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 蚌埠學院 電子與電氣工程學院 安徽蚌埠 233000

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。

圖1 矩形波導電感膜片濾波器示意圖

圖2 圖1的等效電路

由微波等效理論可知，在微波傳輸系統中插入一系列不均勻區，適當選取參考面后，其等效電路就是一串首尾相連的二端口網絡。常取的參考面是距離為λg/2整數倍的遠區。圖1模型的等效電路可以看作是兩段長度分別為l1和l2的均勻傳輸線與電納的級聯，如圖2所示。它的歸一化轉移矩陣為：

計算可得：

A參量和S參量都可以描述二端口網絡的特性，彼此之間可以相互換算。由二者的換算得到S21：

代入式（2）整理可得：

2 Matlab編程計算S21

本文矩形波導濾波器工作頻率取f = 9.80GHz，波導橫截面尺寸為20mm×8.3mm，橫向電感膜片厚度t =1.5mm，波言編程計算了散射參數S21隨波導長度l和窗口寬度d的變化關系。

(1)在窗口寬度d=6mm時，用Matlab編程計算散射參數S21隨波導長度的變化。

表1 Matlab計算的S21的數值

由表1可知：波導長度從20mm增大到70mm時，S21的模值不變，相位變化。

(2) 在d和l取定值，f從9.5GHz增大到10.1GHz時，S21的模隨f的增大而增大。圖3是d取不同值時S21的模隨f的變化關系。

圖3 d取不同值時S21的模隨頻率變化圖

3 S21的仿真分析

三維電磁場仿真軟件HFSS可以計算散射參量S[8。選擇激勵端口后，一次仿真就可以得到該端口對其他所有端口的耦合。對于無耗二端口網絡結構，S參量具有對稱性，整個S參量可以由一個端口得到。文中研究的模型，激勵端口的設置如圖4。

圖4 端口的設置

(1)l取定值時，S21隨窗口寬度d變化關系

根據波導橫截面尺寸和內置膜片的尺寸建立模型，在l=60mm的情況下，改變窗口寬度d的大小，得出圖5和圖6：

圖5 d=8mmS21模值和相位隨頻率變化的曲線

圖6 d=10mmS21模值和相位隨頻率變化的曲線

由圖5和6可知：在波導長度一定的情況下，隨著窗口寬度d的變化，S21的模值和相位都變化。

(1)d取定值時，S21隨波導長度l變化關系

在d=12mm的情況下，改變波導長度l的大小，得出圖7和圖8：

圖7 l=48mm S21模值和相位隨頻率變化的曲線

圖8 l=60mm S21模值和相位隨頻率變化的曲線

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。