一種基于階躍阻抗波導帶通濾波器的設計

摘要：利用階躍阻抗諧振器(SIR)結構設計波導帶通濾波器。該方法減小體積，又可以將雜散諧振頻率向高端推移，從而增加阻帶寬度，使得結構的設計獲得很大的自由。最后，利用電磁場仿真軟件對結構尺寸進行優化仿真，并實際制作一個中心頻率為780 MHz(通帶差損小于0．7 dB)的SIR帶通濾波器。實測結果和仿真結果吻合良好，達到預計指標參數。該濾波器具有體積小，結構簡單易于加工等優點。
關鍵詞：躍阻抗諧振器(SIR)；波導；帶通濾波器；壓縮體積

微波帶通濾波器作為無線電通信和雷達系統中的關鍵無源器件，目前被廣泛的研究。現在應用非常普遍的有波導濾波器、同軸濾波器、帶狀線濾波器和微帶濾波器等等。帶狀線濾波器具有小的尺寸、通過光刻技術易于加工、與其它有源電路元件易于集成等優點，在射頻和微波電路中常被使用。但是，當要求濾波器能夠承受高功率、低插損、高抑制、窄帶寬時，腔體濾波器是最好的選擇。但腔體濾波器件最大缺
點是——尺寸明顯比其他可應用在微波波段的濾波器大。因此緊湊型波導濾波器就成為微波技術領域的一個經典而又十分活躍的研究課題。
M．Makimoto和S．Yamashita證實：SIR在不減小無載Q值的情況下可縮短諧振器的長度。作者正是利用階躍阻抗諧振器(SIR)原理，實現腔體帶通濾波器體積的壓縮，并且雜散諧振頻率被移開。

1 階躍阻抗諧振器的原理
所謂階躍阻抗諧振器(SIR)，是指由2個以上具有不同特征阻抗的傳輸線組合而成的橫向電磁場或準橫向電磁場模式的諧振器。SIR的3種基本結構，如圖1(a)、(b)和(c)所示，它們分別對應的是lg／4型、lg／2型和lg型。基本的SIR結構的共同單元是，都包括開路端、短路端和它們之間的阻抗階躍結合面。他們分別看成由1個、2個和4個這樣的基本單元所組成。在圖2所示的SIR基本單元結構中，傳輸線短路端和開路端之間的特征阻抗和等效電長度分別對應為Z1、Z2和q1、q2。首先定義阻抗比Rz=Z2／Z1，隨后，通過Rz系統的討論了SIR的一些基本特性，比如：諧振條件、諧振器長度、雜散諧振頻率以及等效電路。

1．1 諧振條件
Z2-Z1tanq1tanq2=0 (1)
可以看出，SIR的諧振條件取決于q1、q2和阻抗比Rz，與均勻阻抗諧振器(UIR)的諧振條件相比，SIR設計的自由度將變大。
1．2 諧振器長度
SIR開路端與短路端之間的總電長度為qTA，即


由推導可知，q1=q2是一個特殊條件，它給出了SIR的極大或極小的長度，以后的設計都主要基于這一條件。由此可知，理論上可以用過采用較小的Rz值來無限地縮短SIR諧振器的長度，但是SIR長度被限定于對應UIR長度的兩倍。