電感膜片對矩形波導濾波器散射參數的影響

樊瓊星　劉含　黃路

【摘要】：運用微波等效電路理論，分析了內置一組電感膜片的矩形波導濾波器的轉移參量。用Matlab 編程計算發現內置膜片的寬度會影響散射參數的相位和振幅，而膜片放置的位置對散射參數沒有影響。并借助三維電磁場仿真軟件Ansoft HFSS建模分析，對比發現等效電路理論計算結果與軟件仿真的結果相符。

【關鍵詞】：電感膜片 矩形波導 轉移矩陣 散射參數

引言

速調管的瞬時工作帶寬對提高通信、雷達和電子對抗等微波電子系統的抗干擾性能十分重要。它由群聚段的帶寬和輸出段的帶寬兩部分決定，而展寬輸出段的帶寬是實現寬帶速調管的關鍵。輸出段的作用是保證速調管產生的高功率微波通過，傳輸到天線等負載。改善其帶寬的主要方法是在輸出傳輸線中設計濾波器結構。

常用的大功率寬帶速調管濾波器結構通常采用矩形金屬波導作為傳輸線，因其具有傳輸損耗小，功率容量大，工作頻帶窄和工作頻率高等優點。并在波導中放置橫向電感膜片作為濾波電抗元件以改善傳輸帶寬。

本文利用微波等效電路理論，將內置膜片的矩形波導濾波器等效成微波二端口網絡，計算得到二端口網絡的轉移參量。根據網絡參量間的轉換關系式，得到反映傳輸特性的散射參數S21的計算式。并對其進行編程計算，可以得到電感膜片的大小和放置位置對散射參數的影響。

1 等效電路理論分析法

為了保證能量均勻傳輸，本文選擇在波導的對稱位置插入大小相等的膜片。其結構如圖1所示。其中l為兩組膜片的間距，d為兩膜片之間的窗口寬度，a和b分別為矩形波導橫截面的寬邊與窄邊尺寸。

對比圖7和圖8：在窗口寬度一定的情況下，改變波導長度，散射參數S21的模值不變但相位變化。即膜片兩邊波導的長度選取對S21幅度沒有什么影響，只會影響其相位。這些仿真分析結果與理論計算結果相符。

結論

運用微波等效電路的近似方法，分析了電感膜片的大小和放置位置對散射參數S21的影響。由HFSS仿真分析得到波導長度的變化不會影響散射參數S21的模值，但波導部分長度的變化會引起入射波相位的改變，所以S21的相位會發生變化。而窗口寬度的變化會使散射參數的模值和相位發生改變。軟件仿真分析的結果與等效電路理論計算結果基本一致。本文的研究結果對高頻、高功率微波真空器件所用矩形波導的設計具有一定的參考意義。

在X波段內，圓弧膜片的電納比相等面積的直膜片的電納小的多，其電納隨頻率的變化也比直膜片小的多[9]。相對于電感直膜片，圓弧膜片比直膜片更容易實現寬頻帶。后續會在本文的研究基礎上分析圓弧膜片的位置和大小對濾波器帶寬的影響。

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基金項目：安徽省2017年國家級大學生創新訓練項目（201711305016）：帶電感膜片的矩形波導濾波器的傳輸特性