X波段窄带波导滤波器的研究

王抗美

（南京信息职业技术学院，江苏 南京 210046）

X波段窄带波导滤波器的研究

王抗美

（南京信息职业技术学院，江苏 南京 210046）

文章简述了滤波器的基本原理，涉及到变形低通滤波器的原型和频率变换，提出了一种孔耦合波导谐振器滤波器的结构，设计了中心频率为9.86 GHz的窄带滤波器，中心频率处的插入损耗小于0.5 dB，阻带的衰减特性曲线相当陡峭。通过实验验证了该设计方法的可行性和正确性。

窄带；谐振腔；波导；滤波器

微波滤波器是微波系统中的用于分离或组合各种不同频率信号的重要元件。在雷达、微波通讯等微波系统中常常采用多工作频率，频率间隔相差比较小，相临频率之间容易发生信号的相互干扰，所以通常利用窄带滤波器进行邻频隔离。滤波器的结构形式比较多，如同轴线、微带、波导等结构形式。其中微带结构形式滤波器的研究成果，在各类文献中常常出现。

本文介绍的X波段窄带波导滤波器，是一种孔耦合波导谐振器滤波器。将波导按照一定的长度分隔成波导谐振器，各个谐振器之间通过“窗口”进行信号的耦合，使部分频率信号顺利通过，实现频率选择性的特点，即滤波器。耦合“窗口”的尺寸对滤波器的性能起到十分关键的作用。本文应用现代网络理论对孔耦合波导滤波器进行了分析和设计，并通过HFSS仿真软件进行滤波器的验证和修正。

1 理论分析

带通滤波器的设计一般从集中参数低通原型出发，［4］根据实际滤波器的衰减特性曲线，选择相应的逼近函数形式，确定滤波器的节数，从而设计出低通滤波器原型电路；经过频率变换后，电路由串联谐振电路和并联谐振电路组成，实际的微波结构很难实现，因此，必须将原来的低通原形进行修改，通过阻抗变换器、K变换器或J变换器等，成为变形低通原型，然后竟频率变换，导出带通滤波器。

波导带通滤波器的常见结构形式，是用波导膜片或电感销钉作为并联电感，1/2λ的波导段作为串联谐振器，由于补偿K变换器中负传输线长度，因此其实际长度均小于1/2λ。对于相对带宽较低的窄带滤波，在实现过程中出现难以克服的困难，通带的损耗比较大，这是微波器件一个致命的弱点，微波系统对器件插入损耗的要求越来越高。

本文提出的窄带波导带通滤波器，采用波导谐振腔的结构形式，谐振腔之间采用小孔耦合。波导谐振腔的品质因素Q比较高，有文献提出采用圆柱谐振腔，提取高次模作为谐振模式以降低滤波器的损耗。谐振腔的长度均为 L，谐振腔之间通过圆形的孔进行耦合，谐振腔与输入输出端通过椭圆形的孔进行耦合。利用小孔绕射理论可以计算出膜片小孔的耦合，给定 Q值和耦合系数，设计出波导耦合结构的尺寸。矩形波导谐振器通过带孔耦合，其Q值为：

矩形波导谐振器之间的耦合系数为：

式中，λ：自由空间中的波长；

λg：波导波长；

S：沿波导传输方向的半波导波长；

M1：小孔上的磁化强度。小孔的磁化强度 M1为：M1＝d3/P。

对于圆形小孔，式中的系数P为6；椭圆形小孔，式中的系数 P为 0.158。应该指出，不仅相邻的谐振单元通过“窗口”进行信号耦合，而且非相邻的谐振单元也会通过“窗口”进行信号耦合，［2］这种耦合度比较小可以忽略。在设计波导滤波器时，一般都先用工程中的经验公式进行计算，初步确定耦合窗口的尺寸，然后经反复的实验，最终得到满足设计要求的滤波器。

2 研究设计

窄带波导滤波器的主要电性能指标为：中心频率为 9.86 GMHz，3 dB带宽10 MHz，20 dB带宽为60 MHz，输入、输出端的特性阻抗与波导传输线匹配。

根据滤波器的衰减特性，综合设计波导滤波器采用3节，通带波纹为0.01 dB的切比雪夫原型，波导谐振器的长度为半波长，谐振器之间的耦合孔的直径为4.3 mm，谐振器与输入输出端的椭圆孔高为3.9 mm，长7.8 mm。在滤波器结构中，膜片的厚度对耦合窗的尺寸有一定的影响，假如厚度比较薄则可以忽略厚度的影响。同时由于小孔的存在，对波导谐振器的谐振频率略有降低，在实验中需要进一步修正。

根据上述对滤波器的分析和初步设计，应用ansoft公司的HFSS电磁场分析软件，模拟分析了窄带波导滤波器的损耗和驻波参数，同时对器件结构参数进行调整，最终的尺寸结果为：谐振器之间的耦合孔的直径为2.8 mm，谐振器与输入输出端的椭圆孔高为3.2 mm，长7 mm。仿真的结果见图1，可以看到，滤波器的频率特性比较对称，中心频率的两侧，衰减变化比较大，陡峭程度比较好。

图1 滤波器频率特性曲线

根据计算机模拟时的结构进行机加工，经过装配和测试后，测量滤波器的性能与仿真的结果间仍然有一些偏差。这是由于在仿真过程中的腔体结构尺寸，可以选取任意的数值，而在机械加工过程中必定有加工的误差，实际上波导滤波器的尺寸仅仅微调，实际的结果与仿真结果相似。

3 结束语

本文提出的窄带波导滤波器的带通频段比较小，同时阻带的插入衰减特性曲线相当陡峭，对邻频的抗干扰相当强。设计过程中采用了经验公式，计算的结果需要进行调整才能满足要求。由于波导谐振腔的Q值比较高，因此能够实现窄带滤波的功能，谐振腔选择圆柱形谐振腔也能够实现滤波的作用。

1 李胜先、傅君眉、吴须大.Ka频段极窄通带波导滤波器［J］.红外与毫米波学报，2007（5）

2 Rawat, B.; Miller, R.E Improved design of a helical resonator filter for 450－500 MHZ band land mobile communication［J］ .Vehicular Technology, IEEE Transactions on Volume 33, Issue 1,Feb, 1984: 32～36

3 Kwok,R,S Dual－model helical resonator［J］. Microwave Theory and Techniques, IEEE Transactions on, Volume:48, Issue:3, March 2000: 474～477

4 甘本祓、吴万春.现代微波滤波器的结构与设计［M］.北京：科学出版社，1973

Research of The X－band waveguide filter of narrow band

Wang Kangmei

This paper describes the basic principle of the filter, related to deformation of the prototype low－pass filter and frequency transform,a hole coupled waveguide resonator filter structure, the design of the center frequency of 9.86 GHz in the narrow band filter, the center frequency insertion loss less than 0.5 dB, stop－band attenuation curve quite steep. Experiments demonstrate the design feasibility and correctness.

narrow－band; resonant cavity; waveguide; filters

TN71

A

1000－8136（2010）33－0012－02