P波段腔體濾波器的小型化設計?

湯艷燕,盧曉鵬,2,張玉梅

(1.中國電子科技集團公司第三十八研究所,安徽合肥230088;2.孔徑陣列與空間探測安徽省重點實驗室,安徽合肥230088)

0 引言

眾所周知,濾波器是雷達系統中不可缺少的選頻器件之一。特別是在有源相控陣雷達系統中,DAM中每一個收發通道的后面都需要有一組接收預選[1]和發射濾波器。濾波器性能的好壞,直接影響雷達系統的抗干擾能力、對外雜散和諧波抑制能力。且一部雷達系統對濾波器的用量需求相當大,所以對于P波段雷達系統來說,研制出小體積、重量輕、駐波小、低損耗、高矩形系數和高次諧波抑制能力的濾波器尤為重要。

1 P波段濾波器的選擇與設計原理

由于本濾波器的工作頻率低、功率容量大且技術指標要求苛刻。一般的LC、介質、聲表等濾波器可以實現低頻段的小型化,但很難實現小損耗和大功率;微帶或帶狀線濾波器可實現寬帶和系統要求的大功率,但在P波段很難實現小型化,導致其高次諧波抑制能力差;螺旋腔體濾波器可以實現小型化和大功率,但很難實現寬帶;只有同軸梳狀腔體濾波器可以選擇,但常規的同軸梳狀濾波器也很難實現高次諧波的抑制。而本文中的接收濾波器要求二次諧波、三次諧波都在80 dB以上;發射濾波器考慮到有大功率要求,濾波器的階數不宜過多,否則功率容量會受影響。

通常,同軸腔體帶通濾波器中心導體長度選擇約為λ0/2(λ0為通帶中心頻率對應的波長),特性阻抗Zc為75Ω[2]可實現小損耗,接入點位置離短路面高度為L1。將六腔分解為(1,2),(2,3),(3,4),(4,5),(5,6)五對耦合腔。用5對理想耦合線表示,其單線特性阻抗Z0為75Ω。考慮到實際腔體中存在損耗,耦合線對的奇偶模阻抗分別為(Ze12,Zo12),(Ze23,Zo23),(Ze34,Zo34),(Ze45,Zo45),(Ze56,Zo56),輸入輸出線阻抗為ZIO,構造結構模型如圖1所示。一對互相耦合的同軸腔之間的耦合系數可以用其奇偶模特性阻抗表示為

因此,

奇偶模特性阻抗與特性阻抗Zc之間的關系為

再采用寬帶濾波器設計方法和設計思路[2-3],利用Matlab編程可快速綜合出各設計參數。將初始參數確定后,在高頻設計軟件中建立如圖2所示的仿真模型,得到濾波器的最初設計曲線。再利用其優化功能進行圖3中的各參數優化,優化后尺寸僅僅是常規腔體濾波器尺寸的1/3。七階濾波器仿真結果如圖4所示,七階濾波器實測結果如圖5所示。

七階大功率濾波器大批量生產時指標實現情況:

● 通帶頻率:P波段26%帶寬

● 通帶內插損:≤0.5 dB

● 帶外抑制:≥90 d B@48～223 MHz

≥80 dB@930 MHz～4f0

● 通帶內駐波比:≤1.3

● 通帶內相位一致性:優于±3.0°(大批量)

● 通帶內幅度一致性:≤0.4 d B(大批量)

濾波器矩形系數好,二、三、四次諧波滿足80 dB以上,無需太多調試,指標重復性好。

2 P波段大功率腔體濾波器的小型化實現

圖1 常見的同軸濾波器示意圖

圖2 小型化處理后的濾波器示意圖

圖3 濾波器腔體關鍵尺寸

圖4 濾波器仿真結果

圖5 濾波器駐波和幅頻特性實測曲線

濾波器的結構比一般無源器件復雜,且種類繁多,分析起來較困難。更重要的是,帶通濾波器一般都是諧振結構,由于反復振蕩,諧振器內的電磁場和電流比一般無源器件高許多,隨之造成損耗功率也大得多。尤其在窄帶濾波器的強諧振結構內部,場強往往可以達到端接傳輸線即饋線處的好幾倍。于是,帶通濾波器的功率容量問題和其他無源器件相比變得更為嚴峻和苛刻。帶通濾波器內各諧振器排列順序、擺放位置各不相同,它們所承受的場強和產生的損耗也不均勻,分析帶通濾波器功率容量時必須找到對整體性能影響最大的諧振器,然后再作進一步分析。諧振器內部的電磁波無例外地處于駐波狀態,即諧振器的場分布及熱分布不像一般傳輸器件那樣沿傳播方向是均勻的。于是,不僅應當找到對濾波器性能起最關鍵作用的諧振器,而且應當找到該諧振器內部的場強最大點、最熱點等關鍵位置。另一點值得特別注意的是,傳輸器件的功率容量一般僅隨工作頻率緩慢變化,而帶通濾波器的功率容量隨著自身頻率響應發生快速變化,通帶中心、邊帶、阻帶內的功率承載能力相差懸殊。因此,在預測帶通濾波器功率容量時,不但應當充分利用相應傳輸線結構功率容量評估理論的現有結果,而且應當從帶通濾波器、諧振器本身的特性入手,更有效地抓住濾波器功率容量問題的實質。

本濾波器工作對功率容量要求高,主要考慮的工程因素有:海拔高度,駐波系數,工作環境的溫度、濕度、物品污染。為確保可靠性,再留余量3 d B。發射支路上的濾波器,所需耐功率如下:峰功率2103 W,平均功率694.1 W。

從本濾波器的指標可以分析出,要實現濾波器二、三、四次高次諧波必須要進行諧振器的小型化設計。而P波段的頻率低,諧振器的諧振頻率決定其體積較大,且要滿足2103 W峰功率、694.1 W平均功率要求,所以如何設計濾波器的諧振器成為本濾波器設計重點和難點。

根據系統分析出的功率要求,按式(4)初步設計出諧振器的腔體尺寸,再采用以下方法來減小諧振器的尺寸:

(1)濾波器開路端進行電容加載(功率容量小時諧振器的長度可與加載調諧桿尺寸相當)。

(2)諧振桿和調諧釘之間加耐功率的介質材料,增加濾波器Q值,減小濾波器體積;同時減小調諧釘的加載深度;另外諧振桿和調諧釘之間的距離較小,介質加載避免了外因造成的調諧釘和諧振桿短路。

(3)根據濾波器的帶寬和階數選擇諧振器的形式,一般UIR形適合帶寬寬、階數少的情況,相同帶寬在階數較多的情況下可采用SIR形式[4-5],SIR形式可靈活控制高次諧波和縮減腔體尺寸。

(4)在方法(1)的基礎上進行諧振器的變形,如圖2所示的T形或U形端,T形端面和U形端面與腔體形成大電容,可進一步減小諧振器同軸電容加載深度[6],且本身的散熱效果更好。

采用上述方法實現了P波段濾波器的小型化,從而實現了高次諧波的抑制,且功率容量滿足雷達系統提出的苛刻指標要求。

有關文獻給出了擊穿場強的近似計算公式:

式中:

p為大氣壓強;τp為脈沖寬度;Leff為有效擴散路徑(≈2倍間隙);擊穿場強Ep=2.26×106V/m。

圖6給出了輸入端用2 800 W功率激勵時的強分布結果。圖7給出了P波段大功率濾波器的實物圖。

圖6 2 800 W激勵時濾波器場強分布仿真結果

圖7 大功率濾波器實物圖

3 結束語

本文設計了一種低頻段的大功率腔體濾波器,經過仿真和實測結果對比表明,濾波器實現了結構緊湊、通帶內的插入損耗小且帶外抑制和高次諧波抑制能力強。在P波段實現了濾波器的小型化,高抑制、大功率,很好地滿足了工程上的苛刻指標需求。經過大批量的流水線生產制造,按首件調試后的尺寸重復裝配指標一致性好、調試量少、可靠性高,已經過某雷達系統的充分驗證。

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WU Xiaobao,WANG Bing,ZHENG Shilian,et al.Anti-Jamming Design of RF Digitalized Receiver in VHF Radar[J].Radar Science and Technology,2015,13(2):215-218.(in Chinese)

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[3]MAKIMOTO M,YAMASHITA S.無線通信中的微波諧振器與濾波器[M].趙宏錦,譯.北京:國防工業出版社,2002:13-45.

[4]王云秀.無線通信系統中小型化微帶濾波器的研究[D].成都:電子科技大學,2008:23-25.

[5]WANG Yunxiu,WANG Bingzhong,WANG Jianpeng.A Tri-Section Stepped Impedance Bandpass Filter with Harmonic Suppression[C]∥7th International Conference on ASIC,Guilin:IEEE,2007:592-595.

[6]WANG Y,YU M.True Inline Cross-Coupled Coaxial Cavity Filters[J].IEEE Trans on Microwave Theory and Techniques,2009,57(12):2958-2965.