一種新型雙模波導濾波器的設(shè)計

柳浩，李勝先

（中國空間技術(shù)研究院西安分院 陜西 西安 710000）

一種新型雙模波導濾波器的設(shè)計

柳浩，李勝先

（中國空間技術(shù)研究院西安分院 陜西 西安 710000）

基于非諧振節(jié)點理論，提出了一種結(jié)構(gòu)緊湊的波導濾波器。通過非諧振節(jié)點級聯(lián)TM雙模方腔，利用諧振和非諧振模式使每個腔可產(chǎn)生兩個反射和兩個傳輸零點，進而濾波器整體實現(xiàn)N階N個有限傳輸零點，而不需要源和負載的直接耦合。據(jù)此設(shè)計了一個Ku波段波導濾波器，HFSS仿真結(jié)果表明，在保證良好性能的情況下，結(jié)構(gòu)設(shè)計更為緊湊，體積減小到傳統(tǒng)矩形TE雙模波導濾波器的1/4。

波導濾波器；非諧振節(jié)點；TM模；非諧振模式

波導濾波器在插入損耗和功率容量方面性能優(yōu)良，但其體積較大，重量較重。雙模技術(shù)有效地緩解了這個問題，廣泛應用于衛(wèi)星。傳統(tǒng)的雙模結(jié)構(gòu)采用圓波導中的正交極化簡并TE11n模[1]和矩形波導中的簡并TE011模[2]，傳輸零點數(shù)受限于濾波器的階數(shù)，尤其對于高階。與TE模式相比，TM模式更能有效地利用諧振腔容積[3]，并且克服傳輸零點數(shù)目的限制。

文中結(jié)合雙模技術(shù)和TM模式的優(yōu)點，采用方腔結(jié)構(gòu)，提取高次模作為諧振模式，次高次模作為非諧振模式[4]，選取合適的結(jié)構(gòu)級聯(lián)相鄰諧振腔，實現(xiàn)類橢圓函數(shù)濾波響應。與傳統(tǒng)TE雙模波導濾波器相比，進一步縮小了尺寸，并且實現(xiàn)了N階N個有限傳輸零點，提高了選擇性。傳輸零點受各個級聯(lián)單元獨立控制，便于設(shè)計和調(diào)試。

1　TM雙模方腔特性

1.1TM傳輸模特性

TM模的磁場分量[5]如式（1），

1.2TM雙模方腔的特性

選擇適當?shù)墓ぷ黝l率，高次模TM模也能成為能量的傳輸載體。文中采用方形諧振腔，如圖1。

圖1　TM雙模方腔

使用簡并的和諧振模式，其諧振頻率如式（2）：

由式知諧振頻率與腔體厚度無關(guān)，厚度選擇小于四分之一波導波長有效的避免TE模在通帶的諧振即可[6]。輸入輸出分別與TM120和TM210耦合，切角微擾使原本正交的TM120和TM210相互耦合。同時非諧振模式TM110也會被激勵起來，額外開辟一條傳播電磁能量的路徑，即輸入和輸出的旁路直接耦合[7]。磁場耦合如圖2。

圖2　磁場耦合

2　TM雙模方腔諧振器與級聯(lián)結(jié)構(gòu)分析

本節(jié)通過分析和仿真結(jié)果，說明方腔諧振器和級聯(lián)結(jié)構(gòu)對濾波性能的影響。

2.1方腔結(jié)構(gòu)尺寸參數(shù)對性能的影響

方腔結(jié)構(gòu)如圖1，膜片耦合縫隙的尺寸Ia和Ib，控制腔體輸入輸出耦合系數(shù)的大小，進而主要影響通帶帶寬。

當輸入輸出處在諧振腔相接面的中心位置處，即Sx=Sy= 0，不會激勵起非諧振模式TM110，響應曲線如圖3虛線；當輸入輸出偏離中心位置時，即Sx=Sy≠0，響應曲線如圖3實線。輸入輸出相對諧振腔中心的偏移量Sx和Sy控制產(chǎn)生全極點響應或類橢圓函數(shù)響應。輸入輸出相對切角的不同位置控制著輸入輸出耦合的正負（相對于其他耦合），為負時產(chǎn)生一對有限傳輸零點，為正時產(chǎn)生一對改善群時延的虛數(shù)零點。

圖3　全極點型和橢圓函數(shù)型諧振腔HFSS仿真

偏移量Sx=Sy≠0大小控制著零點相對于通帶的距離，如圖4，Sx=Sy增大，零點靠近通帶；當Sx=Sy>L/4，繼續(xù)增大時，零點遠離通帶。

圖4　不同Sx/Sy的TM雙模諧振腔HFSS仿真

如2.2所述，諧振腔體的厚度Rc不影響中心頻率，Rc減小有利于濾波器整體體積減小和抑制TE模式的諧振，但是Rc減小時，諧振腔的無載Qu值減小，如圖5，本文選用Rc= 4mm，此時Qu=5 200，Qu較傳統(tǒng)TE雙模波導諧振腔減小了1/2（較傳統(tǒng)TE101單模波導諧振腔減小了1/4），而腔體厚度較TE單/雙模減小了3/4。

圖5　不同諧振腔厚度Rc的Qu值仿真

2.2級聯(lián)結(jié)構(gòu)分析

文中選用四分之波導波長腔級聯(lián)相鄰諧振腔[8]，如圖6（a）中間部分，級聯(lián)腔作歸一化變換器，其兩側(cè)與耦合縫相鄰的平面作為非諧振節(jié)點[9]，拓撲如圖6（b），矩形和圓圈分別表示諧振節(jié)點和非諧振節(jié)點。

圖6　4階TM雙模方腔濾波器的結(jié)構(gòu)和拓撲

膜片不連續(xù)處有一個感性的效果，因其隨頻率變化慢，所以在窄帶情況下可以看作非諧振節(jié)點，特點是：每一個諧振腔可以獨立控制其自身產(chǎn)生的零點位置，有利于降低對加工精度的敏感性。

3　TM雙模波導濾波器設(shè)計

設(shè)計了一個Ku四階帶通波導濾波器，結(jié)構(gòu)如圖，中心頻率12 GHz，帶寬100 MHz，回波損耗-20 dB，歸一化有限傳輸零點j*[2.4，-2.4，3.6，-3.6]。耦合矩陣綜合[10]如式（3），將級聯(lián)部分的耦合M45歸一化為1，與實際結(jié)構(gòu)對應，簡化設(shè)計。耦合矩陣響應如圖7虛線。

首先由耦合矩陣設(shè)計每個TM雙模方腔，使其所產(chǎn)生傳輸零點在預期位置，然后通過四分之波導波長和膜片級聯(lián)各個諧振腔，級聯(lián)波導的長度要考慮耦合縫隙的負載效應，有助于濾波器整體的優(yōu)化。輸入輸出接口為BJ100波導。HFSS仿真結(jié)果如圖8實線。

圖7　4階TM雙模方腔濾波器HFSS仿真

對比圖7中的耦合矩陣響應和HFSS仿真曲線，帶寬和兩對傳輸零點位置有待進一步整體優(yōu)化。所設(shè)計濾波器整體尺寸為28.5 mm*28.5 mm*24 mm，長度縮減到傳統(tǒng)TE雙模波導濾波器的1/4。

4　結(jié)束語

文中提出了一種新型的濾波器結(jié)構(gòu)，將TM雙模方腔應用于濾波器的設(shè)計中。由于波導的TM模式具有波型指數(shù)可以為零的特點，其諧振頻率不受諧振腔體厚度的限制，可以有效減小波導濾波器體積和重量。單個諧振腔利用非諧振模式開辟額外的電磁能量傳輸路徑，實現(xiàn)一對有限傳輸零點，提高了濾波選擇性。非諧振節(jié)點方式級聯(lián)相鄰諧振腔實現(xiàn)了N階N個傳輸零點而不需要源和負載的直接耦合。最后設(shè)計了一個4階Ku波段TM雙模方腔波導濾波器，HFSS仿真驗證了其實用性和有效性。

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Design of a novel dual-mode waveguide filter

LIU Hao，LI Sheng-xian
（China Academy of Space Technology（Xi'an），Xi’an 710000，China）

A compact waveguide filter is introduced in this paper，that is based on the theory of nonresonating nodes.TM dualmode quadrate cavities are cascaded by nonresonating nodes.Such a cavity employs both resonant and nonresonating modes so as to provide two reflection and two transmission zeros.Then the Nth-order filter provides N transmission zeros without the direct coupling between the source and load.A Ku band waveguide filter is designed.The HFSS simulation results indicate that the structure is more compact and the size is the quarter of the rectangle TE dual-mode waveguide filters with excellent performance.

waveguide filter；nonresonating node；TM mode；nonresonating mode

TN713

A

1674－6236（2016）21-0135-03

2015-10-13稿件編號：201510076

柳 浩（1990—），男，陜西西安人，碩士研究生。研究方向：空間微波無源技術(shù)。