一種新型的高抑制度波導(dǎo)濾波器設(shè)計(jì)

張 宇 ，渠芳芳

（1.中國(guó)電子科技集團(tuán)公司第39 研究所，陜西 西安 710065；2.陜西省天線與控制技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，陜西 西安 710065）

0 引言

隨著微波通信技術(shù)的飛速發(fā)展，頻譜的日益擁擠，信道容量要求的日益提高，對(duì)濾波器的性能指標(biāo)也提出了更高的要求。在滿足高選擇性、小尺寸、通帶內(nèi)低插入損耗的前提下，相鄰頻帶之間的隔離已成為一個(gè)關(guān)鍵問(wèn)題，這就急需低損耗、高帶外抑制的帶通濾波器。因此，在傳統(tǒng)波導(dǎo)濾波器的基礎(chǔ)上，本文在不相鄰的諧振腔間引入額外的新型交叉耦合結(jié)構(gòu)，使其在阻帶產(chǎn)生有限的傳輸零點(diǎn)，以此來(lái)增加截止頻率的陡度，提高濾波器的性能，具有十分重要的意義。

在同軸腔體濾波器的設(shè)計(jì)中，采用交叉耦合結(jié)構(gòu)應(yīng)用非常廣泛。而在波導(dǎo)濾波器中，通常在傳統(tǒng)直通波導(dǎo)濾波器基礎(chǔ)上，通過(guò)增加大量的諧振腔個(gè)數(shù)[1-2]實(shí)現(xiàn)，但由于腔體個(gè)數(shù)的增加，導(dǎo)致濾波器損耗增大，尺寸與體積也進(jìn)一步增大，同時(shí)性能改善并不顯著。隨著性能要求的日益提高，目前也有學(xué)者陸續(xù)提出了在波導(dǎo)濾波器中引入交叉耦合結(jié)構(gòu)。例如在傳統(tǒng)直通波導(dǎo)濾波器的非相鄰諧振腔外部添加同軸線和彎頭結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)交叉耦合[3]，此結(jié)構(gòu)較為簡(jiǎn)單，但設(shè)計(jì)時(shí)需通過(guò)大量仿真，且加工完成后必須經(jīng)過(guò)調(diào)試，較為復(fù)雜；帶交叉耦合的折疊型波導(dǎo)濾波器[4-6]由于其結(jié)構(gòu)的性質(zhì)，沒(méi)有固定的設(shè)計(jì)方法,往往在得到初始尺寸后需要進(jìn)行軟件優(yōu)化才能得到期望的響應(yīng)。這種優(yōu)化由于非常耗時(shí),從而增加了濾波器的設(shè)計(jì)周期。

本文在傳統(tǒng)直通波導(dǎo)濾波器的基礎(chǔ)上，在不相鄰的諧振腔間引入新型的波導(dǎo)CT 型感性交叉耦合結(jié)構(gòu)，利用H 面膜片實(shí)現(xiàn)磁耦合。與傳統(tǒng)的波導(dǎo)濾波器相比，本文減少了濾波器的腔體個(gè)數(shù)，進(jìn)一步縮小了濾波器的體積，且降低了因腔體個(gè)數(shù)而引入的損耗。同時(shí)，根據(jù)其結(jié)構(gòu)的不連續(xù)性，采用模式匹配法進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，縮短了傳統(tǒng)設(shè)計(jì)需大量仿真所耗的時(shí)間，設(shè)計(jì)周期短，加工成品無(wú)需調(diào)試，性能很好，可廣泛應(yīng)用于生產(chǎn)。

1 理論分析及設(shè)計(jì)

1.1 CT 型感性交叉耦合原理

在濾波器的分類中，除了直接耦合，交叉耦合在濾波器中也扮演著極其重要的角色。相比直接耦合，交叉耦合由于傳輸零點(diǎn)的引入，大大地提高了濾波器的帶外抑制，是一種改善濾波器性能的重要方法。

一般來(lái)說(shuō)，如果濾波器相鄰諧振器之間既有電耦合又有磁耦合，那么由于這兩種不同性質(zhì)的耦合結(jié)構(gòu)對(duì)信號(hào)相移特性的不同，信號(hào)在經(jīng)過(guò)不同路徑匯聚一處時(shí)相位便不相同。當(dāng)相位在該點(diǎn)相互抵消為零時(shí)，就產(chǎn)生了一個(gè)傳輸零點(diǎn)，這就是交叉耦合的原理。因此，要有零點(diǎn)的產(chǎn)生，必須至少有兩條信號(hào)路徑，并且滿足一定的相位差關(guān)系。

本文引入CT 型感性交叉耦合結(jié)構(gòu)，使其在通帶高頻處產(chǎn)生傳輸零點(diǎn)，進(jìn)一步提高對(duì)高頻的抑制度。如圖1所示，CT 型感性交叉耦合結(jié)構(gòu)由3 個(gè)諧振腔組成，兩條耦合路徑為直接耦合和交叉耦合路徑，通道1：1-2-3；通道2：1-3；感性耦合相移為-90°。

圖1 CT 型感性交叉耦合拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)

由表1 分析所得，CT 型感性交叉耦合在經(jīng)過(guò)不同路徑匯聚一處時(shí)，在通帶低頻相位相同，在通帶高頻相位相反。因此，該結(jié)構(gòu)在高頻帶外處產(chǎn)生了一個(gè)傳輸零點(diǎn)，傳輸特性曲線如圖2 實(shí)線所示，無(wú)交叉耦合結(jié)構(gòu)傳輸曲線為圖中虛線所示，可以發(fā)現(xiàn)通過(guò)引入傳輸零點(diǎn)，帶外抑制曲線下降陡峭，隔離度更高。在設(shè)計(jì)中可以通過(guò)改變非相鄰諧振腔間的耦合強(qiáng)度及引入的交叉耦合結(jié)構(gòu)數(shù)量，調(diào)整傳輸零點(diǎn)的位置及個(gè)數(shù)，實(shí)現(xiàn)隔離度需求。

圖2 CT 型感性交叉耦合拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)傳輸特性曲線

表1 CT 型感性交叉耦合相位分析（°）

1.2 波導(dǎo)CT 型感性交叉耦合結(jié)構(gòu)

根據(jù)現(xiàn)代微波濾波器理論[7]，帶通濾波器的等效電路如圖3 所示。用一系列的串聯(lián)諧振電路作為諧振腔，諧振腔之間由K 變換器耦合。耦合系數(shù)用Kn，n+1表示,阻抗用R 表示。

圖3 帶通濾波器等效電路圖

H 面膜片波導(dǎo)濾波器的結(jié)構(gòu)如圖4 所示。膜片與主模TE10模的磁場(chǎng)垂直，相鄰膜片之間則構(gòu)成諧振腔。它用半波導(dǎo)波長(zhǎng)的波導(dǎo)段作為串聯(lián)諧振器，每一節(jié)長(zhǎng)度近似為λg0/2，用電感膜片形成的并聯(lián)電感作為耦合結(jié)構(gòu)，每對(duì)膜片窗口的大小可以控制兩串聯(lián)諧振器耦合的強(qiáng)弱。窗口越大，兩個(gè)諧振器間的耦合越強(qiáng)，形成的濾波器通帶帶寬越寬。

圖4 H 面膜片波導(dǎo)濾波器模型

波導(dǎo)諧振腔間的耦合結(jié)構(gòu)主要是膜片耦合，一般包括電耦合和磁耦合。在波導(dǎo)腔電場(chǎng)較強(qiáng)處，耦合為電耦合；在磁場(chǎng)較強(qiáng)處，耦合為磁耦合。對(duì)于矩形波導(dǎo)腔中的TE101模，電場(chǎng)垂直于寬壁，而磁場(chǎng)是平行于寬壁的閉合曲線。在寬壁邊緣加入膜片，使得膜片處的磁場(chǎng)更集中，因此這種耦合屬于磁耦合。

本文根據(jù)CT 型耦合實(shí)現(xiàn)所需相位關(guān)系，提出了將3 個(gè)波導(dǎo)諧振腔按T 型三角放置的結(jié)構(gòu)，如圖5 所示。該CT 結(jié)構(gòu)有兩路耦合路徑，其中每個(gè)相鄰諧振腔間通過(guò)磁耦合實(shí)現(xiàn)90°的相位差。因此會(huì)在高頻帶外處反相，產(chǎn)生傳輸零點(diǎn)，進(jìn)一步提高帶外抑制度。

圖5 新型波導(dǎo)CT 型感性交叉耦合結(jié)構(gòu)

1.3 H 面不連續(xù)模式匹配法

如圖6 所示，H 面雙邊不連續(xù)性是一種較簡(jiǎn)單的雙端口網(wǎng)絡(luò)不連續(xù)性[8]。在該結(jié)構(gòu)中，主模TE10只能激勵(lì)起TE2m＋1，0模，不能激勵(lì)起TMmn模，因此傳播方向的電矢量位函數(shù)Aez=0。橫向電磁場(chǎng)的匹配式為：

圖6 H 面雙邊不連續(xù)性

其中，Qhq表示I、II區(qū)第q個(gè)TE2m+1，0模式的歸一化系數(shù)，Thq表示I、II區(qū)第q個(gè)TE2m+1，0模式的本征函數(shù)，Ahq表示I、II 區(qū) 第q個(gè)TE2m+1，0模式的磁矢量位函數(shù)，Γhq表示I、II 區(qū)第q個(gè)TE2m+1，0模式的傳播常數(shù)，q=1，3，5...。

I、II 區(qū)第q 個(gè)TE2m+1，0模式的本征函數(shù)分別為：

I、II 區(qū)第q 個(gè)TE2m+1，0模式的歸一化系數(shù)的表達(dá)式如下：

根據(jù)模式匹配方法，磁矢量位函數(shù)滿足：

求得I、II 區(qū)的TE 模耦合系數(shù)：

根據(jù)不連續(xù)處前后波的關(guān)系得到散射矩陣，并對(duì)多個(gè)不連續(xù)處及波導(dǎo)段級(jí)聯(lián)[9]，獲得廣義散射矩陣。

本文所設(shè)計(jì)的濾波器采用H 面不連續(xù)性結(jié)構(gòu)，因此可基于此模式匹配法進(jìn)行設(shè)計(jì)，對(duì)多個(gè)H 面不連續(xù)臺(tái)階結(jié)構(gòu)網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行級(jí)聯(lián)，即可得到所需要的濾波器的S 參數(shù)。利用MATLAB 編寫(xiě)程序[10]仿真優(yōu)化，快速地得到所需結(jié)構(gòu)的尺寸。

與傳統(tǒng)仿真軟件設(shè)計(jì)相比，采用模式匹配法編寫(xiě)程序進(jìn)行分析，一方面縮短了全波仿真所耗的大量時(shí)間；另一方面可通過(guò)程序快速的優(yōu)化，得到滿足要求的最優(yōu)解，且精度高，為設(shè)計(jì)帶來(lái)了很大的便捷。

2 新型的波導(dǎo)CT 型濾波器設(shè)計(jì)實(shí)例

本文基于模式匹配法設(shè)計(jì)了一款新型交叉耦合式的S頻段波導(dǎo)濾波器。工作頻率為2.1～2.25 GHz，回波損耗≥25 dB，在頻段2.29～2.5 GHz 頻段內(nèi)隔離度≤-80 dB。

設(shè)計(jì)步驟：

（1）根據(jù)指標(biāo)要求，利用廣義切比雪夫理論，反推出所需要的濾波器腔體個(gè)數(shù)為9，帶外需要3 個(gè)傳輸零點(diǎn)，因此引入3 個(gè)CT 型交叉耦合結(jié)構(gòu)，通過(guò)電感膜片進(jìn)行耦合。

（2）根據(jù)濾波器的通帶頻率范圍，算出中心頻率2.2 GHz的半波導(dǎo)波長(zhǎng)，采用半波長(zhǎng)95 mm 的波導(dǎo)段作為諧振腔的初始值。

（3）根據(jù)濾波器的通帶頻率為2.1～2.25 GHz，選定電感膜片厚度為2 mm。由耦合系數(shù)的大小，選取膜片的初始寬度；調(diào)整交叉耦合的膜片寬度，進(jìn)一步改變傳輸零點(diǎn)的位置，改善帶外抑制特性。由此，確定膜片的初始寬度。

（4）根據(jù)給定的初始諧振腔長(zhǎng)度及耦合膜片的厚度、寬度，利用H 面不連續(xù)結(jié)構(gòu)的模式匹配法進(jìn)行分析，對(duì)各個(gè)參數(shù)的初值進(jìn)行優(yōu)化，得到濾波器的最終尺寸。

在滿足同樣指標(biāo)的前提下，本文所設(shè)計(jì)的濾波器與傳統(tǒng)濾波器的仿真模型如圖7（a）和7（b）所示，加工實(shí)物如圖8 所示，本文濾波器尺寸為原尺寸的一半。該新型濾波器采用高頻電磁仿真軟件HFSS 仿真與矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀實(shí)測(cè)，結(jié)果如圖9 所示。

圖7 濾波器的仿真模型

圖8 新型波導(dǎo)CT 型濾波器實(shí)物圖

從仿真及測(cè)試結(jié)果圖9 中可看出，在2.1～2.25 GHz頻帶范圍內(nèi)，濾波器的回波損耗優(yōu)于25 dB，同時(shí)在頻段帶外高頻外產(chǎn)生了3 個(gè)傳輸零點(diǎn)，獲得陡峭的抑制邊帶，提高了帶外抑制度，滿足了在頻段2.29～2.5 GHz，隔離度大于80 dB 的指標(biāo)要求。由圖9 可知，該雙工器在通帶內(nèi)損耗小于0.3 dB。忽略測(cè)試儀器噪底誤差及轉(zhuǎn)接頭影響，濾波器駐波與隔離的仿真和實(shí)測(cè)結(jié)果吻合良好。

圖9 新型濾波器的仿真與實(shí)測(cè)結(jié)果

與傳統(tǒng)濾波器相比，本文所設(shè)計(jì)的新型波導(dǎo)雙工器不僅尺寸小，且該濾波器采用模式匹配法分析，設(shè)計(jì)周期極短，加工實(shí)物無(wú)需調(diào)配，可廣泛應(yīng)用于工程。

3 結(jié)論

本文在傳統(tǒng)波導(dǎo)濾波器的基礎(chǔ)上，通過(guò)在非相鄰諧振腔間引入新型的波導(dǎo)CT 型感性交叉耦合結(jié)構(gòu)，在滿足通帶內(nèi)駐波良好、插入損耗低的前提下，使其在阻帶產(chǎn)生有限的傳輸零點(diǎn)，進(jìn)一步提高了濾波器的帶外抑制特性，減小了濾波器的損耗，縮小了濾波器的尺寸。同時(shí)，根據(jù)其結(jié)構(gòu)的不連續(xù)性，采用模式匹配法進(jìn)行優(yōu)化分析，縮短了傳統(tǒng)設(shè)計(jì)需大量仿真所耗的時(shí)間，設(shè)計(jì)周期短，性能極佳，具有很大的工程價(jià)值。