一種電容加載寬帶波導(dǎo)濾波器

黃曉麗，李 磊，馮文文，李祥菊，孟 儒

(中國(guó)電子科技集團(tuán)公司第三十八研究所，合肥 230088)

0 引 言

由于信息產(chǎn)業(yè)和無線通信系統(tǒng)的蓬勃發(fā)展，微波頻帶出現(xiàn)相對(duì)擁擠的狀態(tài)。為了合理利用頻帶資源，相關(guān)部門出臺(tái)了更詳細(xì)的規(guī)定，分配到各類通信系統(tǒng)的頻率間隔越來越密。這對(duì)微波、毫米波收發(fā)信機(jī)中前端無源器件的性能指標(biāo)提出了更高的要求，比如更好的矩形系數(shù)以抑制各種干擾信號(hào)，更小的插入損耗以降低系統(tǒng)對(duì)信號(hào)的衰減等。波導(dǎo)濾波器由于其插入損耗小、功率容量大、工作頻段高、容易大批量生產(chǎn)等特點(diǎn)，在通信系統(tǒng)中得到廣泛的應(yīng)用。

本文在膜片波導(dǎo)濾波器基礎(chǔ)上加載電容，使濾波器具有更寬的帶寬、更好的矩形系數(shù)。

1 濾波器的基本理論

設(shè)計(jì)帶通濾波器應(yīng)先選定低通原型濾波器，根據(jù)阻帶響應(yīng)選定低通原型濾波器阻帶衰減特性曲線。曲線對(duì)應(yīng)所需要的濾波器階數(shù)為n。由n值查表可得原型值g0、g1、…、gn+1。低通到帶通近似變換為

(1)

(2)

(3)

對(duì)于膜片厚度t=0或者厚度相對(duì)波長(zhǎng)可忽略不計(jì)的膜片，在所設(shè)計(jì)的帶通濾波器中，λg0、λg1、λg2分別為頻率f0、f1、f2的波導(dǎo)波長(zhǎng)，f1、f2為通帶邊緣頻率，f0為中心頻率。

圖1為波導(dǎo)濾波器等效網(wǎng)絡(luò)。圖中，Z0A和Z0B分別為輸入、輸出阻抗，Z0為波導(dǎo)的特性阻抗，Kj,j+1(j=0,1,2,...,n)分別為濾波器各節(jié)的阻抗變化器，λg為波導(dǎo)波長(zhǎng)。該波導(dǎo)濾波器中以λg/2波導(dǎo)為串聯(lián)諧振器，以膜片窗口為并聯(lián)耦合電感。

圖1 波導(dǎo)濾波器等效網(wǎng)絡(luò)

帶通濾波器可由低通原型演變而成，經(jīng)過頻率變化得到其串聯(lián)諧振設(shè)計(jì)公式，最后通過波導(dǎo)結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)。[1]各級(jí)阻抗變換器K與低通gn元件值的關(guān)系如下[2]：

(4)

(5)

式中，fBW為相對(duì)帶寬，Mmn為耦合矩陣。

再根據(jù)S矩陣級(jí)聯(lián)及網(wǎng)絡(luò)綜合[3]，得到S21和K的關(guān)系：

(6)

建立各波導(dǎo)枝節(jié)的S參數(shù)和阻抗變化系數(shù)K的關(guān)系，得出達(dá)到所需濾波器響應(yīng)的S參數(shù)理論值，然后通過建模仿真使S參數(shù)仿真值與理論值匹配，從而確定濾波器的尺寸。

2 電容加載的基本理論

圖2為一般傳輸線和加載電容的傳輸線。

圖2 (a)傳輸線

圖2 (b)電容加載傳輸線

利用傳輸線的矩陣和簡(jiǎn)單的運(yùn)算，可以得到上述兩根傳輸線在滿足以下條件時(shí)等效：

(7)

(8)

從式(7)可以看到，Z≥Z0。由式(8)可知，當(dāng)2βl=tan-1(2/βZ0)時(shí)βL=π/2，且當(dāng)βZ0很大時(shí)2βL可以比π/2小得多。也就是說，電容加載的傳輸線的長(zhǎng)度可以大大縮短[4]。

3 濾波器的設(shè)計(jì)及仿真分析

本文設(shè)計(jì)的是電容加載寬帶波導(dǎo)濾波器，設(shè)計(jì)的具體指標(biāo)如下：

中心頻率：f0=19.5 GHz

帶寬：BW=4 GHz

輸入/輸出駐波比：VSWR<1.5

阻帶抑制：≥35 dB，@16.4～16.5 GHz，

@22.5～22.6 GHz

≥85 dB，@24.3～35 GHz

依據(jù)上文的基本理論，計(jì)算出每一階膜片間的耦合，即各波導(dǎo)枝節(jié)的S參數(shù)。在仿真軟件中建立如圖3所示的模型，改變膜片長(zhǎng)度尺寸使模型的耦合值逼近對(duì)應(yīng)的計(jì)算值，從而確定每一階膜片的尺寸。

圖3 濾波器膜片示意圖

膜片波導(dǎo)濾波器由一系列中間開口的電感性膜片通過長(zhǎng)度近似為半波長(zhǎng)的波導(dǎo)連接而成。通過加載電容的波導(dǎo)代替一般波導(dǎo)來連接這些電感性膜片，從而縮短濾波器的長(zhǎng)度，增加濾波器的矩形系數(shù)。電容加載柱結(jié)構(gòu)示意圖如圖4所示。

圖4 電容加載柱結(jié)構(gòu)示意圖

圖5所示的是11階的電容加載寬帶波導(dǎo)濾波器。

圖5 電容加載寬帶波導(dǎo)濾波器示意圖

該濾波器的波導(dǎo)口寬邊為a，窄邊為b，膜片的長(zhǎng)度為w。加載的矩形柱長(zhǎng)為la，寬為lb，高為h。具體尺寸如表1所示。

表1 濾波器的設(shè)計(jì)參數(shù)

如圖6所示，濾波器腔體內(nèi)的電場(chǎng)主要集中于矩形柱頂端。

圖6 濾波器腔體內(nèi)電場(chǎng)分布圖

由式(9)可知，該濾波器的功率容量約為3 kW，約為普通傳輸波導(dǎo)功率容量的2.2%。

(9)

式中，P0為仿真功率；E0為仿真場(chǎng)強(qiáng)；Ebr為空氣的擊穿場(chǎng)強(qiáng)，Ebr=30 kV/cm。

根據(jù)設(shè)計(jì)指標(biāo)，通過電磁仿真軟件仿真及優(yōu)化此濾波器模型，最終的仿真曲線如圖7所示。通帶為17.4～21.6 GHz，帶內(nèi)S11小于-20 dB，16.5 GHz處的抑制大于56 dB，22.5 GHz處的抑制大于46 dB，在24.3～35 GHz之間抑制大于91 dB。

圖7 波器仿真曲線圖

4 結(jié)束語

本文基于低通原型濾波器變換到帶通濾波器的理論分析，設(shè)計(jì)了一種電容加載寬帶波導(dǎo)濾波器。該濾波器中心頻率為19.5 GHz，帶寬可達(dá)21.5%，帶外抑制好，矩形系數(shù)高，功率容量大。根據(jù)已有經(jīng)驗(yàn)，將加工誤差控制在0.02 mm以內(nèi)時(shí)，該結(jié)構(gòu)濾波器可以直接加工，不需要調(diào)試就可以滿足指標(biāo)要求。