黃曉麗，李 磊，馮文文，李祥菊，孟 儒

(中國電子科技集團(tuán)公司第三十八研究所，合肥 230088)

0 引 言

由于信息產(chǎn)業(yè)和無線通信系統(tǒng)的蓬勃發(fā)展，微波頻帶出現(xiàn)相對(duì)擁擠的狀態(tài)。為了合理利用頻帶資源，相關(guān)部門出臺(tái)了更詳細(xì)的規(guī)定，分配到各類通信系統(tǒng)的頻率間隔越來越密。這對(duì)微波、毫米波收發(fā)信機(jī)中前端無源器件的性能指標(biāo)提出了更高的要求，比如更好的矩形系數(shù)以抑制各種干擾信號(hào)，更小的插入損耗以降低系統(tǒng)對(duì)信號(hào)的衰減等。波導(dǎo)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(chǎn)等特點(diǎn)，在通信系統(tǒng)中得到廣泛的應(yīng)用。

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

1 濾波器的基本理論

設(shè)計(jì)帶通濾波器應(yīng)先選定低通原型濾波器，根據(jù)阻帶響應(yīng)選定低通原型濾波器阻帶衰減特性曲線。曲線對(duì)應(yīng)所需要的濾波器階數(shù)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(duì)于膜片厚度t=0或者厚度相對(duì)波長可忽略不計(jì)的膜片，在所設(shè)計(jì)的帶通濾波器中，λg0、λg1、λg2分別為頻率f0、f1、f2的波導(dǎo)波長，f1、f2為通帶邊緣頻率，f0為中心頻率。

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

圖1 波導(dǎo)濾波器等效網(wǎng)絡(luò)

帶通濾波器可由低通原型演變而成，經(jīng)過頻率變化得到其串聯(lián)諧振設(shè)計(jì)公式，最后通過波導(dǎo)結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)。[1]各級(jí)阻抗變換器K與低通gn元件值的關(guān)系如下[2]：

(4)

(5)

式中，fBW為相對(duì)帶寬，Mmn為耦合矩陣。

再根據(jù)S矩陣級(jí)聯(lián)及網(wǎng)絡(luò)綜合[3]，得到S21和K的關(guān)系：

(6)

建立各波導(dǎo)枝節(jié)的S參數(shù)和阻抗變化系數(shù)K的關(guān)系，得出達(dá)到所需濾波器響應(yīng)的S參數(shù)理論值，然后通過建模仿真使S參數(shù)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(yùn)算，可以得到上述兩根傳輸線在滿足以下條件時(shí)等效：

(7)

(8)

從式(7)可以看到，Z≥Z0。由式(8)可知，當(dāng)2βl=tan-1(2/βZ0)時(shí)βL=π/2，且當(dāng)βZ0很大時(shí)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(shè)計(jì)及仿真分析

本文設(shè)計(jì)的是電容加載寬帶波導(dǎo)濾波器，設(shè)計(jì)的具體指標(biāo)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(jù)上文的基本理論，計(jì)算出每一階膜片間的耦合，即各波導(dǎo)枝節(jié)的S參數(shù)。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(duì)應(yīng)的計(jì)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(dǎo)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(dǎo)連接而成。通過加載電容的波導(dǎo)代替一般波導(dǎo)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(shù)。電容加載柱結(jié)構(gòu)示意圖如圖4所示。

圖4 電容加載柱結(jié)構(gòu)示意圖

圖5所示的是11階的電容加載寬帶波導(dǎo)濾波器。

圖5 電容加載寬帶波導(dǎo)濾波器示意圖

該濾波器的波導(dǎo)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(shè)計(jì)參數(shù)

如圖6所示，濾波器腔體內(nèi)的電場主要集中于矩形柱頂端。

圖6 濾波器腔體內(nèi)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(dǎo)功率容量的2.2%。

(9)

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

根據(jù)設(shè)計(jì)指標(biāo)，通過電磁仿真軟件仿真及優(yōu)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(nèi)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(jié)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(shè)計(jì)了一種電容加載寬帶波導(dǎo)濾波器。該濾波器中心頻率為19.5 GHz，帶寬可達(dá)21.5%，帶外抑制好，矩形系數(shù)高，功率容量大。根據(jù)已有經(jīng)驗(yàn)，將加工誤差控制在0.02 mm以內(nèi)時(shí)，該結(jié)構(gòu)濾波器可以直接加工，不需要調(diào)試就可以滿足指標(biāo)要求。