新型雙模濾波器設計

范如東　萬開奇　陳永任　袁杰

摘 要 利用波導具有傳播多種模式的特性實現波導濾波器的小型化。本文中雙模腔體中的諧振塊由兩個呈十字型排列的矩形脊構成，其中一個直角通過倒角變為45°。通過這種結構，兩種簡并模式可以沿著正交方向產生耦合。據此，利用簡并模式及交叉耦合的特點，設計了一種結構新穎的四階雙模脊波導帶通濾波器，中心頻率在13GHz，仿真結果達到理想要求，證明了這種設計的有效性。

關鍵詞 雙模濾波器;交叉耦合;脊波導

中圖分類號： TN713文獻標識碼： A

DOI：10.19694/j.cnki.issn2095-2457.2020.02.015

0 引言

波濾波器在現代通信系統中占據著重要的位置，是用來分離需要頻率信號的重要器件。波導濾波器具有插入損耗低、功率容量大和容易批量生產的特點，由于其工作頻率可以達到毫米波波段，主要用于衛星通訊、電子對抗和雷達系統。所以，波導濾波器的尺寸及重量成為其主要缺點，常利用在一個波導腔的多個諧振模式的多模濾波器[1]來解決這類問題。

諧振腔在對稱條件下，簡并模式之間不存在耦合。簡并模式可以獨立存在。如果通過微擾改變諧振腔的對稱性，諧振腔中簡并模之間將會產生耦合（能量的傳遞）。原來的簡并模式變成兩個頻率接近的諧振模式，這兩個模式不一定相互獨立存在。使用這種概念的雙（多）模濾波器結構已經被提出[2]。可以通過加載一塊矩形脊并旋轉其方向[3]來達到破壞腔體對稱性使簡并模式之間產生耦合，亦可通過加載一個類方形脊[4]的方法。

與相同尺寸的標準矩形波導相比較，脊波導具有更低的主模截止頻率。據此提出了一種結構新穎的緊湊型雙模矩形脊波導濾波器。首先介紹了該雙模濾波器的基本結構，簡單分析了放置方法所產生的場分布情況，給出此濾波器結構得到的拓撲圖及耦合矩陣，利用HFSS軟件建模仿真，得出的仿真結果達到要求。

1 雙模濾波器介紹

1.1 基本結構介紹

該雙模濾波器的基本結構如圖1所示，主要結構呈十字型，其中一個角通過倒45°角破壞對稱性，使簡并模式之間產生耦合。

其諧振模的頻率基本可以用如下公式來近似計算：

c為空間中的光速，l表示諧振塊的橫向長度。由于諧振塊厚度及電磁環境中邊緣效應等因素，實際頻率與公式計算的頻率有一定的偏差。

在雙模濾波器中，諧振塊通常用于實現水平極化和垂直極化。圖1中的45°斜塊就是用來破壞對稱結構，達到使兩個簡并模式之間產生耦合的目的。為了方便觀察電場，運用HFSS仿真軟件產生的兩個模的電場如圖（3.a）所示。若諧振塊沒有斜角，如圖（2）所示，就不能激勵起另一個模式，即不存在雙模狀態，其電場分布如圖（3.b）所示。比較兩圖，可以發現，在十字諧振模塊上倒一個45°的角，能很好地實現一腔雙模。

1.2 耦合拓撲結構分析

十字交叉型諧振模塊，根據不同的放置方式，也可以使簡并模式產生耦合，圖4和圖5分別畫出了兩種放置模式的結構圖及拓撲圖。圖中S和L分別代表源和負載，1，2代表兩個正交的準TEM模。從耦合拓撲結構圖5可以看出，圖4（a）這種結構，源和負載分別與1、2產生耦合，圖4（b）這種結構，源和負載都與1、2發生了耦合，但是，在后期調試的時候，這種結構調試起來十分的麻煩，所以用圖4（a）結構的更具優勢。

然而，不同的輸入輸出結構也會影響到頻率響應情況。若根據圖4（a）這種輸入輸出結構，則其頻率響應曲線如圖7（a）所示;若根據圖6所示結構，其頻率響應如圖7（b）所示。顯然，若要實現帶通濾波器頻率響應，應采用圖4（a）這種輸入輸出結構。圖6這種結構所產生的頻率響應類似于阻帶或者一個雙通帶。

2 設計實例

根據前面提出的分析方法及結構，設計了一個四階雙模濾波器，其指標要求如下：

（1）中心頻率：13GHz

（2）帶? ? ? ?寬：155MHz

（3）帶內回波：≥18dB

（4）帶內插損：≤0.60dB

（5）帶外抑制：f0±200M，L≥25dB

（6）輸入輸出：BJ140標準波導

由于中心頻率兩邊都要求帶外抑制，宜采用CQ結構，取歸一化傳輸零點為-2和2，回波損耗取為-22dB，根據cameron經典耦合矩陣提取理論[5]，很容易求得歸一化耦合矩陣為：

根據此耦合矩陣，建立的仿真模型如圖8所示，其耦合拓撲結構如圖9所示。模型中，兩臂長分別為11.8mm和11.75mm，高度為6.65mm，諧振塊厚度取2mm。不計輸入輸出波導，模型總的大小為16.8mm×37.4mm×7.9mm。仿真結果如圖10所示，S11在帶寬范圍內均≤-20dB，抑制也達到要求。

3 結論

本文研究了十字交叉型諧振塊放置方式對耦合的影響及輸入輸出結構的影響，采用了既能產生交叉耦合又易于調試的結構。該種結構所設計出的雙模濾波器，比傳統雙模濾波器具有更高的Q值，插損更小，也滿足了小型化設計的需求，比傳統的雙模濾波器小接近25%。仿真結果也比較理想，證明了該方法的有效性。

參考文獻

[1]R. J. Cameron， C. M. Kudsia， and R. R. Mansour， Microwave Filters for Communication Systems. Hoboken， NJ： Wiley， 2007.

[2]M. Guglielmi， P. Jarry， E. Keherve， O.Roquebrun and D.Schmitt， A new family of all-inductive dual-mode filters. IEEE Trans. Microwave Theory Tech.， 2001，49：1764-1769.

[3]S. Amari.， F. Seyfert， Design of Dual-Mode Ridge Cavity Filters. Microwave Symposium Digest，2009：1625-1628.

[4]S. Bastioli， L. Marcarcciolli and R. Sorrentino，? A novel class of compact dual-mode rectangular waveguide filters using square ridge resonators. Eur. Micro. Conf. Digest， 2008，38：626-629.

[5]R.J. Cameron， Advanced coupling matrix synthesis techniques for microwave filters. IEEE Trans. Microwave Theory Tech.， 2003，51：1-10.