一種新型Ka頻段高功率容量二次諧波抑制濾波器

陳冠軍，孫振遠，王 雷

（1.中國電子科技集團公司第五十四研究所，河北 石家莊 050081；2.中國人民解放軍32039部隊，北京 102300）

0 引 言

現代雷達和通信系統中為了實現更遠的作用距離和更高的通信速率，要求系統發射鏈路具有更高的輸出功率[1]。但是高輸出功率必然伴隨著過高的諧波功率，為了避免或者降低諧波輸出對周圍電磁環境的干擾，諧波抑制濾波器已經成為雷達系統和通信系統的重要器件之一[2]。諧波抑制濾波器必須安裝于大功率設備輸出端，才能起到良好的諧波抑制作用，這就要求濾波器具備較高的功率容量[3]。毫米波頻段諧波抑制濾波器為了有效抑制二次諧波需要增加金屬加載的等效電容，當通過功率較大時，金屬加載附近的電場強度較強，容易導致電場擊穿。如何提高毫米波頻段諧波抑制濾波器的功率容量成為一個設計難題。

本文提出一種基于波導E-T結和矩形波導濾波器相結合的結構形式，采用功率分配合成原理和諧波抑制濾波器原理，將濾波器的功率容量提升到原濾波器的兩倍，并通過了Ka頻段連續波60 W的平均功率驗證。濾波器功率容量可以根據實際需求通過增加功率分配/合成路數的方式進一步提升。Ka頻段諧波抑制濾波器具有插入損耗低、小體積、功率容量高、易于加工調試等優點。

1 理論分析

本文所論述的高功率容量諧波抑制濾波器是通過波導E-T結功率分配/合成結構實現功率容量的擴增，波導E-T結功率分配/合成器由一段信號輸入/輸出主波導及從該波導寬邊延伸出來的分支波導構成，其分支波導的傳輸方向平行于主波導的TE10模的電場方向，這種串聯分支其結構可以看作一種無耗三端口網絡。

假設主波導端口為端口1，而兩個分支波導端口分別為端口2、3。當射頻信號由端口1輸入時，信號將從端口2和3等幅反相輸出，該結構作為功分器使用；作為合路器使用時，射頻信號由端口2和3同幅反相輸入時，則在端口1合成輸出最大，幅度為兩路之和；而當端口2和3輸入信號同幅同相時，端口1將無信號輸出。由此可得波導E-T結功分器的S參數為[4-7]

從S參數分析可以看出，E-T結是三端口網絡無法同時達到完全匹配，兩個輸出端口之間的隔離度理論值僅有-6 dB，但是其結構簡單且完全對稱，具有體積小、插損低、合成端口駐波好的優良性能，常用于功率合成。

矩形波導諧振腔與LC回路在微波頻段的作用較為類似，但不同于LC回路，矩形波導諧振腔在微波傳輸過程中存在高次諧波，這是因為諧振腔有無限個諧振頻率與無限個振蕩模式。而LC回路因其有限的振蕩模式與諧振頻率，不存在這種問題。為消除高次諧波，需通過調整矩形波導諧振腔的結構來抑制諧波的傳輸[8,9]。

矩形波導空腔傳輸有多種模式，實際傳輸條件下，矩形波導多采用TE10模式單模工作，其模式表達式為[10-12]

截止頻率和截止波長的計算公式分別為[13]

通過諧振器尺寸調節可以抑制高次模式，保證單模傳輸，而采用金屬加載結構使其Q值改變，不僅可以使高次模式遠離所需的頻段或者實現阻帶向高頻方向延伸，還增大了功率容量，從而設計出工程所需的具有諧波抑制功能的高功率容量濾波器[15]。

2 建模及電磁特性仿真

在上述理論分析的基礎上，利用仿真軟件HFSS對模型進行建模并仿真。首先建立波導E-T結三維模型，仿真結果在25.25～27.5 GHz頻率范圍內，回波損耗大于30 dB，兩端口信號輸出一致性良好，插損小于0.1 dB，可用于功率合成實現功率擴展。

對諧波抑制濾波器三維模型進行電磁性能進行仿真，在通帶25.25～27.5 GHz頻率范圍內插入損耗小于0.1 dB，回波損耗大于18 dB，二次諧波頻率范圍內的抑制度大于69 dB。

以上兩種結構仿真完成后進行級聯，可以將功率容量擴展至單濾波器的兩倍。對級聯后的三維模型進一步優化，高功率容量諧波抑制濾波器三維模型如圖1所示。

圖1 高功率容量諧波抑制濾波器三維結構

由HFSS仿真結果，在通帶25.25～27.5 GHz頻率范圍內插入損耗有所增加但是仍小于0.3 dB，回波損耗依然保持高于16.5 dB，二次諧波頻率范圍內的抑制度大于80 dB。

3 實物測試

在理論指導和優良的電磁特性仿真結果支撐下進行實物加工，高功率容量二次諧波抑制濾波器實物如圖2所示，測試結果如圖3所示。

圖2 高功率容量二次諧波抑制濾波器實物圖

圖3 濾波器諧波抑制測試與傳輸特性測試結果

從測試結果可以看出，在通帶頻率范圍內，插損低于0.6 dB，回波損耗約為20 dB，在二次諧波頻率范圍內抑制度約為50 dB，性能指標優良，且經過了連續波60 W長時間功率測試。

4 結 論

本文主要介紹了一種基于波導E-T結功率分配合成網絡和濾波器相結合的結構形式，既實現了Ka頻段的二次諧波抑制，又擴展了濾波器的功率容量。通過此思路進行二進制波導功率分配/合成網絡的級聯，可以進一步擴展濾波器的功率容量。這種濾波器結構簡單，易加工，最重要的是方便調試，具有良好的工程應用價值。