一種可用于衛星和空間的微波濾波器

李 程,孫玉發

(安徽大學電子信息工程學院,安徽合肥230601)

0 引言

濾波器是衛星等微波通信設備的重要組成部分。超寬帶濾波器作為濾波器的一個重要類型,具有廣泛的用途和發展前景。常見的超寬帶濾波器多在1GHz左右的特高頻頻段工作且有效工作帶寬最大的不超過10 GHz。到目前為止,能夠在頻率更高的超高頻和極高頻段工作的超寬帶濾波器并不多見[1-3]。

設計了一款能夠在超高頻到極高頻段有效工作的微波濾波器,具有18 GHz的通帶寬度,中心頻率在31 GHz。與目前常見的超寬帶濾波器相比較,在通帶寬度和應用頻帶方面有較大優勢。

1 凸緣波導特性和漸變線理論

凸緣波導又稱脊波導、復式波,是基于矩形波導的一個變形,又有單脊、雙脊和多脊之分[4-5]。單脊波導的結構模型如圖1所示。

矩形波導可以阻斷其截止頻率以下的電磁波并使其截止頻率以上的電磁波通過,即矩形波導導模的截止波長λc大于工作波長λ時才可以傳輸,凸緣波導作為矩形波導的一個變形同樣具有此特性。利用凸緣波導這一截止特性可以實現高通濾波的功能。矩形波導的主模是TE10模,同時還存在TE20等其他高次模。一般希望只傳輸一種模,因為多模的存在會造成較大的能量損耗和信號的失真。由于脊棱的邊緣電容效應,凸緣波導的TE10模的截止頻率較矩形波導低,而高次模如TE20模的截止頻率比矩形波導高,因此在一般的矩形波導的頻帶不到1個倍頻程的情況下,凸緣波導的頻帶可以達到幾個倍頻程,即可以獲得較寬的工作帶寬。

圖1 凸緣波導結構

凸緣波導在TE10模式下的內部電磁場分布與矩形波導類似,不同之處在于在脊棱附近的電場稍有變化。由于受到邊緣電容效應的影響,脊棱與波導上壁之間可以看做有不均勻電容存在。

單位長度凸緣波導的總電容C由平板電容CS和不均勻電容Cd組成。根據文獻[4]平板電容CS為:

式中,ε為介質介電常數;d為平板電容兩平板之間的距離;不均勻電容為:

式中,b為凸緣波導高度。

單位長度總的等效電感是2個等效電感的并聯,可以表示為:

式中,μ為磁導率[4]。

連續凸緣波導和同軸電纜之間可采用阻抗漸變線對兩端不同阻抗進行逐級漸進的阻抗匹配。工程中常見的漸變線有指數漸變線、三角漸變線和切比雪夫漸變線。

指數漸變線是阻抗按照指數規律變化的一種漸變線。在漸變線總長度L一定的情況下,阻抗變化符合下式:

式中,

式中,Z0為漸變前的特性阻抗;ZL為漸變線末端的特性阻抗[5]。

2 高通濾波器的仿真設計

現設計一款截止頻率為22 GHz,有效工作頻帶為22～40GHz,插入損耗小于1 dB,帶外抑制小于-40 dB,回波損耗小于-10 dB的高通濾波器。此濾波器工作帶寬較寬,采用微帶線或金屬膜片結構設計均無法達到設計要求。這里采用凸緣波導形式,兩端集成波導同軸轉換,中間段加入阻抗漸變線以匹配波導與同軸電纜,其結構如圖2所示。

圖2 凸緣波導濾波器結構

連續凸緣波導結構保證了濾波器的工作頻帶寬度,但其特性阻抗較大,如果直接與同軸電纜連接會造成回波損耗過大,影響濾波器的正常工作。為此在濾波器中引入了指數漸變線來匹配凸緣波導和同軸電纜。超高頻段凸緣波導的尺寸非常小,工程實際應用時技術工藝無法實現完整的漸變線,只能取幾個特定的點做阻抗階梯跳變。根據凸緣波導特性阻抗公式[4]計算出凸緣波導的特性阻抗為1192.9 Ω,波導兩端接近同軸電纜處特性阻抗為157.59 Ω。漸變線取5個點來實現1 192.9～157.59 Ω的阻抗變換。根據式(4)和式(5),計算出各個阻抗變換節尺寸與對應的特性阻抗值,如表1所示。

表1 阻抗變換節尺寸和特性阻抗

同時引入坡面脊結構,通過一個平滑的坡面將凸緣波導的脊高度抬升,進一步將凸緣波導的特性阻抗降低至50 Ω,這樣可以獲得和50 Ω同軸電纜良好的匹配。

通過設計目標和上述分析可以計算出總長度為146.2 mm的凸緣波導濾波器的各個具體參數為:波導寬邊長度a=4.55 mm,波導高度b=1.93 mm,脊寬s=1.61 mm,脊高h=1.13 mm。

根據以上所得到的濾波器尺寸,利用目前最流行且仿真結果較準確的2種高頻仿真軟件HFSS和CST軟件進行協同仿真,得到的S參數波形如圖3所示。

圖3 S參數仿真結果

從圖3中可以看出,2種仿真軟件的協同仿真結果吻合度較高。在21.5 GHz以下帶外抑制小于-40 dB,插入損耗小于0.5 dB,回波損耗小于-12 dB,有效工作頻帶為 22～40 GHz,截止頻率22 GHz,各項指標均達到或優于設計要求。仿真結果印證了理論中利用凸緣波導結構設計的濾波器可以獲得較寬工作帶寬的分析。此款高通濾波器工作在超高頻和極高頻段,在保證了插入損耗和帶外抑制的情況下工作帶寬達到了18 GHz,遠遠的超過了其他形式的超寬帶濾波器的工作帶寬,優勢明顯。

3 結束語

介紹了凸緣波導結構超寬帶濾波器的設計過程并通過HFSS和CST仿真軟件協同仿真,仿真結果顯示了該方案的可行性。此濾波器采用波導結構比較穩定,不易受到復雜環境因素的影響,且工作在衛星通信使用的超高頻和極高頻段,適合應用于移動衛星通信和空間通信當中。較高的設計精度要求給濾波器的實際加工增加了難度,但該設計為未來超寬帶濾波技術提供了一種新的思路和方法。

[1]KIRILENKO A.Evanescent-Mode Ridged Waveguide Bandpass Filters with Improved Performance[J].IEEE Transactions on Microwave Theory and Techniques,2002,50(5):1324-1327.

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[3]胡紅虹,肖中銀,高 山.雙模諧振器設計超寬帶濾波器[J].上海大學學報(自然科學版),2009,15(5):461-463.

[4]廖承恩,陳達章.微波技術基礎[M].北京:國防工業出版社,1979:198-204.

[5]柯林R E.微波工程基礎[M].呂繼堯,譯.北京:人民郵電出版社,1981:219-227.

[6]HOPPER S.The Design of Ridged Waveguide[J].IEEE Transactions on Microwave Theory and Techniques,1955,8(3):20-29.