轉(zhuǎn)，則第1腔諧振于中心頻率 同時(shí)，原先聚成“球”的頻點(diǎn)會(huì)分散開(kāi)來(lái)，讀出+90和-90的頻點(diǎn)，并得到外部耦合帶寬KE 類(lèi)似地，再調(diào)諧第2腔，去

8、除短路，調(diào)整調(diào)諧螺釘，使中心頻率相位有180反轉(zhuǎn)，則第2腔諧振于中心頻率 同時(shí)，讀出此時(shí)與實(shí)軸相交的點(diǎn)對(duì)應(yīng)的頻率，有3個(gè)交點(diǎn)，分別為f1, f0, f2；各點(diǎn)頻率由小到大； 計(jì)算得到第1和第2腔之間的耦合帶寬K12 類(lèi)似地，再調(diào)諧第3腔，去除短路，調(diào)整調(diào)諧螺釘，使中心頻率相位有180反轉(zhuǎn)，則第3腔諧振于中心頻率 同時(shí)，讀出此時(shí)與實(shí)軸相交的點(diǎn)對(duì)應(yīng)的頻率，有5個(gè)交點(diǎn)，分別為f2, f1, f0 , f3, f4 ； 計(jì)算得到第2和第3腔之間的耦合帶寬K23 類(lèi)似地，再調(diào)諧第4腔，去除短路，調(diào)整調(diào)諧螺釘，使中心頻率相位有180反轉(zhuǎn)，則第4腔諧振于中心頻率 同時(shí)，讀出此時(shí)與實(shí)軸相交的點(diǎn)對(duì)應(yīng)的頻率，有7個(gè)交點(diǎn)，分別為f3, f2, f1, f0 , f4, f5 , f6 ； 計(jì)算得到第2和第3腔之間的耦合帶寬K34 類(lèi)似地，