一種可用于衛(wèi)星和空間的微波濾波器

李 程,孫玉發(fā)

(安徽大學(xué)電子信息工程學(xué)院,安徽合肥230601)

0 引言

濾波器是衛(wèi)星等微波通信設(shè)備的重要組成部分。超寬帶濾波器作為濾波器的一個(gè)重要類型,具有廣泛的用途和發(fā)展前景。常見的超寬帶濾波器多在1GHz左右的特高頻頻段工作且有效工作帶寬最大的不超過10 GHz。到目前為止,能夠在頻率更高的超高頻和極高頻段工作的超寬帶濾波器并不多見[1-3]。

設(shè)計(jì)了一款能夠在超高頻到極高頻段有效工作的微波濾波器,具有18 GHz的通帶寬度,中心頻率在31 GHz。與目前常見的超寬帶濾波器相比較,在通帶寬度和應(yīng)用頻帶方面有較大優(yōu)勢(shì)。

1 凸緣波導(dǎo)特性和漸變線理論

凸緣波導(dǎo)又稱脊波導(dǎo)、復(fù)式波,是基于矩形波導(dǎo)的一個(gè)變形,又有單脊、雙脊和多脊之分[4-5]。單脊波導(dǎo)的結(jié)構(gòu)模型如圖1所示。

矩形波導(dǎo)可以阻斷其截止頻率以下的電磁波并使其截止頻率以上的電磁波通過,即矩形波導(dǎo)導(dǎo)模的截止波長(zhǎng)λc大于工作波長(zhǎng)λ時(shí)才可以傳輸,凸緣波導(dǎo)作為矩形波導(dǎo)的一個(gè)變形同樣具有此特性。利用凸緣波導(dǎo)這一截止特性可以實(shí)現(xiàn)高通濾波的功能。矩形波導(dǎo)的主模是TE10模,同時(shí)還存在TE20等其他高次模。一般希望只傳輸一種模,因?yàn)槎嗄５拇嬖跁?huì)造成較大的能量損耗和信號(hào)的失真。由于脊棱的邊緣電容效應(yīng),凸緣波導(dǎo)的TE10模的截止頻率較矩形波導(dǎo)低,而高次模如TE20模的截止頻率比矩形波導(dǎo)高,因此在一般的矩形波導(dǎo)的頻帶不到1個(gè)倍頻程的情況下,凸緣波導(dǎo)的頻帶可以達(dá)到幾個(gè)倍頻程,即可以獲得較寬的工作帶寬。

圖1 凸緣波導(dǎo)結(jié)構(gòu)

凸緣波導(dǎo)在TE10模式下的內(nèi)部電磁場(chǎng)分布與矩形波導(dǎo)類似,不同之處在于在脊棱附近的電場(chǎng)稍有變化。由于受到邊緣電容效應(yīng)的影響,脊棱與波導(dǎo)上壁之間可以看做有不均勻電容存在。

單位長(zhǎng)度凸緣波導(dǎo)的總電容C由平板電容CS和不均勻電容Cd組成。根據(jù)文獻(xiàn)[4]平板電容CS為:

式中,ε為介質(zhì)介電常數(shù);d為平板電容兩平板之間的距離;不均勻電容為:

式中,b為凸緣波導(dǎo)高度。

單位長(zhǎng)度總的等效電感是2個(gè)等效電感的并聯(lián),可以表示為:

式中,μ為磁導(dǎo)率[4]。

連續(xù)凸緣波導(dǎo)和同軸電纜之間可采用阻抗?jié)u變線對(duì)兩端不同阻抗進(jìn)行逐級(jí)漸進(jìn)的阻抗匹配。工程中常見的漸變線有指數(shù)漸變線、三角漸變線和切比雪夫漸變線。

指數(shù)漸變線是阻抗按照指數(shù)規(guī)律變化的一種漸變線。在漸變線總長(zhǎng)度L一定的情況下,阻抗變化符合下式:

式中,

式中,Z0為漸變前的特性阻抗;ZL為漸變線末端的特性阻抗[5]。

2 高通濾波器的仿真設(shè)計(jì)

現(xiàn)設(shè)計(jì)一款截止頻率為22 GHz,有效工作頻帶為22～40GHz,插入損耗小于1 dB,帶外抑制小于-40 dB,回波損耗小于-10 dB的高通濾波器。此濾波器工作帶寬較寬,采用微帶線或金屬膜片結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)均無(wú)法達(dá)到設(shè)計(jì)要求。這里采用凸緣波導(dǎo)形式,兩端集成波導(dǎo)同軸轉(zhuǎn)換,中間段加入阻抗?jié)u變線以匹配波導(dǎo)與同軸電纜,其結(jié)構(gòu)如圖2所示。

圖2 凸緣波導(dǎo)濾波器結(jié)構(gòu)

連續(xù)凸緣波導(dǎo)結(jié)構(gòu)保證了濾波器的工作頻帶寬度,但其特性阻抗較大,如果直接與同軸電纜連接會(huì)造成回波損耗過大,影響濾波器的正常工作。為此在濾波器中引入了指數(shù)漸變線來(lái)匹配凸緣波導(dǎo)和同軸電纜。超高頻段凸緣波導(dǎo)的尺寸非常小,工程實(shí)際應(yīng)用時(shí)技術(shù)工藝無(wú)法實(shí)現(xiàn)完整的漸變線,只能取幾個(gè)特定的點(diǎn)做阻抗階梯跳變。根據(jù)凸緣波導(dǎo)特性阻抗公式[4]計(jì)算出凸緣波導(dǎo)的特性阻抗為1192.9 Ω,波導(dǎo)兩端接近同軸電纜處特性阻抗為157.59 Ω。漸變線取5個(gè)點(diǎn)來(lái)實(shí)現(xiàn)1 192.9～157.59 Ω的阻抗變換。根據(jù)式(4)和式(5),計(jì)算出各個(gè)阻抗變換節(jié)尺寸與對(duì)應(yīng)的特性阻抗值,如表1所示。

表1 阻抗變換節(jié)尺寸和特性阻抗

同時(shí)引入坡面脊結(jié)構(gòu),通過一個(gè)平滑的坡面將凸緣波導(dǎo)的脊高度抬升,進(jìn)一步將凸緣波導(dǎo)的特性阻抗降低至50 Ω,這樣可以獲得和50 Ω同軸電纜良好的匹配。

通過設(shè)計(jì)目標(biāo)和上述分析可以計(jì)算出總長(zhǎng)度為146.2 mm的凸緣波導(dǎo)濾波器的各個(gè)具體參數(shù)為:波導(dǎo)寬邊長(zhǎng)度a=4.55 mm,波導(dǎo)高度b=1.93 mm,脊寬s=1.61 mm,脊高h(yuǎn)=1.13 mm。

根據(jù)以上所得到的濾波器尺寸,利用目前最流行且仿真結(jié)果較準(zhǔn)確的2種高頻仿真軟件HFSS和CST軟件進(jìn)行協(xié)同仿真,得到的S參數(shù)波形如圖3所示。

圖3 S參數(shù)仿真結(jié)果

從圖3中可以看出,2種仿真軟件的協(xié)同仿真結(jié)果吻合度較高。在21.5 GHz以下帶外抑制小于-40 dB,插入損耗小于0.5 dB,回波損耗小于-12 dB,有效工作頻帶為 22～40 GHz,截止頻率22 GHz,各項(xiàng)指標(biāo)均達(dá)到或優(yōu)于設(shè)計(jì)要求。仿真結(jié)果印證了理論中利用凸緣波導(dǎo)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的濾波器可以獲得較寬工作帶寬的分析。此款高通濾波器工作在超高頻和極高頻段,在保證了插入損耗和帶外抑制的情況下工作帶寬達(dá)到了18 GHz,遠(yuǎn)遠(yuǎn)的超過了其他形式的超寬帶濾波器的工作帶寬,優(yōu)勢(shì)明顯。

3 結(jié)束語(yǔ)

介紹了凸緣波導(dǎo)結(jié)構(gòu)超寬帶濾波器的設(shè)計(jì)過程并通過HFSS和CST仿真軟件協(xié)同仿真,仿真結(jié)果顯示了該方案的可行性。此濾波器采用波導(dǎo)結(jié)構(gòu)比較穩(wěn)定,不易受到復(fù)雜環(huán)境因素的影響,且工作在衛(wèi)星通信使用的超高頻和極高頻段,適合應(yīng)用于移動(dòng)衛(wèi)星通信和空間通信當(dāng)中。較高的設(shè)計(jì)精度要求給濾波器的實(shí)際加工增加了難度,但該設(shè)計(jì)為未來(lái)超寬帶濾波技術(shù)提供了一種新的思路和方法。

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