Ka频段高功率超窄带带通滤波器设计

刘海旭

(中国电子科技集团公司第二十七研究所，郑州450047)

Ka频段高功率超窄带带通滤波器设计

刘海旭*

(中国电子科技集团公司第二十七研究所，郑州450047)

针对某型号设备需要，设计了一种Ka频段高功率、超窄带滤波器，采用圆波导高次模结构，利用耦合矩阵系数法，结合三维电磁场仿真对滤波器进行了分析，优化出结构尺寸，给出了该滤波器的仿真结果，并对该滤波器在常压和真空环境下所能承受的功率进行了近似分析，最终设计了一款相对带宽约0.1%的Ka频段高功率超窄带带通滤波器，经过调试，整个通带插入损耗小于0.4 dB，带内驻波小于1.25，带内平坦度小于0.2 dB，与仿真计算结果基本一致。

Ka频段;高次模;高功率;超窄带;耦合矩阵

作为一种基本的微波元器件，波导带通滤波器广泛用于各种微波系统中，如卫星通信系统、电子对抗系统、雷达系统等［1-3］。对于Ka频段波导带通滤波器，设计过程中多采用圆波导E面鳍线式、波导膜片或电感棒式［4-6］，但对于超窄带通带带通滤波器，特别是相对带宽小于1%的滤波器而言，上述方案即呈现出明显的缺陷:通带损耗较大，很多微波系统难以接受;耦合尺寸很小，结构实现困难。另外，圆波导带通滤波器一般采用波导基模作为工作模式，设计出的滤波器功率容量相对较低。本文依据模式耦合系数矩阵，利用圆柱谐振腔高次模作为工作模式，提出了一种相对带宽极窄通带的波导带通滤波器设计方法，相对带宽不足0.1%，不仅降低了加工难度，而且大大提高了滤波器功率容量。

1 滤波器设计

1.1 理论分析

对于任意一个包含N个谐振器的二端口无耗网络，其传输函数和反射函数可以表示为如下的N节代数式:

式中:EN(ω)为滤波器输入信号多项式，PN(ω)为滤波器输出信号多项式，FN(ω)为滤波器反射信号多项式，ω是实频变量，它与复频变量的关系为:s= jω，对于广义切比雪夫函数，ε是一个常数，由下式定义:

式中，RL是回波损耗(单位:dB)，并假定式中所有多项式归一化，以使其最高次系数是单位1，ε11(ω)和ε12(ω)具有相同分母εN(ω)，其中多项式包含了传输零点。图1是N节滤波网络示意图，与其等效的电路图如图2所示。根据等效电路法和级联网络传递矩阵可以分析滤波器的传输反射特性［7］。我们这里采用另一种方法。

图1 N节滤波器网络示意图

图2 N节滤波器网络等效电路图

根据双端口等效网络理论和前面的传输和反射多项式可以推导出网络的导纳函数［YN］。图3是交叉耦合带通网络结构示意图。图3中电路原型的耦合系数和网络端口阻抗假设是不随频率变化，通过低通原型到带通原型的变换，依照Cameron［8］R J在1999年文章中给出的方法，根据给出的具体要求，最终可以综合出满足指标的滤波器耦合系数矩阵M。

图3 滤波器耦合网络示意图

本文所设计Ka频段窄带带通滤波器的主要电性能指标为:中心频率f0工作带宽35 MHz，带内中心频率处插入损耗低于0.6 dB，带内35 MHz范围内损耗起伏不超过0.3 dB，带外f0±60 MHz处抑制应大于25 dB。带内驻波小于1.25;接口为BJ320标准波导法兰。根据指标要求，通过理论分析，选择4节Chebyshev滤波函数，按照前面给出的方法，通过软件编程计算出满足要求的滤波器的耦合矩阵［M］为:

1.2 电磁场仿真及优化

根据要求选择了圆波导膜片方案来实现该滤波器，考虑到毫米波频段产品小型化及功率容量的需求，选用谐振TM211模作为滤波器中的谐振模式，记过初步计算及仿真，单个谐振腔模型结构及电场分布如图4所示。

图4 谐振腔TM211模式电场结构

滤波器圆柱谐振腔之间及圆柱谐振腔与矩形波导采用矩形耦合口级联，滤波器输入输出接口采用BJ320标准法兰，l1，l2，l3，l4分别为相应谐振腔长度，r为谐振腔半径，整个滤波器结构示意图如图5所示。

图5 滤波器结构模型

在确定单个谐振腔大小以后，根据耦合矩阵系数［M］，经过电磁场优化仿真，可以初步得出满足耦合系数的耦合窗结构尺寸。按照图4将矩形波导及圆柱腔进行级联，对滤波器进行整体结构仿真，并对滤波器耦合窗高度h、宽度w、厚度d及圆柱腔的尺寸进行适当调整，最终得到滤波器尺寸(mm): l1=16.87，l2=17，l3=17，l4=16.87，r=5.1，h=1.00，w1=3.23，w2=2.22，w3=2.30，w4=2.52，w5=3.43，d=0.5 mm，滤波器最终仿真结果如图6所示。

图6 滤波器仿真结果

2 加工及测试

工作频段高和通带带宽极窄等特点导致了波导滤波器对结构尺寸非常敏感，进行精细加工及组装已非常必要。滤波器分成矩形波导节，圆波导节，膜片窗口，调谐螺钉分别进行加工，加工精度要求控制在±0.02mm，表面镀银处理，加工完成后，按顺序用螺钉将圆柱腔及膜片紧固连接，保证安装过程中滤波器内部腔体无污染。加工组装后实物照片如图7所示。

图8为调试后样件的测试结果，与图6仿真结果比较，发现测试结果与仿真计算曲线基本一致，中心频率的插入损耗约0.35 dB，带内35 MHz的幅频起伏小于0.2 dB，带外f0±60 MHz处抑制均大于25 dB，完全满足设计要求。

图7 滤波器实物照片

图8 滤波器测试结果

3 滤波器功率容量估算

当滤波器输入功率为P=1 W时，滤波器电场强度分布图如图9所示。滤波器最大场强为5.86× 104V/m，又P∝E2，可有公式［9］

图9 输入功率1W时滤波器电场分布图

初略计算理想情况下滤波器功率容量。Emax为常压下空气击穿电场，当空气击穿电场Emax=2.96× 106V/M时，滤波器可承受的最大功率Pmax可达2 500W;在抽真空下滤波器可承受的更高功率。

4 结论

提出了一种Ka频段高功率、超窄带滤波器设计方法，采用圆波导高次模结构，利用耦合矩阵系数法，结合三维电磁场仿真对滤波器进行了分析，优化出结构尺寸，给出了该滤波器的仿真结果，并对所能承受的功率进行了简单分析，设计了一款相对带宽约0.1%的Ka频段高功率超窄带带通滤波器，经过调试、测试，整个通带插入损耗小于0.4 dB，带内驻波小于1.25，带内平坦度小于0.2 dB，测试结果与仿真计算结果基本一致。

［1］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，1974:276-291.

［2］Levy R，Snyder R V，Mattahae IG.Design of Microwave Filters［J］.IEEE Transactions on Microwave Theory and Techniques，2002，50(3):783-793.

［3］周颖，褚庆昕.大功率波纹波导谐波滤波器［C］//2003全国微波毫米波会议，2003:527-530.

［4］Vahldieek R，Bornemann J，Arndt F，et al.Optimized Waveguide E-plane Metal Insert Filters for Millimeter2 wave Applications［J］.IEEE Trans Microwave Theory and Tech，MTT，1983，31(1): 65-69.

［5］李胜先，傅君眉，吴须大.一种微波及毫米波滤波器的精确设计方法［J］.中国空间科学技术，2005，25(6):14-18.

［6］刘宏伟，Hunter IC.毫米波E面电路双工器的计算机辅助设计［J］.红外与毫米波学报，1994，13(4):309-312.

［7］Matthaei G L，Young L，Jones EM T.Microwave Filters，Impedance Matching Networks and Coupling Structures［M］.New York: McGraw Hill，1964:102-113.

［8］Cameron R J.General Coupling Matrix Synthesis Methods for Chebyshev Filtering Functions［J］.IEEE Trans Microwave Theory Tech，1999，MTT-47:433-442.

［9］刘海旭，林福民，赵培伟，等.TM_(310)高次模圆柱形谐振腔耦合矩形波导输出回路研究［J］.电子器件，2010，33(6): 708-713.

刘海旭(1984-)，男，山东菏泽人，硕士研究生，工程师，主要研究方向为高功率微波无源器件及固态微波功率放大器电路设计，liuhaixu05@163.com。

Design of High Power Super Narrow-Band Pass-Band Filter in Ka Band

LIU Haixu*

(The 27th Research Institute of CETC，Zhengzhou 450047，China)

A kind of high power super narrow-band pass-band filter in Ka band has been designed by matrix theory analysis and 3D EM simulating high-mode for some system needs in this text.The relative band of the filter is 0.1%and max insert-loss0.4 dB，VSWR 1.25，flatness in band 0.2 dB.The sample has been produced according to the dimension of simulating，and assembled and adjusted.The power capacity of the filter has been analyzed simply in normal atmosphere and in vacuum.At last，the result ofmeasuring is the same with simulating entirely and comes to our expect.

Ka band;high-mode;high power;narrow-band;couplingmatrix

C:1270

10.3969/j.issn.1005－9490.2017.01.008

TN713.5;TN620

:A

:1005－9490(2017)01－0040－03

2016-02-02修改日期:2016-04-06