一種新型雙模波導濾波器的設計

柳浩，李勝先

（中國空間技術研究院西安分院 陜西 西安 710000）

一種新型雙模波導濾波器的設計

柳浩，李勝先

（中國空間技術研究院西安分院 陜西 西安 710000）

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

波導濾波器；非諧振節點；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良，但其體積較大，重量較重。雙模技術有效地緩解了這個問題，廣泛應用于衛星。傳統的雙模結構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]，傳輸零點數受限于濾波器的階數，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目的限制。

文中結合雙模技術和TM模式的優點，采用方腔結構，提取高次模作為諧振模式，次高次模作為非諧振模式[4]，選取合適的結構級聯相鄰諧振腔，實現類橢圓函數濾波響應。與傳統TE雙模波導濾波器相比，進一步縮小了尺寸，并且實現了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單元獨立控制，便于設計和調試。

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

選擇適當的工作頻率，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，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結構分析

本節通過分析和仿真結果，說明方腔諧振器和級聯結構對濾波性能的影響。

2.1方腔結構尺寸參數對性能的影響

方腔結構如圖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控制產生全極點響應或類橢圓函數響應。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），為負時產生一對有限傳輸零點，為正時產生一對改善群時延的虛數零點。

圖3　全極點型和橢圓函數型諧振腔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TE雙模波導諧振腔減小了1/2（較傳統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級聯結構分析

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

圖6　4階TM雙模方腔濾波器的結構和拓撲

膜片不連續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點，特點是：每一個諧振腔可以獨立控制其自身產生的零點位置，有利于降低對加工精度的敏感性。

3　TM雙模波導濾波器設計

設計了一個Ku四階帶通波導濾波器，結構如圖，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），將級聯部分的耦合M45歸一化為1，與實際結構對應，簡化設計。耦合矩陣響應如圖7虛線。

首先由耦合矩陣設計每個TM雙模方腔，使其所產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各個諧振腔，級聯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化。輸入輸出接口為BJ100波導。HFSS仿真結果如圖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化。所設計濾波器整體尺寸為28.5 mm*28.5 mm*24 mm，長度縮減到傳統TE雙模波導濾波器的1/4。

4　結束語

文中提出了一種新型的濾波器結構，將TM雙模方腔應用于濾波器的設計中。由于波導的TM模式具有波型指數可以為零的特點，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，實現一對有限傳輸零點，提高了濾波選擇性。非諧振節點方式級聯相鄰諧振腔實現了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。