新型雙模濾波器設計

范如東　萬開奇　陳永任　袁杰

摘 要 利用波導具有傳播多種模式的特性實現(xiàn)波導濾波器的小型化。本文中雙模腔體中的諧振塊由兩個呈十字型排列的矩形脊構(gòu)成，其中一個直角通過倒角變?yōu)?5°。通過這種結(jié)構(gòu)，兩種簡并模式可以沿著正交方向產(chǎn)生耦合。據(jù)此，利用簡并模式及交叉耦合的特點，設計了一種結(jié)構(gòu)新穎的四階雙模脊波導帶通濾波器，中心頻率在13GHz，仿真結(jié)果達到理想要求，證明了這種設計的有效性。

關(guān)鍵詞 雙模濾波器;交叉耦合;脊波導

中圖分類號： TN713文獻標識碼： A

DOI：10.19694/j.cnki.issn2095-2457.2020.02.015

0 引言

波濾波器在現(xiàn)代通信系統(tǒng)中占據(jù)著重要的位置，是用來分離需要頻率信號的重要器件。波導濾波器具有插入損耗低、功率容量大和容易批量生產(chǎn)的特點，由于其工作頻率可以達到毫米波波段，主要用于衛(wèi)星通訊、電子對抗和雷達系統(tǒng)。所以，波導濾波器的尺寸及重量成為其主要缺點，常利用在一個波導腔的多個諧振模式的多模濾波器[1]來解決這類問題。

諧振腔在對稱條件下，簡并模式之間不存在耦合。簡并模式可以獨立存在。如果通過微擾改變諧振腔的對稱性，諧振腔中簡并模之間將會產(chǎn)生耦合（能量的傳遞）。原來的簡并模式變成兩個頻率接近的諧振模式，這兩個模式不一定相互獨立存在。使用這種概念的雙（多）模濾波器結(jié)構(gòu)已經(jīng)被提出[2]?？梢酝ㄟ^加載一塊矩形脊并旋轉(zhuǎn)其方向[3]來達到破壞腔體對稱性使簡并模式之間產(chǎn)生耦合，亦可通過加載一個類方形脊[4]的方法。

與相同尺寸的標準矩形波導相比較，脊波導具有更低的主模截止頻率。據(jù)此提出了一種結(jié)構(gòu)新穎的緊湊型雙模矩形脊波導濾波器。首先介紹了該雙模濾波器的基本結(jié)構(gòu)，簡單分析了放置方法所產(chǎn)生的場分布情況，給出此濾波器結(jié)構(gòu)得到的拓撲圖及耦合矩陣，利用HFSS軟件建模仿真，得出的仿真結(jié)果達到要求。

1 雙模濾波器介紹

1.1 基本結(jié)構(gòu)介紹

該雙模濾波器的基本結(jié)構(gòu)如圖1所示，主要結(jié)構(gòu)呈十字型，其中一個角通過倒45°角破壞對稱性，使簡并模式之間產(chǎn)生耦合。

其諧振模的頻率基本可以用如下公式來近似計算：

c為空間中的光速，l表示諧振塊的橫向長度。由于諧振塊厚度及電磁環(huán)境中邊緣效應等因素，實際頻率與公式計算的頻率有一定的偏差。

在雙模濾波器中，諧振塊通常用于實現(xiàn)水平極化和垂直極化。圖1中的45°斜塊就是用來破壞對稱結(jié)構(gòu)，達到使兩個簡并模式之間產(chǎn)生耦合的目的。為了方便觀察電場，運用HFSS仿真軟件產(chǎn)生的兩個模的電場如圖（3.a）所示。若諧振塊沒有斜角，如圖（2）所示，就不能激勵起另一個模式，即不存在雙模狀態(tài)，其電場分布如圖（3.b）所示。比較兩圖，可以發(fā)現(xiàn)，在十字諧振模塊上倒一個45°的角，能很好地實現(xiàn)一腔雙模。

1.2 耦合拓撲結(jié)構(gòu)分析

十字交叉型諧振模塊，根據(jù)不同的放置方式，也可以使簡并模式產(chǎn)生耦合，圖4和圖5分別畫出了兩種放置模式的結(jié)構(gòu)圖及拓撲圖。圖中S和L分別代表源和負載，1，2代表兩個正交的準TEM模。從耦合拓撲結(jié)構(gòu)圖5可以看出，圖4（a）這種結(jié)構(gòu)，源和負載分別與1、2產(chǎn)生耦合，圖4（b）這種結(jié)構(gòu)，源和負載都與1、2發(fā)生了耦合，但是，在后期調(diào)試的時候，這種結(jié)構(gòu)調(diào)試起來十分的麻煩，所以用圖4（a）結(jié)構(gòu)的更具優(yōu)勢。

然而，不同的輸入輸出結(jié)構(gòu)也會影響到頻率響應情況。若根據(jù)圖4（a）這種輸入輸出結(jié)構(gòu)，則其頻率響應曲線如圖7（a）所示;若根據(jù)圖6所示結(jié)構(gòu)，其頻率響應如圖7（b）所示。顯然，若要實現(xiàn)帶通濾波器頻率響應，應采用圖4（a）這種輸入輸出結(jié)構(gòu)。圖6這種結(jié)構(gòu)所產(chǎn)生的頻率響應類似于阻帶或者一個雙通帶。

2 設計實例

根據(jù)前面提出的分析方法及結(jié)構(gòu)，設計了一個四階雙模濾波器，其指標要求如下：

（1）中心頻率：13GHz

（2）帶? ? ? ?寬：155MHz

（3）帶內(nèi)回波：≥18dB

（4）帶內(nèi)插損：≤0.60dB

（5）帶外抑制：f0±200M，L≥25dB

（6）輸入輸出：BJ140標準波導

由于中心頻率兩邊都要求帶外抑制，宜采用CQ結(jié)構(gòu)，取歸一化傳輸零點為-2和2，回波損耗取為-22dB，根據(jù)cameron經(jīng)典耦合矩陣提取理論[5]，很容易求得歸一化耦合矩陣為：

根據(jù)此耦合矩陣，建立的仿真模型如圖8所示，其耦合拓撲結(jié)構(gòu)如圖9所示。模型中，兩臂長分別為11.8mm和11.75mm，高度為6.65mm，諧振塊厚度取2mm。不計輸入輸出波導，模型總的大小為16.8mm×37.4mm×7.9mm。仿真結(jié)果如圖10所示，S11在帶寬范圍內(nèi)均≤-20dB，抑制也達到要求。

3 結(jié)論

本文研究了十字交叉型諧振塊放置方式對耦合的影響及輸入輸出結(jié)構(gòu)的影響，采用了既能產(chǎn)生交叉耦合又易于調(diào)試的結(jié)構(gòu)。該種結(jié)構(gòu)所設計出的雙模濾波器，比傳統(tǒng)雙模濾波器具有更高的Q值，插損更小，也滿足了小型化設計的需求，比傳統(tǒng)的雙模濾波器小接近25%。仿真結(jié)果也比較理想，證明了該方法的有效性。

參考文獻

[1]R. J. Cameron， C. M. Kudsia， and R. R. Mansour， Microwave Filters for Communication Systems. Hoboken， NJ： Wiley， 2007.

[2]M. Guglielmi， P. Jarry， E. Keherve， O.Roquebrun and D.Schmitt， A new family of all-inductive dual-mode filters. IEEE Trans. Microwave Theory Tech.， 2001，49：1764-1769.

[3]S. Amari.， F. Seyfert， Design of Dual-Mode Ridge Cavity Filters. Microwave Symposium Digest，2009：1625-1628.

[4]S. Bastioli， L. Marcarcciolli and R. Sorrentino，? A novel class of compact dual-mode rectangular waveguide filters using square ridge resonators. Eur. Micro. Conf. Digest， 2008，38：626-629.

[5]R.J. Cameron， Advanced coupling matrix synthesis techniques for microwave filters. IEEE Trans. Microwave Theory Tech.， 2003，51：1-10.