《電子技術(shù)應(yīng)用》
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加載微擾金屬塊的消失模波導(dǎo)帶通濾波器的阻帶性能分析
2017年電子技術(shù)應(yīng)用第8期
李 坤，屈德新，鐘興建，陳 正
解放軍理工大學(xué) 通信工程學(xué)院，江蘇 南京210007
摘要： 介紹了一種通過在消失模波導(dǎo)濾波器中加載微擾金屬塊來提高濾波器阻帶寬度的方法，并給出了濾波器的等效電路圖?；谝豢頚u波段五階消失模波導(dǎo)帶通濾波器，利用HFSS軟件仿真分析確定了微擾金屬塊最佳加載位置。測試結(jié)果表明,加載微擾金屬塊有效抑制了濾波器第一寄生通帶的突起，從而起到提升消失模波導(dǎo)濾波器阻帶性能的作用。
中圖分類號： TN713
文獻(xiàn)標(biāo)識碼： A
DOI：10.16157/j.issn.0258-7998.170645
中文引用格式： 李坤，屈德新，鐘興建，等. 加載微擾金屬塊的消失模波導(dǎo)帶通濾波器的阻帶性能分析[J].電子技術(shù)應(yīng)用，2017，43(8)：55-57，65.
英文引用格式： Li Kun，Qu Dexin，Zhong Xingjian，et al. Analysis of stop-band performance of evanescent mode waveguide bandpass filter loaded with tiny posts[J].Application of Electronic Technique，2017，43(8)：55-57，65.
Analysis of stop-band performance of evanescent mode waveguide bandpass filter loaded with tiny posts
Li Kun，Qu Dexin，Zhong Xingjian，Chen Zheng
College of Communications Engineering，PLA University of Science & Technology，Nanjing 210007，China
Abstract： A method of widening the stopband of evanescent mode waveguide bandpass filter is presented in this paper, by loading tiny posts between capacitive posts in the evanescent mode waveguide. The equivalent circuit of the filter is illustrated. Based on a Ku-band five-order evanescent mode bandpass filter, the stopband performances effected by different position of the tiny posts are analyzed and compared by the use of HFSS. The measured results indicate that loading tiny posts between capacitive posts can effectively suppress the first spurious of the filter and consequently improve the stopband performance.
Key words : stopband performance；bandpass filter；evanescent mode waveguide；Ku-band

0 引言

    隨著無線通信系統(tǒng)的快速發(fā)展，對如何進(jìn)一步提高電路性能、減輕電子器件的體積以及提高工作頻率等提出了更高的要求。濾波器作為通信系統(tǒng)重要的器件之一，其性能優(yōu)劣對系統(tǒng)有著很大影響。消失模波導(dǎo)濾波器以其結(jié)構(gòu)緊湊、帶外抑制度高、損耗低及可靠性高等優(yōu)點(diǎn)而廣泛應(yīng)用于衛(wèi)星通信、電子對抗等領(lǐng)域[1-3]。消失模波導(dǎo)濾波器較傳統(tǒng)腔體濾波器最顯著的特點(diǎn)是具有寬阻帶和體積小，其阻帶寬度和消失模波導(dǎo)尺寸有著緊密聯(lián)系。SOTO P[4]對消失模波導(dǎo)濾波器中各參數(shù)尺寸對濾波器各項(xiàng)性能影響做了比較系統(tǒng)的分析，并提出了消失模波導(dǎo)帶通濾波器的權(quán)衡設(shè)計(jì)方法。

    本文工作主要是在消失模波導(dǎo)帶通濾波器基礎(chǔ)上研究進(jìn)一步展寬其阻帶寬度。首先簡單介紹了消失模波導(dǎo)的基本特性以及通過加載容性柱設(shè)計(jì)了Ku波段窄帶濾波器，最后通過電磁仿真軟件HFSS（High Frequency Structure Simulator）著重分析了在空載段波導(dǎo)加載微擾金屬柱對濾波器阻帶性能的影響。

1 消失模波導(dǎo)帶通濾波器設(shè)計(jì)

1.1 消失模波導(dǎo)特性分析

    消失模波導(dǎo)是指工作在截止頻率以下的波導(dǎo)，根據(jù)波導(dǎo)的基本理論可以得到，在理想情況下，在截止頻率以下，波導(dǎo)內(nèi)只有能量的存儲，沒有能量傳輸。這里理想情況指：波導(dǎo)壁的電導(dǎo)率無窮大、填充介質(zhì)無損耗、波導(dǎo)無窮長或終端匹配。但在現(xiàn)實(shí)中這種理想情況是不存在的，因此，盡管電磁場在波導(dǎo)內(nèi)處于消失態(tài)，但仍具有波動性，可以傳輸有功功率。

    對于TE模，消失模波導(dǎo)的波特性阻抗是電抗性，如果在波導(dǎo)內(nèi)加載適當(dāng)?shù)碾娙萁Y(jié)構(gòu)，可以形成單個(gè)諧振器。如果加載多個(gè)電容結(jié)構(gòu)可形成帶通濾波器。其中，加載電容端為諧振單位，空載段的截止波導(dǎo)為耦合結(jié)構(gòu)。圖1給出了一端消失模波導(dǎo)加載電容結(jié)構(gòu)TE模的等效電路圖。

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1.2 五階消失模波導(dǎo)帶通濾波器設(shè)計(jì)

    通過在消失模波導(dǎo)中加載具有電容性質(zhì)的金屬塊設(shè)計(jì)了一款帶通濾波器，中心頻率為12.5 GHz，相對帶寬4%。濾波器結(jié)構(gòu)如圖2所示，中間消失模波導(dǎo)加載了5個(gè)相同金屬柱，兩端連接輸入輸出耦合波導(dǎo)，耦合波導(dǎo)與消失模波導(dǎo)等高，這樣減少波導(dǎo)端面不連續(xù)帶來的反射，使信號更好地過渡到消失模波導(dǎo)中，采用同軸探針方式饋電，金屬柱的中心和同軸探針在濾波器的水平中心軸線上。

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    在濾波器設(shè)計(jì)過程中，首先要確定消失模波導(dǎo)的寬邊we和窄邊 h，寬邊越小，波導(dǎo)的截止頻率越高，這里消失模波導(dǎo)尺寸可根據(jù)文獻(xiàn)[5]中的設(shè)計(jì)步驟確定，本例中取寬邊we=9 mm，h=5 mm。然后在HFSS仿真軟件中建立圖3模型，利用其本征求解模式計(jì)算諧振頻率，通過調(diào)節(jié)金屬柱的尺寸使諧振頻率為濾波器的中心頻率。根據(jù)切比雪夫?yàn)V波器耦合矩陣的綜合方法[6]確定五階切比雪夫?yàn)V波器的歸一化耦合矩陣M，如下所示。

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    諧振器之間的耦合系數(shù)kij可由式(1)求得：

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其中FBW為濾波器的相對帶寬，mij為歸一化耦合矩陣中對應(yīng)的元素。在HFSS軟件中建立求兩個(gè)諧振器之間耦合系數(shù)的模型，使仿真計(jì)算的耦合系數(shù)值等于理論計(jì)算值kij。最終的仿真優(yōu)化結(jié)果如圖4所示，從圖中可以看出設(shè)計(jì)的濾波器在14 GHz～20 GHz的S21在-70 dB以下，在21 GHz、21.75 GHz和22.7 GHz處突起。

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2 加載微擾金屬柱的消失模波導(dǎo)帶通濾波器設(shè)計(jì)

    消失模波導(dǎo)加載容性金屬柱可以作為一個(gè)諧振器單元，而加載容性金屬柱之間的空載波導(dǎo)作為諧振器之間的耦合結(jié)構(gòu)，由上面的等效電路可知，諧振器之間的耦合為電感耦合。

    如圖5所示，通過在空載波導(dǎo)加載小金屬柱改變諧振器之間的耦合結(jié)構(gòu)，使原來的電感耦合變成具有電感電容的混合耦合。加載的微擾金屬塊對每個(gè)諧振器單元諧振頻率幾乎沒有影響，只是改變了相鄰諧振器單元之間的耦合結(jié)構(gòu)，為了使帶內(nèi)特性與未加載微擾金屬柱的濾波器一致，只需調(diào)節(jié)相鄰金屬柱之間的距離使耦合強(qiáng)度保持不變。

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    圖6給出了微擾金屬柱加載在柱2和柱4之間的濾波器的結(jié)構(gòu)參數(shù)，濾波器關(guān)于柱3中心線對稱，增大柱2和柱3之間的距離d_23來平衡微擾金屬柱加載帶來的耦合強(qiáng)度的變化。微擾金屬柱的加載位置也可以在柱1和柱2之間、柱4和柱5之間。

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    通過HFSS軟件仿真優(yōu)化，比較這兩種不同加載位置對濾波器阻帶的影響，濾波器的S參數(shù)仿真結(jié)果如圖7所示，濾波器Ⅰ：圖5所示的濾波器；濾波器Ⅱ：在柱1和柱2、柱4和柱5之間加載微擾金屬柱的濾波器。從仿真結(jié)果可以看出，濾波器Ⅰ在帶外19 GHz附近S21有突起，S21值為-16 dB，而濾波器Ⅱ在帶外18.5 GHz附近和22.5 GHz處S21突起，但其值仍可達(dá)到-22 dB以下。和圖2所示的未加載微擾金屬柱濾波器相比可知，雖然加載微擾金屬柱使濾波器在18.5 GHz附近S21略有突起，但此法有效抑制了原始的第一寄生通帶內(nèi)21 GHz、21.75 GHz和22.7 GHz處的突起，從而起到了寬展阻帶的效果。

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3 測量與分析

    為了驗(yàn)證設(shè)計(jì)的準(zhǔn)確性，對圖5所示的濾波器進(jìn)行了加工測量，濾波器的參數(shù)尺寸在表1列出。

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    濾波器的測量結(jié)果如圖8(a)、圖8(b)所示，帶內(nèi)插損為0.5 dB左右，帶內(nèi) S11在-16 dB以下。濾波器在14 GHz～18 GHz抑制可達(dá)60 dB以下，在14 GHz～36 GHz抑制均在20 dB以下，實(shí)測結(jié)果與仿真結(jié)果一致。

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4 結(jié)論

    本文研究了如何提高消失模波導(dǎo)帶通濾波器的阻帶性能，通過在空載段波導(dǎo)加載微擾金屬柱可以優(yōu)化濾波器的帶外性能。最后，設(shè)計(jì)了一個(gè)Ku波段的五階消失模波導(dǎo)帶通濾波器，測量結(jié)果表明采用加載微擾金屬柱的方法有效地抑制了第一寄生通帶內(nèi)的毛刺突起，并且阻帶至三倍頻內(nèi)抑制均在20 dB以下。

參考文獻(xiàn)

[1] SNYDER R.New application of evanescent mode waveguide to filter design，IEEE Trans-MTT，1977，25(12)：1013-1021.

[2] Zhu Wei，Jia Baofu，Zhang Xiaoqin.The novel design of wide-band evanescent mode waveguide bandpass Filter，ICECC 2011：2940-2943.

[3] 杜勇.消失模波導(dǎo)濾波器及正交耦合模的設(shè)計(jì)[D].西安：電子科技大學(xué)，2008.

[4] SOTO P，LLANOS D D，BORIA V E，et al.Performance analysis and comparison of symmetrical and asymmetrical configurations of evanescent mode ridge waveguide filters，Radio Science，2009，44(6)：1-16.

[5] SOTO P，LLANOS D D，BORIA V E，et al.Efficient analysis and design strategies for evanescent mode ridge waveguide filters，Proceedings of 36th European Microwave Conference，2006：1095-1098.

[6] RICHARD J CAMERON.General coupling matrix synthesis methods for chebyshev filtering functions，IEEE Trans-MTT，1999，47(4)：433-442.



作者信息：

李  坤，屈德新，鐘興建，陳  正

（解放軍理工大學(xué) 通信工程學(xué)院，江蘇 南京210007）

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