電感膜片對矩形波導(dǎo)濾波器散射參數(shù)的影響

樊瓊星 劉含 黃路 蚌埠學(xué)院 電子與電氣工程學(xué)院 安徽蚌埠 233000

引言

速調(diào)管的瞬時(shí)工作帶寬對提高通信、雷達(dá)和電子對抗等微波電子系統(tǒng)的抗干擾性能十分重要。它由群聚段的帶寬和輸出段的帶寬兩部分決定，而展寬輸出段的帶寬是實(shí)現(xiàn)寬帶速調(diào)管的關(guān)鍵。輸出段的作用是保證速調(diào)管產(chǎn)生的高功率微波通過，傳輸?shù)教炀€等負(fù)載。改善其帶寬的主要方法是在輸出傳輸線中設(shè)計(jì)濾波器結(jié)構(gòu)。

常用的大功率寬帶速調(diào)管濾波器結(jié)構(gòu)通常采用矩形金屬波導(dǎo)作為傳輸線，因其具有傳輸損耗小，功率容量大，工作頻帶窄和工作頻率高等優(yōu)點(diǎn)。并在波導(dǎo)中放置橫向電感膜片作為濾波電抗元件以改善傳輸帶寬。

本文利用微波等效電路理論，將內(nèi)置膜片的矩形波導(dǎo)濾波器等效成微波二端口網(wǎng)絡(luò)，計(jì)算得到二端口網(wǎng)絡(luò)的轉(zhuǎn)移參量。根據(jù)網(wǎng)絡(luò)參量間的轉(zhuǎn)換關(guān)系式，得到反映傳輸特性的散射參數(shù)S21的計(jì)算式。并對其進(jìn)行編程計(jì)算，可以得到電感膜片的大小和放置位置對散射參數(shù)的影響。

1 等效電路理論分析法

為了保證能量均勻傳輸，本文選擇在波導(dǎo)的對稱位置插入大小相等的膜片。其結(jié)構(gòu)如圖1所示。其中l(wèi)為兩組膜片的間距，d為兩膜片之間的窗口寬度，a和b分別為矩形波導(dǎo)橫截面的寬邊與窄邊尺寸。

圖1 矩形波導(dǎo)電感膜片濾波器示意圖

圖2 圖1的等效電路

由微波等效理論可知，在微波傳輸系統(tǒng)中插入一系列不均勻區(qū)，適當(dāng)選取參考面后，其等效電路就是一串首尾相連的二端口網(wǎng)絡(luò)。常取的參考面是距離為λg/2整數(shù)倍的遠(yuǎn)區(qū)。圖1模型的等效電路可以看作是兩段長度分別為l1和l2的均勻傳輸線與電納的級聯(lián)，如圖2所示。它的歸一化轉(zhuǎn)移矩陣為：

計(jì)算可得：

A參量和S參量都可以描述二端口網(wǎng)絡(luò)的特性，彼此之間可以相互換算。由二者的換算得到S21：

代入式（2）整理可得：

2 Matlab編程計(jì)算S21

本文矩形波導(dǎo)濾波器工作頻率取f = 9.80GHz，波導(dǎo)橫截面尺寸為20mm×8.3mm，橫向電感膜片厚度t =1.5mm，波言編程計(jì)算了散射參數(shù)S21隨波導(dǎo)長度l和窗口寬度d的變化關(guān)系。

(1)在窗口寬度d=6mm時(shí)，用Matlab編程計(jì)算散射參數(shù)S21隨波導(dǎo)長度的變化。

表1 Matlab計(jì)算的S21的數(shù)值

由表1可知：波導(dǎo)長度從20mm增大到70mm時(shí)，S21的模值不變，相位變化。

(2) 在d和l取定值，f從9.5GHz增大到10.1GHz時(shí)，S21的模隨f的增大而增大。圖3是d取不同值時(shí)S21的模隨f的變化關(guān)系。

圖3 d取不同值時(shí)S21的模隨頻率變化圖

3 S21的仿真分析

三維電磁場仿真軟件HFSS可以計(jì)算散射參量S[8。選擇激勵端口后，一次仿真就可以得到該端口對其他所有端口的耦合。對于無耗二端口網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，S參量具有對稱性，整個S參量可以由一個端口得到。文中研究的模型，激勵端口的設(shè)置如圖4。

圖4 端口的設(shè)置

(1)l取定值時(shí)，S21隨窗口寬度d變化關(guān)系

根據(jù)波導(dǎo)橫截面尺寸和內(nèi)置膜片的尺寸建立模型，在l=60mm的情況下，改變窗口寬度d的大小，得出圖5和圖6：

圖5 d=8mmS21模值和相位隨頻率變化的曲線

圖6 d=10mmS21模值和相位隨頻率變化的曲線

由圖5和6可知：在波導(dǎo)長度一定的情況下，隨著窗口寬度d的變化，S21的模值和相位都變化。

(1)d取定值時(shí)，S21隨波導(dǎo)長度l變化關(guān)系

在d=12mm的情況下，改變波導(dǎo)長度l的大小，得出圖7和圖8：

圖7 l=48mm S21模值和相位隨頻率變化的曲線

圖8 l=60mm S21模值和相位隨頻率變化的曲線

對比圖7和圖8：在窗口寬度一定的情況下，改變波導(dǎo)長度，散射參數(shù)S21的模值不變但相位變化。即膜片兩邊波導(dǎo)的長度選取對S21幅度沒有什么影響，只會影響其相位。這些仿真分析結(jié)果與理論計(jì)算結(jié)果相符。

結(jié)論

運(yùn)用微波等效電路的近似方法，分析了電感膜片的大小和放置位置對散射參數(shù)S21的影響。由HFSS仿真分析得到波導(dǎo)長度的變化不會影響散射參數(shù)S21的模值，但波導(dǎo)部分長度的變化會引起入射波相位的改變，所以S21的相位會發(fā)生變化。而窗口寬度的變化會使散射參數(shù)的模值和相位發(fā)生改變。軟件仿真分析的結(jié)果與等效電路理論計(jì)算結(jié)果基本一致。本文的研究結(jié)果對高頻、高功率微波真空器件所用矩形波導(dǎo)的設(shè)計(jì)具有一定的參考意義。

在X波段內(nèi)，圓弧膜片的電納比相等面積的直膜片的電納小的多，其電納隨頻率的變化也比直膜片小的多[9]。相對于電感直膜片，圓弧膜片比直膜片更容易實(shí)現(xiàn)寬頻帶。后續(xù)會在本文的研究基礎(chǔ)上分析圓弧膜片的位置和大小對濾波器帶寬的影響。