性能優(yōu)良的E面雙金屬膜片波導濾波器

1、性能優(yōu)良的E 面雙金屬膜片波導濾波器馬敏1 黃健1 喻志遠2 甘體國1(1.中國西南電子技術(shù)研究所，四川 成都 610036)(2. 電子科技大學物理電子學院應用所，四川 成都 610054)摘要本文采用復功率守恒技術(shù)1分析E面雙金屬膜片波導濾波器，并考慮到膜片端面的電壁條件的修正，得到了準確的分析結(jié)果。這種分析方法易于編程，有助于工程設計。最后還設計了一個Ka波段雙金屬膜片波導濾波器。測試結(jié)果和理論分析吻合較好。關(guān)鍵詞：E面金屬膜片、波導濾波器、高阻帶特性濾波器、復功率守恒技術(shù)一、引 言E面結(jié)構(gòu)波導濾波器自1974年Konishi2提出以來，經(jīng)過長期的發(fā)展，已成為毫米波段廣泛使用的濾波器形式

2、。但這種結(jié)構(gòu)濾波器的阻帶特性并不令人滿意，很難得到陡峭的帶外特性。為了有效地改善阻帶特性，3等人于1984年首次提出了E面雙金屬膜片結(jié)構(gòu)。這種結(jié)構(gòu)具有很好的帶外特性，矩形特性較好。本文以模式匹配法為基礎，考慮到膜片端面電壁條件的修正1，對E面雙金屬膜片結(jié)構(gòu)做了全面的分析，給出了簡明的計算公式，最后還設計了一只具有高阻帶特性的Ka波段E面波導濾波器，測試結(jié)果與分析結(jié)果吻合良好。二、E面雙金屬膜片結(jié)構(gòu)的理論分析 E面雙金屬膜片濾波器的結(jié)構(gòu)如圖一所示。在矩形波導的面等距離地插入與面平行的兩個金屬膜片構(gòu)成，金屬片每相隔一定長度被挖去一部分，兩金屬片結(jié)構(gòu)完全一樣，相對應的膜片端面處于同一平面上。其中，膜

3、片起耦合作用，相鄰膜片之間則構(gòu)成諧振腔。E面雙金屬膜片的波導基本結(jié)構(gòu)尺寸如圖二，它可以用如圖三所示的T形網(wǎng)絡來等效。 圖一面雙金屬膜片波導濾波器及其膜片結(jié)構(gòu)由于膜片關(guān)于T0面對稱，采用奇偶模分析可以由T0面開路及短路時從z=0面看入的單口網(wǎng)絡歸一化輸入導納yoc及ysc求解等效網(wǎng)絡中的xs、xp值，計算公式如下： ， (1)yocT0面短路時z=0面歸一化輸入導納;xs等效網(wǎng)絡歸一化串聯(lián)電抗yscT0面開路時z=0面歸一化輸入導納;xp等效網(wǎng)絡歸一化并聯(lián)電抗jxpjxsjxsT0IIIIIIX0IIw/2 wZ圖二 波導E面雙金屬膜片結(jié)構(gòu) 圖三 波導E面雙金屬膜片的T形等效網(wǎng)絡由上面分析可知，

4、問題關(guān)鍵在于計算T0面短路及開路時的z=0面輸入導納。參照圖二,由于入射波為TE10波時各不連續(xù)面只激發(fā)TEn0高次模，所以I、II、III區(qū)的場量可展開為TEn0模場量的疊加。由亥姆霍茲方程和邊界條件在z=0面上可分別求出靠近I、II、III區(qū)一側(cè)的切向場量、。 因在z=0面上，有， 所以： （2） （3）其中：為I區(qū)入射波； 為II 、III區(qū)反射波；為II區(qū)入射波；為III 區(qū)入射波。 由于輸入復功率，I、II、III區(qū)的輸入復功率也很易求得。根據(jù)功率無損耗，有P1=2PII+PIII，所以： （4）其中： ， （ n=2l+1,l=0,1,2,）以下的矩陣運算過程與文獻1相同

5、，計算后得到模的反射系數(shù)： （5）若z=w/2面插入電壁，則取U1、U2中號或號上面的符號，若插入磁壁則取下面的符號。相應的TE10模反射系數(shù)為G1 、G2 ，由此可計算出z0面的歸一化輸入導納： （6）然后，考慮兩個膜片端面電壁條件的修正。修正的方法也與文獻1相同。 三、E面雙膜片結(jié)構(gòu)與單膜片結(jié)構(gòu)比較Zmmmm´3.556mm）,兩者帶寬同為1.2GHZ，都采用五腔結(jié)構(gòu)。從圖中我們可以看出，雙膜片結(jié)構(gòu)具有很好的高端阻帶特性，帶外衰減在所計算頻率范圍內(nèi)可達89.16dB，而相應的單膜片結(jié)構(gòu)僅為67dB。在阻帶高端，單膜片結(jié)構(gòu)在40.72GHz處出現(xiàn)衰減最大值，頻率高于40.72GHz

6、后阻帶衰減便開始減小。而雙膜片結(jié)構(gòu)濾波器在42GHz處的仍可達89.16dB的衰減，并且還未出現(xiàn)阻帶衰減減小的趨勢。雖然由于程序計算頻率范圍的限制我們看不到兩種濾波器的衰減零點，但顯然雙膜片結(jié)構(gòu)濾波器的阻帶寬度比單膜片結(jié)構(gòu)的阻帶寬度寬得多，矩形度更佳。虛線為單膜片結(jié)構(gòu)濾波器 實線為雙膜片結(jié)構(gòu)濾波器膜片寬度(mm): 膜片寬度(mm):w1w6=0.99 w1w6=w2=w5=3.61 w2=w5=w3=w4=4.13 w3=w4=諧振腔長度(mm): 諧振腔長度(mm): L1=L5=3.59 L1=L5=L2=L4=3.57 L2=L4=L3= 3.57 L3=圖四 單、雙膜片濾波器頻率響應

7、比較 E面雙金屬膜片濾波器的這種優(yōu)越性是很容易理解的。因為波導中的工作波長必須滿足a2a的條件，我們將膜片分隔成的區(qū)域稱為子波導，子波導寬度越小，截止頻率也越高，對應截止頻率以下某一頻率的輸入波其衰減便越大。所以E面雙金屬膜片濾波器的阻帶性能高于單膜片結(jié)構(gòu)。 四 實驗結(jié)果膜片寬度(mm):w1w6=w2=w5=w3=w4=2.18 諧振腔長度(mm): L1=L5=L2=L4=L3= 4.41 虛線為實測曲線，實線為計算曲線圖五 雙金屬膜片實測曲線與分析曲線的比較圖五所示為根據(jù)工程需要設計的一只E面雙金屬膜片波導濾波器的分析結(jié)果與實測結(jié)果的比較。設計中心頻率仍為35.5GHz，3dB帶寬為0.

8、5GHz。由于實驗儀器的動態(tài)范圍有限，只能測到60dB左右的衰減，所以只能描出2GHz范圍的頻率響應曲線。從圖中可以看出，實測結(jié)果與分析結(jié)果的頻率響應曲線形狀吻合良好。實測帶寬為0.45GHz，帶內(nèi)最小衰減為1.35dB，中心頻率為35.73GHz，在偏離邊帶0.5GHz處兩邊阻帶均可達45dB以上的衰減，顯示了雙膜片濾波器優(yōu)良的帶外特性。實測中濾波器的中心頻率比設計中心頻率往高端偏了0.23GHz，這主要地由于機械加工誤差帶來的。經(jīng)仔細測量后發(fā)現(xiàn)濾波器的諧振腔長度普遍略為偏短，另一方面，若安裝時兩個金屬膜片端面沒有對齊也會造成一些影響。五、結(jié) 論本文對E面雙膜片結(jié)構(gòu)波導濾波器進行了全面的分析

9、，給出了矩陣計算公式，在理論證明了此種結(jié)構(gòu)的優(yōu)越性。同時還設計了一只Ka波段E面雙金屬膜片結(jié)構(gòu)波導濾波器，實測結(jié)果與分析結(jié)果吻合較好，顯示了其優(yōu)良的阻帶特性。 主要參考文獻1黃建 甘體國：波導E面金屬膜片濾波器的分析 ， 微波學報 1999,15(3):257261。2Y.Konishi,K.Venakada.The design of a bandpass filter with inductive strip-planar circuit mounted in waveguide ,IEEE Trans. MTT,1974;22(10):869878.3Fritz Arndt,E-Plane integrated circuit filters with improved stopband attenuation,IEEE Trans.MTT,1984;32(10):139