介質(zhì)加載大功率消失模濾波器的設(shè)計

魯國林，李宏軍

介質(zhì)加載大功率消失模濾波器的設(shè)計

魯國林，李宏軍

（中國電子科技集團公司第十三研究所，河北石家莊050051）

針對腔體濾波器低氣壓下容易發(fā)生大功率擊穿的難題，提出了一種局部加載介質(zhì)的消失模結(jié)構(gòu)，可以有效避免濾波器低氣壓放電。設(shè)計了一款X波段寬帶大功率消失模濾波器，利用三維仿真工具進行仿真優(yōu)化，并根據(jù)電磁場仿真結(jié)果計算低氣壓擊穿功率閾值。對制作的樣品進行了性能測試，測試特性曲線與仿真曲線吻合；同時，進行了低氣壓功率試驗，樣品通過了300 W低氣壓 （1 000～1 mbar）功率試驗。通過該方法設(shè)計制作的消失模波導(dǎo)濾波器具有寬帶匹配性能良好、Q值高、損耗小和低氣壓擊穿功率閾值高等特點。

消失模濾波器；介質(zhì)加載；低氣壓放電；大功率

引用格式：魯國林，李宏軍.介質(zhì)加載大功率消失模濾波器的設(shè)計［J］.無線電工程，2016，46（5）：65-67，89.

0 引言

近年來，隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，對應(yīng)用于通訊設(shè)備中的腔體濾波器提出了更高的要求，特別是功率不斷提升、飛行高度等參數(shù)不斷增加，使腔體濾波器防止低氣壓放電［1］的設(shè)計顯得尤為重要。因為，一旦濾波器發(fā)生低氣壓放電（或微放電）［2-3］，則相關(guān)設(shè)備性能會急劇變差，甚至完全失效。

低氣壓放電［4］和微放電［5］一樣是空間微波濾波器的一個難題，由于開始低氣壓放電的功率要比微放電的低6～10 dB左右，由此對低氣壓放電的威脅要給予足夠的重視［6-7］。在設(shè)計空間濾波器時應(yīng)采取有效措施［8］，并用有關(guān)的試驗加以驗證。

本文介紹了一種消失模波導(dǎo)濾波器［9］，實現(xiàn)了寬帶匹配性能，同時，通過局部加載介質(zhì)，提升低氣壓大功率（1 000～1 mbar，300 W連續(xù)波）下的功率容量，有效避免低氣壓功率擊穿。下面對其基本原理及設(shè)計試驗過程進行闡述。

1 X波段消失模濾波器設(shè)計

本文設(shè)計的帶通濾波器要求覆蓋X波段較寬的工作頻帶，同時滿足200 W低氣壓大功率條件下工作，濾波器具體技術(shù)要求如下：

①工作頻率8～12 GHz；

②中心插損≤0.3 dB；

③矩形度（BW40 dB/BW1 dB）≤1.4；

④駐波≤1.3∶1；

⑤輸入輸出端口：WRD650雙脊波導(dǎo)口。

1.1 消失模濾波器工作原理

工作在截止頻率以下的波導(dǎo)被稱為截止波導(dǎo)，利用截止波導(dǎo)制成的濾波器被稱為消失模濾波器。一段短的長度為l的消失模波導(dǎo)實際上相當(dāng)于一個“π”型或一個“T”型電感網(wǎng)絡(luò)，它的等效電路如圖1（a）所示。

只要在消失模波導(dǎo)里的適當(dāng)位置上引入銷釘?shù)炔⒙?lián)容性元件，實現(xiàn)容性加載，適當(dāng)設(shè)計這些容性加載之間的間距，即可形成串聯(lián)電感耦合的帶通濾波器。耦合量的大小由相鄰并聯(lián)容性元件之間的間距來控制，其等效電路如圖1（b）所示。

圖1　消失模濾波結(jié)構(gòu)等效電路

1.2 消失模濾波器設(shè)計

截止波導(dǎo)腔加載容性元件的結(jié)構(gòu)可實現(xiàn)帶通特性，該結(jié)構(gòu)屬于廣義“梳狀線”結(jié)構(gòu)，由此可以容易得到結(jié)構(gòu)的歸一化耦合參數(shù)矩陣如下：

根據(jù)公式耦合系數(shù)=歸一化耦合系數(shù)×百分比帶寬計算出相應(yīng)的耦合系數(shù)，從而得到消失模波導(dǎo)帶通濾波器的初始參數(shù)，建立模型仿真。

2 關(guān)鍵技術(shù)

2.1 防低氣壓功率擊穿設(shè)計

為了防止濾波器低氣壓放電，一般采取以下措施：

①密封充氣，一般充惰性氣體，以氮氣居多；

②介質(zhì)全填充，避免在低氣壓環(huán)境下稀薄氣體電離，從而發(fā)生放電打火；

③擴大帶通濾波器的通帶帶寬，降低諧振腔的外Q值，由此來降低諧振腔內(nèi)的電壓；

④降低通帶邊緣的群延時，避免功率擊穿，這是因為等效電容兩端的電壓最大值對應(yīng)于濾波器通帶邊緣群延時最陡峭處［10］。

本文設(shè)計的濾波器結(jié)構(gòu)特殊，采用密封充氣的方法很難實現(xiàn)、成本較高，而介質(zhì)全填充直接影響產(chǎn)品的Q值，導(dǎo)致?lián)p耗不滿足技術(shù)要求，只能通過適當(dāng)拓寬設(shè)計帶寬來降低通帶邊緣群時延，但提升低氣壓下耐功率特性的效果有限，不能滿足設(shè)計要求。

通過分析單腔電磁場分布及通過拓撲電路分析各個諧振腔的儲能情況，找到場強分布最大區(qū)域，從而采取有效措施，避免低氣壓下的大功率擊穿。通過分析發(fā)現(xiàn)在容性加載結(jié)構(gòu)的開路端場強最大，在低氣壓條件下容易發(fā)生稀薄氣體擊穿，通過在容性元件開路端加載介質(zhì)，可使該區(qū)域擊穿電壓提升一個數(shù)量級（相對于空氣來說），有效避免低氣壓下發(fā)生功率打火。介質(zhì)選用微波特性優(yōu)良的聚四氟材料，減小通帶損耗，可有效降低大功率下的熱耗散；同時，盡量拓寬濾波器的帶寬，減小通帶內(nèi)群時延，進一步提高功率容量。

2.2 寬帶匹配電路結(jié)構(gòu)的設(shè)計

雙脊波導(dǎo)端口尺寸a×b=18.3 mm×8.15 mm，脊尺寸寬×高=4.4 mm×2.792 5 mm；雙脊波導(dǎo)端口尺寸a×b=13.4 mm×5.357 5 mm。

在工作頻率范圍內(nèi)，要實現(xiàn)從雙脊波導(dǎo)到消失模矩形波導(dǎo)的過渡，采用階梯阻抗變換的方法達到寬帶匹配的效果，過渡段波導(dǎo)口寬度尺寸不變，高度尺寸與矩形波導(dǎo)端口相同，并通過合理設(shè)計矩形波導(dǎo)的高度尺寸，達到良好匹配，同時滿足脊的高度尺寸等于雙脊波導(dǎo)高度與矩形波導(dǎo)高度差，最優(yōu)化功率設(shè)計。匹配結(jié)構(gòu)如圖2所示。

圖2　匹配電路結(jié)構(gòu)示意

3 仿真設(shè)計與功率特性分析

3.1 濾波器的仿真優(yōu)化

通過上面匹配結(jié)構(gòu)的設(shè)計和局部介質(zhì)填充結(jié)構(gòu)的設(shè)計，建立三維模型，仿真優(yōu)化設(shè)計，在滿足其他指標(biāo)的前提下，使濾波器帶寬盡量寬，通帶邊緣群時延盡量小，仿真模型如圖3所示，仿真曲線如圖4所示。

圖3　仿真模型示意

圖4　仿真曲線

3.2 低氣壓功率特性分析

濾波器低氣壓放電擊穿功率的計算可以查帕邢曲線得到，氣體擊穿電壓與氣壓p及距離d有關(guān)，當(dāng)2個平行板電極間的距離在一定范圍的情況下，氣體擊穿電壓有一個最小值300 V左右，用電場表式大約是100 V/cm，此時p·d≈66 Pa·cm。

擊穿功率可以通過以下2種方式計算得到，根據(jù)式（1）計算諧振桿頂端最大電壓Vmax，并根據(jù)氣壓值與間距的乘積查帕邢曲線得到擊穿電壓Vp，計算公式：P擊穿（dB）=20lg（Vp/Vmax）+10lgPin；Pin（W）指仿真輸入功率。

式中，V0為諧振腔輸入端源電壓；R0為諧振腔輸入端源電阻；1/ω0C為諧振腔等效容抗；ω0為諧振腔諧振頻率。

注意，以上分析得到的結(jié)果為粗略的仿真結(jié)果，根據(jù)場仿真結(jié)果，并利用式（1）計算濾波器的峰值擊穿功率，電場分布如圖5所示，通過場強與最小間隙乘積計算得到Vmax=1.89×105·V/m·2.0×10-3m= 378 V；根據(jù)壓強與最小間隙乘積從圖2讀出擊穿電壓Vp=500 V左右，從而低氣壓擊穿功率P擊穿（dB）=20lg（Vp/Vmax）+10lgPin=20lg（500/378）+ 53 dBm=55.38 dBm；即擊穿功率345 W，額定200 W的條件下，設(shè)計余量2.38 dB。

圖5　電場分布示意

4 性能及功率測試結(jié)果

通過上述的分析與仿真，進行合理的外形結(jié)構(gòu)設(shè)計后加工制作，給出樣品實測曲線，如圖6所示。樣品尺寸為105 mm×50 mm×45 mm。

圖6　樣品實測曲線

該產(chǎn)品技術(shù)指標(biāo)滿足設(shè)計要求，通過低氣壓功率試驗，輸入信號頻率8 GHz，連續(xù)波功率300 W，試驗壓力1 000～1 mbar。性能測試結(jié)果如下：

工作頻率：8～12 GHz；通帶插損（典型值）：0.2 dB；矩形度（BW40dB/BW1dB）：1.34；駐波（典型值）：1.2。

該產(chǎn)品測試曲線與仿真結(jié)果吻合，全部技術(shù)指標(biāo)滿足要求，能滿足低氣壓下大功率工作的要求，無低氣壓功率放電現(xiàn)象。同時，該產(chǎn)品還具有以下明顯的特點：

①局部加載介質(zhì)，低氣壓下耐功率特性好；

②寬帶匹配特性良好，達到45%的相對帶寬，矩形系數(shù)高；

③消失模波導(dǎo)加載容性元件，結(jié)構(gòu)緊湊，工程化強，便于批量制作和生產(chǎn)。

5 結(jié)束語

本文根據(jù)消失模波導(dǎo)濾波器的結(jié)構(gòu)特點，提出了一種在消失模波導(dǎo)容性元件開路端加載微波介質(zhì)材料的方法，提高了產(chǎn)品低氣壓下耐大功率擊穿的能力；同時，通過階梯阻抗變換結(jié)構(gòu)實現(xiàn)雙脊波導(dǎo)到矩形波導(dǎo)的寬帶匹配，匹配性能良好；另外，消失模波導(dǎo)加載容性元件，結(jié)構(gòu)緊湊，利于小型化應(yīng)用。

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Design of Dielectric-loaded High Power Evanescent Mode Waveguide Filter

LU Guo-lin，LI Hong-jun
（The 13th Research Institute of CETC，Shijiazhuang Hebei 050051，China）

As for the cavity filters easy to be broken-down under low pressure，the paper presents a novel dielectric-loaded evanescent waveguide filters，which is effective to prevent low-pressure discharging.An X-band broadband high power evanescent waveguide filter is designed.Simulation and optimization are accomplished by EDA.Based on electromagnetic field simulation，the breakdown power-threshold under low-pressure is calculated.The test results show that the characteristics of the filter agree well with simulation results.Low-pressure test is carried out.The sample passed the 300 W power test under low-pressure（1000～1 mbar）.The filter has characteristics of excellent broadband matching，high quality factor，and high power threshold under low-pressure.

evanescent mode filters；dielectric-loaded；low-pressure discharge；high power

TN713

A

1003-3106（2016）05-0065-03

10.3969/j.issn.1003-3106.2016.05.17

2016-01-08

魯國林 男，（1983—），工程師。主要研究方向：微波毫米波無源器件及平面陣列天線、大功率濾波器低氣壓放電及微放電、固態(tài)等離子體天線。

李宏軍 男，（1971—），研究員。主要研究方向：微波毫米波無源器件及平面陣列天線。