一種新型Ka頻段高功率容量二次諧波抑制濾波器

陳冠軍，孫振遠(yuǎn)，王 雷

（1.中國電子科技集團(tuán)公司第五十四研究所，河北 石家莊 050081；2.中國人民解放軍32039部隊(duì)，北京 102300）

0 引 言

現(xiàn)代雷達(dá)和通信系統(tǒng)中為了實(shí)現(xiàn)更遠(yuǎn)的作用距離和更高的通信速率，要求系統(tǒng)發(fā)射鏈路具有更高的輸出功率[1]。但是高輸出功率必然伴隨著過高的諧波功率，為了避免或者降低諧波輸出對周圍電磁環(huán)境的干擾，諧波抑制濾波器已經(jīng)成為雷達(dá)系統(tǒng)和通信系統(tǒng)的重要器件之一[2]。諧波抑制濾波器必須安裝于大功率設(shè)備輸出端，才能起到良好的諧波抑制作用，這就要求濾波器具備較高的功率容量[3]。毫米波頻段諧波抑制濾波器為了有效抑制二次諧波需要增加金屬加載的等效電容，當(dāng)通過功率較大時(shí)，金屬加載附近的電場強(qiáng)度較強(qiáng)，容易導(dǎo)致電場擊穿。如何提高毫米波頻段諧波抑制濾波器的功率容量成為一個(gè)設(shè)計(jì)難題。

本文提出一種基于波導(dǎo)E-T結(jié)和矩形波導(dǎo)濾波器相結(jié)合的結(jié)構(gòu)形式，采用功率分配合成原理和諧波抑制濾波器原理，將濾波器的功率容量提升到原濾波器的兩倍，并通過了Ka頻段連續(xù)波60 W的平均功率驗(yàn)證。濾波器功率容量可以根據(jù)實(shí)際需求通過增加功率分配/合成路數(shù)的方式進(jìn)一步提升。Ka頻段諧波抑制濾波器具有插入損耗低、小體積、功率容量高、易于加工調(diào)試等優(yōu)點(diǎn)。

1 理論分析

本文所論述的高功率容量諧波抑制濾波器是通過波導(dǎo)E-T結(jié)功率分配/合成結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)功率容量的擴(kuò)增，波導(dǎo)E-T結(jié)功率分配/合成器由一段信號輸入/輸出主波導(dǎo)及從該波導(dǎo)寬邊延伸出來的分支波導(dǎo)構(gòu)成，其分支波導(dǎo)的傳輸方向平行于主波導(dǎo)的TE10模的電場方向，這種串聯(lián)分支其結(jié)構(gòu)可以看作一種無耗三端口網(wǎng)絡(luò)。

假設(shè)主波導(dǎo)端口為端口1，而兩個(gè)分支波導(dǎo)端口分別為端口2、3。當(dāng)射頻信號由端口1輸入時(shí)，信號將從端口2和3等幅反相輸出，該結(jié)構(gòu)作為功分器使用；作為合路器使用時(shí)，射頻信號由端口2和3同幅反相輸入時(shí)，則在端口1合成輸出最大，幅度為兩路之和；而當(dāng)端口2和3輸入信號同幅同相時(shí)，端口1將無信號輸出。由此可得波導(dǎo)E-T結(jié)功分器的S參數(shù)為[4-7]

從S參數(shù)分析可以看出，E-T結(jié)是三端口網(wǎng)絡(luò)無法同時(shí)達(dá)到完全匹配，兩個(gè)輸出端口之間的隔離度理論值僅有-6 dB，但是其結(jié)構(gòu)簡單且完全對稱，具有體積小、插損低、合成端口駐波好的優(yōu)良性能，常用于功率合成。

矩形波導(dǎo)諧振腔與LC回路在微波頻段的作用較為類似，但不同于LC回路，矩形波導(dǎo)諧振腔在微波傳輸過程中存在高次諧波，這是因?yàn)橹C振腔有無限個(gè)諧振頻率與無限個(gè)振蕩模式。而LC回路因其有限的振蕩模式與諧振頻率，不存在這種問題。為消除高次諧波，需通過調(diào)整矩形波導(dǎo)諧振腔的結(jié)構(gòu)來抑制諧波的傳輸[8,9]。

矩形波導(dǎo)空腔傳輸有多種模式，實(shí)際傳輸條件下，矩形波導(dǎo)多采用TE10模式單模工作，其模式表達(dá)式為[10-12]

截止頻率和截止波長的計(jì)算公式分別為[13]

通過諧振器尺寸調(diào)節(jié)可以抑制高次模式，保證單模傳輸，而采用金屬加載結(jié)構(gòu)使其Q值改變，不僅可以使高次模式遠(yuǎn)離所需的頻段或者實(shí)現(xiàn)阻帶向高頻方向延伸，還增大了功率容量，從而設(shè)計(jì)出工程所需的具有諧波抑制功能的高功率容量濾波器[15]。

2 建模及電磁特性仿真

在上述理論分析的基礎(chǔ)上，利用仿真軟件HFSS對模型進(jìn)行建模并仿真。首先建立波導(dǎo)E-T結(jié)三維模型，仿真結(jié)果在25.25～27.5 GHz頻率范圍內(nèi)，回波損耗大于30 dB，兩端口信號輸出一致性良好，插損小于0.1 dB，可用于功率合成實(shí)現(xiàn)功率擴(kuò)展。

對諧波抑制濾波器三維模型進(jìn)行電磁性能進(jìn)行仿真，在通帶25.25～27.5 GHz頻率范圍內(nèi)插入損耗小于0.1 dB，回波損耗大于18 dB，二次諧波頻率范圍內(nèi)的抑制度大于69 dB。

以上兩種結(jié)構(gòu)仿真完成后進(jìn)行級聯(lián)，可以將功率容量擴(kuò)展至單濾波器的兩倍。對級聯(lián)后的三維模型進(jìn)一步優(yōu)化，高功率容量諧波抑制濾波器三維模型如圖1所示。

圖1 高功率容量諧波抑制濾波器三維結(jié)構(gòu)

由HFSS仿真結(jié)果，在通帶25.25～27.5 GHz頻率范圍內(nèi)插入損耗有所增加但是仍小于0.3 dB，回波損耗依然保持高于16.5 dB，二次諧波頻率范圍內(nèi)的抑制度大于80 dB。

3 實(shí)物測試

在理論指導(dǎo)和優(yōu)良的電磁特性仿真結(jié)果支撐下進(jìn)行實(shí)物加工，高功率容量二次諧波抑制濾波器實(shí)物如圖2所示，測試結(jié)果如圖3所示。

圖2 高功率容量二次諧波抑制濾波器實(shí)物圖

圖3 濾波器諧波抑制測試與傳輸特性測試結(jié)果

從測試結(jié)果可以看出，在通帶頻率范圍內(nèi)，插損低于0.6 dB，回波損耗約為20 dB，在二次諧波頻率范圍內(nèi)抑制度約為50 dB，性能指標(biāo)優(yōu)良，且經(jīng)過了連續(xù)波60 W長時(shí)間功率測試。

4 結(jié) 論

本文主要介紹了一種基于波導(dǎo)E-T結(jié)功率分配合成網(wǎng)絡(luò)和濾波器相結(jié)合的結(jié)構(gòu)形式，既實(shí)現(xiàn)了Ka頻段的二次諧波抑制，又?jǐn)U展了濾波器的功率容量。通過此思路進(jìn)行二進(jìn)制波導(dǎo)功率分配/合成網(wǎng)絡(luò)的級聯(lián)，可以進(jìn)一步擴(kuò)展濾波器的功率容量。這種濾波器結(jié)構(gòu)簡單，易加工，最重要的是方便調(diào)試，具有良好的工程應(yīng)用價(jià)值。