介质加载大功率消失模滤波器的设计

鲁国林，李宏军

介质加载大功率消失模滤波器的设计

鲁国林，李宏军

（中国电子科技集团公司第十三研究所，河北石家庄050051）

针对腔体滤波器低气压下容易发生大功率击穿的难题，提出了一种局部加载介质的消失模结构，可以有效避免滤波器低气压放电。设计了一款X波段宽带大功率消失模滤波器，利用三维仿真工具进行仿真优化，并根据电磁场仿真结果计算低气压击穿功率阈值。对制作的样品进行了性能测试，测试特性曲线与仿真曲线吻合；同时，进行了低气压功率试验，样品通过了300 W低气压 （1 000～1 mbar）功率试验。通过该方法设计制作的消失模波导滤波器具有宽带匹配性能良好、Q值高、损耗小和低气压击穿功率阈值高等特点。

消失模滤波器；介质加载；低气压放电；大功率

引用格式：鲁国林，李宏军.介质加载大功率消失模滤波器的设计［J］.无线电工程，2016，46（5）：65-67，89.

0 引言

近年来，随着科学技术的发展，对应用于通讯设备中的腔体滤波器提出了更高的要求，特别是功率不断提升、飞行高度等参数不断增加，使腔体滤波器防止低气压放电［1］的设计显得尤为重要。因为，一旦滤波器发生低气压放电（或微放电）［2-3］，则相关设备性能会急剧变差，甚至完全失效。

低气压放电［4］和微放电［5］一样是空间微波滤波器的一个难题，由于开始低气压放电的功率要比微放电的低6～10 dB左右，由此对低气压放电的威胁要给予足够的重视［6-7］。在设计空间滤波器时应采取有效措施［8］，并用有关的试验加以验证。

本文介绍了一种消失模波导滤波器［9］，实现了宽带匹配性能，同时，通过局部加载介质，提升低气压大功率（1 000～1 mbar，300 W连续波）下的功率容量，有效避免低气压功率击穿。下面对其基本原理及设计试验过程进行阐述。

1 X波段消失模滤波器设计

本文设计的带通滤波器要求覆盖X波段较宽的工作频带，同时满足200 W低气压大功率条件下工作，滤波器具体技术要求如下：

①工作频率8～12 GHz；

②中心插损≤0.3 dB；

③矩形度（BW40 dB/BW1 dB）≤1.4；

④驻波≤1.3∶1；

⑤输入输出端口：WRD650双脊波导口。

1.1 消失模滤波器工作原理

工作在截止频率以下的波导被称为截止波导，利用截止波导制成的滤波器被称为消失模滤波器。一段短的长度为l的消失模波导实际上相当于一个“π”型或一个“T”型电感网络，它的等效电路如图1（a）所示。

只要在消失模波导里的适当位置上引入销钉等并联容性元件，实现容性加载，适当设计这些容性加载之间的间距，即可形成串联电感耦合的带通滤波器。耦合量的大小由相邻并联容性元件之间的间距来控制，其等效电路如图1（b）所示。

图1　消失模滤波结构等效电路

1.2 消失模滤波器设计

截止波导腔加载容性元件的结构可实现带通特性，该结构属于广义“梳状线”结构，由此可以容易得到结构的归一化耦合参数矩阵如下：

根据公式耦合系数=归一化耦合系数×百分比带宽计算出相应的耦合系数，从而得到消失模波导带通滤波器的初始参数，建立模型仿真。

2 关键技术

2.1 防低气压功率击穿设计

为了防止滤波器低气压放电，一般采取以下措施：

①密封充气，一般充惰性气体，以氮气居多；

②介质全填充，避免在低气压环境下稀薄气体电离，从而发生放电打火；

③扩大带通滤波器的通带带宽，降低谐振腔的外Q值，由此来降低谐振腔内的电压；

④降低通带边缘的群延时，避免功率击穿，这是因为等效电容两端的电压最大值对应于滤波器通带边缘群延时最陡峭处［10］。

本文设计的滤波器结构特殊，采用密封充气的方法很难实现、成本较高，而介质全填充直接影响产品的Q值，导致损耗不满足技术要求，只能通过适当拓宽设计带宽来降低通带边缘群时延，但提升低气压下耐功率特性的效果有限，不能满足设计要求。

通过分析单腔电磁场分布及通过拓扑电路分析各个谐振腔的储能情况，找到场强分布最大区域，从而采取有效措施，避免低气压下的大功率击穿。通过分析发现在容性加载结构的开路端场强最大，在低气压条件下容易发生稀薄气体击穿，通过在容性元件开路端加载介质，可使该区域击穿电压提升一个数量级（相对于空气来说），有效避免低气压下发生功率打火。介质选用微波特性优良的聚四氟材料，减小通带损耗，可有效降低大功率下的热耗散；同时，尽量拓宽滤波器的带宽，减小通带内群时延，进一步提高功率容量。

2.2 宽带匹配电路结构的设计

双脊波导端口尺寸a×b=18.3 mm×8.15 mm，脊尺寸宽×高=4.4 mm×2.792 5 mm；双脊波导端口尺寸a×b=13.4 mm×5.357 5 mm。

在工作频率范围内，要实现从双脊波导到消失模矩形波导的过渡，采用阶梯阻抗变换的方法达到宽带匹配的效果，过渡段波导口宽度尺寸不变，高度尺寸与矩形波导端口相同，并通过合理设计矩形波导的高度尺寸，达到良好匹配，同时满足脊的高度尺寸等于双脊波导高度与矩形波导高度差，最优化功率设计。匹配结构如图2所示。

图2　匹配电路结构示意

3 仿真设计与功率特性分析

3.1 滤波器的仿真优化

通过上面匹配结构的设计和局部介质填充结构的设计，建立三维模型，仿真优化设计，在满足其他指标的前提下，使滤波器带宽尽量宽，通带边缘群时延尽量小，仿真模型如图3所示，仿真曲线如图4所示。

图3　仿真模型示意

图4　仿真曲线

3.2 低气压功率特性分析

滤波器低气压放电击穿功率的计算可以查帕邢曲线得到，气体击穿电压与气压p及距离d有关，当2个平行板电极间的距离在一定范围的情况下，气体击穿电压有一个最小值300 V左右，用电场表式大约是100 V/cm，此时p·d≈66 Pa·cm。

击穿功率可以通过以下2种方式计算得到，根据式（1）计算谐振杆顶端最大电压Vmax，并根据气压值与间距的乘积查帕邢曲线得到击穿电压Vp，计算公式：P击穿（dB）=20lg（Vp/Vmax）+10lgPin；Pin（W）指仿真输入功率。

式中，V0为谐振腔输入端源电压；R0为谐振腔输入端源电阻；1/ω0C为谐振腔等效容抗；ω0为谐振腔谐振频率。

注意，以上分析得到的结果为粗略的仿真结果，根据场仿真结果，并利用式（1）计算滤波器的峰值击穿功率，电场分布如图5所示，通过场强与最小间隙乘积计算得到Vmax=1.89×105·V/m·2.0×10-3m= 378 V；根据压强与最小间隙乘积从图2读出击穿电压Vp=500 V左右，从而低气压击穿功率P击穿（dB）=20lg（Vp/Vmax）+10lgPin=20lg（500/378）+ 53 dBm=55.38 dBm；即击穿功率345 W，额定200 W的条件下，设计余量2.38 dB。

图5　电场分布示意

4 性能及功率测试结果

通过上述的分析与仿真，进行合理的外形结构设计后加工制作，给出样品实测曲线，如图6所示。样品尺寸为105 mm×50 mm×45 mm。

图6　样品实测曲线

该产品技术指标满足设计要求，通过低气压功率试验，输入信号频率8 GHz，连续波功率300 W，试验压力1 000～1 mbar。性能测试结果如下：

工作频率：8～12 GHz；通带插损（典型值）：0.2 dB；矩形度（BW40dB/BW1dB）：1.34；驻波（典型值）：1.2。

该产品测试曲线与仿真结果吻合，全部技术指标满足要求，能满足低气压下大功率工作的要求，无低气压功率放电现象。同时，该产品还具有以下明显的特点：

①局部加载介质，低气压下耐功率特性好；

②宽带匹配特性良好，达到45%的相对带宽，矩形系数高；

③消失模波导加载容性元件，结构紧凑，工程化强，便于批量制作和生产。

5 结束语

本文根据消失模波导滤波器的结构特点，提出了一种在消失模波导容性元件开路端加载微波介质材料的方法，提高了产品低气压下耐大功率击穿的能力；同时，通过阶梯阻抗变换结构实现双脊波导到矩形波导的宽带匹配，匹配性能良好；另外，消失模波导加载容性元件，结构紧凑，利于小型化应用。

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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

鲁国林 男，（1983—），工程师。主要研究方向：微波毫米波无源器件及平面阵列天线、大功率滤波器低气压放电及微放电、固态等离子体天线。

李宏军 男，（1971—），研究员。主要研究方向：微波毫米波无源器件及平面阵列天线。