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        新型雙模濾波器設計

        2020-03-23 05:59:17范如東萬開奇陳永任袁杰
        科技視界 2020年2期

        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(xiàn)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(gòu)成,其中一個直角通過倒角變?yōu)?5°。通過這種結(jié)構(gòu),兩種簡并模式可以沿著正交方向產(chǎn)生耦合。據(jù)此,利用簡并模式及交叉耦合的特點,設計了一種結(jié)構(gòu)新穎的四階雙模脊波導帶通濾波器,中心頻率在13GHz,仿真結(jié)果達到理想要求,證明了這種設計的有效性。

        關(guān)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(xiàn)代通信系統(tǒng)中占據(jù)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(chǎn)的特點,由于其工作頻率可以達到毫米波波段,主要用于衛(wèi)星通訊、電子對抗和雷達系統(tǒng)。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(chǎn)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(jié)構(gòu)已經(jīng)被提出[2]。可以通過加載一塊矩形脊并旋轉(zhuǎn)其方向[3]來達到破壞腔體對稱性使簡并模式之間產(chǎn)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(jù)此提出了一種結(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu),簡單分析了放置方法所產(chǎn)生的場分布情況,給出此濾波器結(jié)構(gòu)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(jié)果達到要求。

        1 雙模濾波器介紹

        1.1 基本結(jié)構(gòu)介紹

        該雙模濾波器的基本結(jié)構(gòu)如圖1所示,主要結(jié)構(gòu)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(chǎn)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(huán)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(xiàn)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(jié)構(gòu),達到使兩個簡并模式之間產(chǎn)生耦合的目的。為了方便觀察電場,運用HFSS仿真軟件產(chǎn)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(tài),其電場分布如圖(3.b)所示。比較兩圖,可以發(fā)現(xiàn),在十字諧振模塊上倒一個45°的角,能很好地實現(xiàn)一腔雙模。

        1.2 耦合拓撲結(jié)構(gòu)分析

        十字交叉型諧振模塊,根據(jù)不同的放置方式,也可以使簡并模式產(chǎn)生耦合,圖4和圖5分別畫出了兩種放置模式的結(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)圖5可以看出,圖4(a)這種結(jié)構(gòu),源和負載分別與1、2產(chǎn)生耦合,圖4(b)這種結(jié)構(gòu),源和負載都與1、2發(fā)生了耦合,但是,在后期調(diào)試的時候,這種結(jié)構(gòu)調(diào)試起來十分的麻煩,所以用圖4(a)結(jié)構(gòu)的更具優(yōu)勢。

        然而,不同的輸入輸出結(jié)構(gòu)也會影響到頻率響應情況。若根據(jù)圖4(a)這種輸入輸出結(jié)構(gòu),則其頻率響應曲線如圖7(a)所示;若根據(jù)圖6所示結(jié)構(gòu),其頻率響應如圖7(b)所示。顯然,若要實現(xiàn)帶通濾波器頻率響應,應采用圖4(a)這種輸入輸出結(jié)構(gòu)。圖6這種結(jié)構(gòu)所產(chǎn)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(jù)前面提出的分析方法及結(jié)構(gòu),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(nèi)回波:≥18dB

        (4)帶內(nèi)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(jié)構(gòu),取歸一化傳輸零點為-2和2,回波損耗取為-22dB,根據(jù)cameron經(jīng)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(jù)此耦合矩陣,建立的仿真模型如圖8所示,其耦合拓撲結(jié)構(gòu)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(jié)果如圖10所示,S11在帶寬范圍內(nèi)均≤-20dB,抑制也達到要求。

        3 結(jié)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(jié)構(gòu)的影響,采用了既能產(chǎn)生交叉耦合又易于調(diào)試的結(jié)構(gòu)。該種結(jié)構(gòu)所設計出的雙模濾波器,比傳統(tǒng)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(tǒng)的雙模濾波器小接近25%。仿真結(jié)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.

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