Ka頻段高功率超窄帶帶通濾波器設(shè)計(jì)

劉海旭

(中國電子科技集團(tuán)公司第二十七研究所，鄭州450047)

Ka頻段高功率超窄帶帶通濾波器設(shè)計(jì)

劉海旭*

(中國電子科技集團(tuán)公司第二十七研究所，鄭州450047)

針對某型號設(shè)備需要，設(shè)計(jì)了一種Ka頻段高功率、超窄帶濾波器，采用圓波導(dǎo)高次模結(jié)構(gòu)，利用耦合矩陣系數(shù)法，結(jié)合三維電磁場仿真對濾波器進(jìn)行了分析，優(yōu)化出結(jié)構(gòu)尺寸，給出了該濾波器的仿真結(jié)果，并對該濾波器在常壓和真空環(huán)境下所能承受的功率進(jìn)行了近似分析，最終設(shè)計(jì)了一款相對帶寬約0.1%的Ka頻段高功率超窄帶帶通濾波器，經(jīng)過調(diào)試，整個(gè)通帶插入損耗小于0.4 dB，帶內(nèi)駐波小于1.25，帶內(nèi)平坦度小于0.2 dB，與仿真計(jì)算結(jié)果基本一致。

Ka頻段;高次模;高功率;超窄帶;耦合矩陣

作為一種基本的微波元器件，波導(dǎo)帶通濾波器廣泛用于各種微波系統(tǒng)中，如衛(wèi)星通信系統(tǒng)、電子對抗系統(tǒng)、雷達(dá)系統(tǒng)等［1-3］。對于Ka頻段波導(dǎo)帶通濾波器，設(shè)計(jì)過程中多采用圓波導(dǎo)E面鰭線式、波導(dǎo)膜片或電感棒式［4-6］，但對于超窄帶通帶帶通濾波器，特別是相對帶寬小于1%的濾波器而言，上述方案即呈現(xiàn)出明顯的缺陷:通帶損耗較大，很多微波系統(tǒng)難以接受;耦合尺寸很小，結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)困難。另外，圓波導(dǎo)帶通濾波器一般采用波導(dǎo)基模作為工作模式，設(shè)計(jì)出的濾波器功率容量相對較低。本文依據(jù)模式耦合系數(shù)矩陣，利用圓柱諧振腔高次模作為工作模式，提出了一種相對帶寬極窄通帶的波導(dǎo)帶通濾波器設(shè)計(jì)方法，相對帶寬不足0.1%，不僅降低了加工難度，而且大大提高了濾波器功率容量。

1 濾波器設(shè)計(jì)

1.1 理論分析

對于任意一個(gè)包含N個(gè)諧振器的二端口無耗網(wǎng)絡(luò)，其傳輸函數(shù)和反射函數(shù)可以表示為如下的N節(jié)代數(shù)式:

式中:EN(ω)為濾波器輸入信號多項(xiàng)式，PN(ω)為濾波器輸出信號多項(xiàng)式，F(xiàn)N(ω)為濾波器反射信號多項(xiàng)式，ω是實(shí)頻變量，它與復(fù)頻變量的關(guān)系為:s= jω，對于廣義切比雪夫函數(shù)，ε是一個(gè)常數(shù)，由下式定義:

式中，RL是回波損耗(單位:dB)，并假定式中所有多項(xiàng)式歸一化，以使其最高次系數(shù)是單位1，ε11(ω)和ε12(ω)具有相同分母εN(ω)，其中多項(xiàng)式包含了傳輸零點(diǎn)。圖1是N節(jié)濾波網(wǎng)絡(luò)示意圖，與其等效的電路圖如圖2所示。根據(jù)等效電路法和級聯(lián)網(wǎng)絡(luò)傳遞矩陣可以分析濾波器的傳輸反射特性［7］。我們這里采用另一種方法。

圖1 N節(jié)濾波器網(wǎng)絡(luò)示意圖

圖2 N節(jié)濾波器網(wǎng)絡(luò)等效電路圖

根據(jù)雙端口等效網(wǎng)絡(luò)理論和前面的傳輸和反射多項(xiàng)式可以推導(dǎo)出網(wǎng)絡(luò)的導(dǎo)納函數(shù)［YN］。圖3是交叉耦合帶通網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)示意圖。圖3中電路原型的耦合系數(shù)和網(wǎng)絡(luò)端口阻抗假設(shè)是不隨頻率變化，通過低通原型到帶通原型的變換，依照Cameron［8］R J在1999年文章中給出的方法，根據(jù)給出的具體要求，最終可以綜合出滿足指標(biāo)的濾波器耦合系數(shù)矩陣M。

圖3 濾波器耦合網(wǎng)絡(luò)示意圖

本文所設(shè)計(jì)Ka頻段窄帶帶通濾波器的主要電性能指標(biāo)為:中心頻率f0工作帶寬35 MHz，帶內(nèi)中心頻率處插入損耗低于0.6 dB，帶內(nèi)35 MHz范圍內(nèi)損耗起伏不超過0.3 dB，帶外f0±60 MHz處抑制應(yīng)大于25 dB。帶內(nèi)駐波小于1.25;接口為BJ320標(biāo)準(zhǔn)波導(dǎo)法蘭。根據(jù)指標(biāo)要求，通過理論分析，選擇4節(jié)Chebyshev濾波函數(shù)，按照前面給出的方法，通過軟件編程計(jì)算出滿足要求的濾波器的耦合矩陣［M］為:

1.2 電磁場仿真及優(yōu)化

根據(jù)要求選擇了圓波導(dǎo)膜片方案來實(shí)現(xiàn)該濾波器，考慮到毫米波頻段產(chǎn)品小型化及功率容量的需求，選用諧振TM211模作為濾波器中的諧振模式，記過初步計(jì)算及仿真，單個(gè)諧振腔模型結(jié)構(gòu)及電場分布如圖4所示。

圖4 諧振腔TM211模式電場結(jié)構(gòu)

濾波器圓柱諧振腔之間及圓柱諧振腔與矩形波導(dǎo)采用矩形耦合口級聯(lián)，濾波器輸入輸出接口采用BJ320標(biāo)準(zhǔn)法蘭，l1，l2，l3，l4分別為相應(yīng)諧振腔長度，r為諧振腔半徑，整個(gè)濾波器結(jié)構(gòu)示意圖如圖5所示。

圖5 濾波器結(jié)構(gòu)模型

在確定單個(gè)諧振腔大小以后，根據(jù)耦合矩陣系數(shù)［M］，經(jīng)過電磁場優(yōu)化仿真，可以初步得出滿足耦合系數(shù)的耦合窗結(jié)構(gòu)尺寸。按照圖4將矩形波導(dǎo)及圓柱腔進(jìn)行級聯(lián)，對濾波器進(jìn)行整體結(jié)構(gòu)仿真，并對濾波器耦合窗高度h、寬度w、厚度d及圓柱腔的尺寸進(jìn)行適當(dāng)調(diào)整，最終得到濾波器尺寸(mm): l1=16.87，l2=17，l3=17，l4=16.87，r=5.1，h=1.00，w1=3.23，w2=2.22，w3=2.30，w4=2.52，w5=3.43，d=0.5 mm，濾波器最終仿真結(jié)果如圖6所示。

圖6 濾波器仿真結(jié)果

2 加工及測試

工作頻段高和通帶帶寬極窄等特點(diǎn)導(dǎo)致了波導(dǎo)濾波器對結(jié)構(gòu)尺寸非常敏感，進(jìn)行精細(xì)加工及組裝已非常必要。濾波器分成矩形波導(dǎo)節(jié)，圓波導(dǎo)節(jié)，膜片窗口，調(diào)諧螺釘分別進(jìn)行加工，加工精度要求控制在±0.02mm，表面鍍銀處理，加工完成后，按順序用螺釘將圓柱腔及膜片緊固連接，保證安裝過程中濾波器內(nèi)部腔體無污染。加工組裝后實(shí)物照片如圖7所示。

圖8為調(diào)試后樣件的測試結(jié)果，與圖6仿真結(jié)果比較，發(fā)現(xiàn)測試結(jié)果與仿真計(jì)算曲線基本一致，中心頻率的插入損耗約0.35 dB，帶內(nèi)35 MHz的幅頻起伏小于0.2 dB，帶外f0±60 MHz處抑制均大于25 dB，完全滿足設(shè)計(jì)要求。

圖7 濾波器實(shí)物照片

圖8 濾波器測試結(jié)果

3 濾波器功率容量估算

當(dāng)濾波器輸入功率為P=1 W時(shí)，濾波器電場強(qiáng)度分布圖如圖9所示。濾波器最大場強(qiáng)為5.86× 104V/m，又P∝E2，可有公式［9］

圖9 輸入功率1W時(shí)濾波器電場分布圖

初略計(jì)算理想情況下濾波器功率容量。Emax為常壓下空氣擊穿電場，當(dāng)空氣擊穿電場Emax=2.96× 106V/M時(shí)，濾波器可承受的最大功率Pmax可達(dá)2 500W;在抽真空下濾波器可承受的更高功率。

4 結(jié)論

提出了一種Ka頻段高功率、超窄帶濾波器設(shè)計(jì)方法，采用圓波導(dǎo)高次模結(jié)構(gòu)，利用耦合矩陣系數(shù)法，結(jié)合三維電磁場仿真對濾波器進(jìn)行了分析，優(yōu)化出結(jié)構(gòu)尺寸，給出了該濾波器的仿真結(jié)果，并對所能承受的功率進(jìn)行了簡單分析，設(shè)計(jì)了一款相對帶寬約0.1%的Ka頻段高功率超窄帶帶通濾波器，經(jīng)過調(diào)試、測試，整個(gè)通帶插入損耗小于0.4 dB，帶內(nèi)駐波小于1.25，帶內(nèi)平坦度小于0.2 dB，測試結(jié)果與仿真計(jì)算結(jié)果基本一致。

［1］甘本祓，吳萬春.現(xiàn)代微波濾波器的結(jié)構(gòu)與設(shè)計(jì)［M］.北京:科學(xué)出版社，1974:276-291.

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劉海旭(1984-)，男，山東菏澤人，碩士研究生，工程師，主要研究方向?yàn)楦吖β饰⒉o源器件及固態(tài)微波功率放大器電路設(shè)計(jì)，liuhaixu05@163.com。

Design of High Power Super Narrow-Band Pass-Band Filter in Ka Band

LIU Haixu*

(The 27th Research Institute of CETC，Zhengzhou 450047，China)

A kind of high power super narrow-band pass-band filter in Ka band has been designed by matrix theory analysis and 3D EM simulating high-mode for some system needs in this text.The relative band of the filter is 0.1%and max insert-loss0.4 dB，VSWR 1.25，flatness in band 0.2 dB.The sample has been produced according to the dimension of simulating，and assembled and adjusted.The power capacity of the filter has been analyzed simply in normal atmosphere and in vacuum.At last，the result ofmeasuring is the same with simulating entirely and comes to our expect.

Ka band;high-mode;high power;narrow-band;couplingmatrix

C:1270

10.3969/j.issn.1005－9490.2017.01.008

TN713.5;TN620

:A

:1005－9490(2017)01－0040－03

2016-02-02修改日期:2016-04-06