凹形膜片電容加載波導(dǎo)濾波器

　　現(xiàn)代通訊技術(shù)，比如衛(wèi)星通訊和機(jī)載雷達(dá)對(duì)濾波器的性能、體積、重量等都提出了嚴(yán)格的要求。波導(dǎo)濾波器具有高功率容量，低插損和良好的頻率選擇特性等特點(diǎn)。但是，由于受器件工作原理的限制，普通的波導(dǎo)濾波器的體積比較大，特別是在頻率比較低的微波頻段。現(xiàn)代通訊技術(shù)，比如機(jī)載雷達(dá)和衛(wèi)星通訊技術(shù)對(duì)波導(dǎo)濾波器的性能、體積、重量等都提出了嚴(yán)格的要求。緊湊型波導(dǎo)濾波器是微波技術(shù)領(lǐng)域的一個(gè)經(jīng)典而又十分活躍的研究課題。2003年， Vlad Lenive 和 John Ness 報(bào)告了一種采用高度減小的波導(dǎo)的緊湊型波導(dǎo)濾波器。2006年， Christen Rauscher報(bào)告了一種采用介質(zhì)填充和脊波導(dǎo)加載的緊湊型波導(dǎo)濾波器。本文將報(bào)告一種凹形膜片電容加載的沒(méi)有介質(zhì)填充的緊湊型波導(dǎo)濾波器。

　　圖1 (a)傳輸線(xiàn)和(b)電容加載的緊湊型傳輸線(xiàn)

　　2 電容加載的基本理論和分析

　　圖1給出了一根傳輸線(xiàn)和 另一根中間加載電容的傳輸線(xiàn)。利用傳輸線(xiàn)的矩陣和簡(jiǎn)單的運(yùn)算，我們可以得到上述兩根傳輸線(xiàn)在滿(mǎn)足以下條件時(shí)等效：

(1)

(2)

　　從(1)可以看到，。

　　由(2), 當(dāng)時(shí) (3)。

　　由(3), 當(dāng)很大時(shí),可以比小得多。也就是說(shuō)，電容加載的傳輸線(xiàn)的長(zhǎng)度可以大大縮短。

　　3 22G波導(dǎo)濾波器的設(shè)計(jì)

　　本文設(shè)計(jì)的濾波器是采用凹形膜片電容加載的帶通濾波器，設(shè)計(jì)的具體指標(biāo)為：濾波器級(jí)數(shù)為=3，中心頻率=22GHz , 帶寬4GHZ, 輸入/輸出駐波比: <1.5,阻帶抑制: >15dB, 17G和27G以外, 27G~32G之間，連接方式：標(biāo)準(zhǔn)BJ220法蘭盤(pán)，外形結(jié)構(gòu)：直的，環(huán)境條件：工作溫度：液氮下，采用凹形膜片電容加載。

　　下面我們利用CAD工具CST來(lái)設(shè)計(jì)波導(dǎo)濾波器。根據(jù)波導(dǎo)濾波器的理論，波導(dǎo)濾波器可以由一系列中間開(kāi)口的電感性膜片通過(guò)長(zhǎng)度近似為半波長(zhǎng)的波導(dǎo)連接而構(gòu)成。由(3)，我們可以用加載電容的波導(dǎo)代替一般波導(dǎo)來(lái)連接這些電感性膜片，從而縮短濾波器的長(zhǎng)度。濾波器設(shè)計(jì)的結(jié)構(gòu)圖如圖3所示：

　　圖2 凹型膜片的結(jié)構(gòu)

　　圖3 凹形膜片電容加載波導(dǎo)濾波器示意圖　　圖3給出了電容加載的3階凹形膜片電容加載波導(dǎo)濾波器的示意圖。濾波器由常規(guī)波導(dǎo)濾波器加3個(gè)電容凸臺(tái)組成。波導(dǎo)寬和高分別為和，凸臺(tái)的橫向?qū)挾葁, 縱向長(zhǎng)度中間和兩邊分別為t2和t1。凸臺(tái)的高度中間為h2, 兩邊為h1。連接4個(gè)電容膜片的波導(dǎo)長(zhǎng)度從左到右依次為2L1+t1, 2L2+t2,2L1+t1。每?jī)蓚€(gè)腔體之間采用凹形膜片，膜片厚度為t,膜片寬度兩邊和中間分別為W1和W2，高度都為3.32。通過(guò)改變膜片寬度，高度和厚度可以調(diào)節(jié)諧振頻率。根據(jù)設(shè)計(jì)指標(biāo)通過(guò)CAD軟件CST仿真和優(yōu)化此濾波器模型可以得到如下圖4仿真曲線(xiàn)：

　　圖4 凹形膜片電容加載波導(dǎo)濾波器仿真曲線(xiàn)

表1 濾波器設(shè)計(jì)參數(shù)

　　4 結(jié)論

　　本文介紹了一種凹形膜片電容加載的緊湊型波導(dǎo)濾波器。我們首先根據(jù)傳輸線(xiàn)理論證明了采用電容加載的方式可以使傳輸線(xiàn)的長(zhǎng)度縮短。采用CAD模擬，我們得到了22G波導(dǎo)濾波器的結(jié)構(gòu)參數(shù)。通過(guò)CAD軟件仿真優(yōu)化說(shuō)明了該濾波器具有體積小，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單易于加工等優(yōu)點(diǎn)。