一種電容加載寬帶波導濾波器

黃曉麗，李 磊，馮文文，李祥菊，孟 儒

(中國電子科技集團公司第三十八研究所，合肥 230088)

0 引 言

由于信息產業和無線通信系統的蓬勃發展，微波頻帶出現相對擁擠的狀態。為了合理利用頻帶資源，相關部門出臺了更詳細的規定，分配到各類通信系統的頻率間隔越來越密。這對微波、毫米波收發信機中前端無源器件的性能指標提出了更高的要求，比如更好的矩形系數以抑制各種干擾信號，更小的插入損耗以降低系統對信號的衰減等。波導濾波器由于其插入損耗小、功率容量大、工作頻段高、容易大批量生產等特點，在通信系統中得到廣泛的應用。

本文在膜片波導濾波器基礎上加載電容，使濾波器具有更寬的帶寬、更好的矩形系數。

1 濾波器的基本理論

設計帶通濾波器應先選定低通原型濾波器，根據阻帶響應選定低通原型濾波器阻帶衰減特性曲線。曲線對應所需要的濾波器階數為n。由n值查表可得原型值g0、g1、…、gn+1。低通到帶通近似變換為

(1)

(2)

(3)

對于膜片厚度t=0或者厚度相對波長可忽略不計的膜片，在所設計的帶通濾波器中，λg0、λg1、λg2分別為頻率f0、f1、f2的波導波長，f1、f2為通帶邊緣頻率，f0為中心頻率。

圖1為波導濾波器等效網絡。圖中，Z0A和Z0B分別為輸入、輸出阻抗，Z0為波導的特性阻抗，Kj,j+1(j=0,1,2,...,n)分別為濾波器各節的阻抗變化器，λg為波導波長。該波導濾波器中以λg/2波導為串聯諧振器，以膜片窗口為并聯耦合電感。

圖1 波導濾波器等效網絡

帶通濾波器可由低通原型演變而成，經過頻率變化得到其串聯諧振設計公式，最后通過波導結構實現。[1]各級阻抗變換器K與低通gn元件值的關系如下[2]：

(4)

(5)

式中，fBW為相對帶寬，Mmn為耦合矩陣。

再根據S矩陣級聯及網絡綜合[3]，得到S21和K的關系：

(6)

建立各波導枝節的S參數和阻抗變化系數K的關系，得出達到所需濾波器響應的S參數理論值，然后通過建模仿真使S參數仿真值與理論值匹配，從而確定濾波器的尺寸。

2 電容加載的基本理論

圖2為一般傳輸線和加載電容的傳輸線。

圖2 (a)傳輸線

圖2 (b)電容加載傳輸線

利用傳輸線的矩陣和簡單的運算，可以得到上述兩根傳輸線在滿足以下條件時等效：

(7)

(8)

從式(7)可以看到，Z≥Z0。由式(8)可知，當2βl=tan-1(2/βZ0)時βL=π/2，且當βZ0很大時2βL可以比π/2小得多。也就是說，電容加載的傳輸線的長度可以大大縮短[4]。

3 濾波器的設計及仿真分析

本文設計的是電容加載寬帶波導濾波器，設計的具體指標如下：

中心頻率：f0=19.5 GHz

帶寬：BW=4 GHz

輸入/輸出駐波比：VSWR<1.5

阻帶抑制：≥35 dB，@16.4～16.5 GHz，

@22.5～22.6 GHz

≥85 dB，@24.3～35 GHz

依據上文的基本理論，計算出每一階膜片間的耦合，即各波導枝節的S參數。在仿真軟件中建立如圖3所示的模型，改變膜片長度尺寸使模型的耦合值逼近對應的計算值，從而確定每一階膜片的尺寸。

圖3 濾波器膜片示意圖

膜片波導濾波器由一系列中間開口的電感性膜片通過長度近似為半波長的波導連接而成。通過加載電容的波導代替一般波導來連接這些電感性膜片，從而縮短濾波器的長度，增加濾波器的矩形系數。電容加載柱結構示意圖如圖4所示。

圖4 電容加載柱結構示意圖

圖5所示的是11階的電容加載寬帶波導濾波器。

圖5 電容加載寬帶波導濾波器示意圖

該濾波器的波導口寬邊為a，窄邊為b，膜片的長度為w。加載的矩形柱長為la，寬為lb，高為h。具體尺寸如表1所示。

表1 濾波器的設計參數

如圖6所示，濾波器腔體內的電場主要集中于矩形柱頂端。

圖6 濾波器腔體內電場分布圖

由式(9)可知，該濾波器的功率容量約為3 kW，約為普通傳輸波導功率容量的2.2%。

(9)

式中，P0為仿真功率；E0為仿真場強；Ebr為空氣的擊穿場強，Ebr=30 kV/cm。

根據設計指標，通過電磁仿真軟件仿真及優化此濾波器模型，最終的仿真曲線如圖7所示。通帶為17.4～21.6 GHz，帶內S11小于-20 dB，16.5 GHz處的抑制大于56 dB，22.5 GHz處的抑制大于46 dB，在24.3～35 GHz之間抑制大于91 dB。

圖7 波器仿真曲線圖

4 結束語

本文基于低通原型濾波器變換到帶通濾波器的理論分析，設計了一種電容加載寬帶波導濾波器。該濾波器中心頻率為19.5 GHz，帶寬可達21.5%，帶外抑制好，矩形系數高，功率容量大。根據已有經驗，將加工誤差控制在0.02 mm以內時，該結構濾波器可以直接加工，不需要調試就可以滿足指標要求。