性能優(yōu)良的E 面雙金屬膜片波導(dǎo)濾波器

1、性能優(yōu)良的E 面雙金屬膜片波導(dǎo)濾波器馬敏1 黃健1 喻志遠(yuǎn)2 甘體國(guó)1(1.中國(guó)西南電子技術(shù)研究所，四川 成都 610036)(2. 電子科技大學(xué)物理電子學(xué)院應(yīng)用所，四川 成都 610054)摘要本文采用復(fù)功率守恒技術(shù)1分析E面雙金屬膜片波導(dǎo)濾波器，并考慮到膜片端面的電壁條件的修正，得到了準(zhǔn)確的分析結(jié)果。這種分析方法易于編程，有助于工程設(shè)計(jì)。最后還設(shè)計(jì)了一個(gè)Ka波段雙金屬膜片波導(dǎo)濾波器。測(cè)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(dǎo)濾波器、高阻帶特性濾波器、復(fù)功率守恒技術(shù)一、引 言E面結(jié)構(gòu)波導(dǎo)濾波器自1974年Konishi2提出以來(lái)，經(jīng)過(guò)長(zhǎng)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(mǎn)意，很難得到陡峭的帶外特性。為了有效地改善阻帶特性，F(xiàn).Arndt3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(chǔ)，考慮到膜片端面電壁條件的修正1，對(duì)E面雙金屬膜片結(jié)構(gòu)做了全面的分析，給出了簡(jiǎn)明的計(jì)算公式，最后還設(shè)計(jì)了一只具有高阻帶特性的Ka波段E面波導(dǎo)濾波器，測(cè)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(dǎo)的面等距離地插入與面平行的兩個(gè)金屬膜片構(gòu)成，金屬片每相隔一定長(zhǎng)度被挖去一部分，兩金屬片結(jié)構(gòu)完全一樣，相對(duì)應(yīng)的膜片端面處于同一平

3、面上。其中，膜片起耦合作用，相鄰膜片之間則構(gòu)成諧振腔。E面雙金屬膜片的波導(dǎo)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(luò)來(lái)等效。 圖一面雙金屬膜片波導(dǎo)濾波器及其膜片結(jié)構(gòu)由于膜片關(guān)于T0面對(duì)稱(chēng)，采用奇偶模分析可以由T0面開(kāi)路及短路時(shí)從z=0面看入的單口網(wǎng)絡(luò)歸一化輸入導(dǎo)納yoc及ysc求解等效網(wǎng)絡(luò)中的xs、xp值，計(jì)算公式如下： ， (1)yocT0面短路時(shí)z=0面歸一化輸入導(dǎo)納;xs等效網(wǎng)絡(luò)歸一化串聯(lián)電抗yscT0面開(kāi)路時(shí)z=0面歸一化輸入導(dǎo)納;xp等效網(wǎng)絡(luò)歸一化并聯(lián)電抗jxpjxsjxsT0IIIIIIX0IIw/2 wZ圖二 波導(dǎo)E面雙金屬膜片結(jié)構(gòu) 圖三 波導(dǎo)E面雙金屬膜片的T形等效網(wǎng)絡(luò)由

4、上面分析可知，問(wèn)題關(guān)鍵在于計(jì)算T0面短路及開(kāi)路時(shí)的z=0面輸入導(dǎo)納。參照?qǐng)D二,由于入射波為T(mén)E10波時(shí)各不連續(xù)面只激發(fā)TEn0高次模，所以I、II、III區(qū)的場(chǎng)量可展開(kāi)為T(mén)En0模場(chǎng)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(chǎng)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(fù)功率，I、II、III區(qū)的輸入復(fù)功率也很易求得。根據(jù)功率無(wú)損耗，有P1=2PII+PIII，所以： （4）其中： ， （ n=2l+1,l=0,1,2,）以下的矩陣運(yùn)算過(guò)

5、程與文獻(xiàn)1相同，計(jì)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(hào)或號(hào)上面的符號(hào)，若插入磁壁則取下面的符號(hào)。相應(yīng)的TE10模反射系數(shù)為G1 、G2 ，由此可計(jì)算出z0面的歸一化輸入導(dǎo)納： （6）然后，考慮兩個(gè)膜片端面電壁條件的修正。修正的方法也與文獻(xiàn)1相同。 三、E面雙膜片結(jié)構(gòu)與單膜片結(jié)構(gòu)比較圖四所示為采用所編CAD軟件包所設(shè)計(jì)的中心頻率同為35.5GHZ，且插入膜片厚度均為0.2mm的E面雙膜片結(jié)構(gòu)和單膜片結(jié)構(gòu)濾波器的頻率響應(yīng)曲線的比較。兩種結(jié)構(gòu)均采用BJ-320波導(dǎo)（波導(dǎo)口徑7.112mm´3.556mm）,兩者帶寬同為1.2GHZ，都采用五腔結(jié)構(gòu)。從圖中

6、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(jì)算頻率范圍內(nèi)可達(dá)89.16dB，而相應(yīng)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后阻帶衰減便開(kāi)始減小。而雙膜片結(jié)構(gòu)濾波器在42GHz處的仍可達(dá)89.16dB的衰減，并且還未出現(xiàn)阻帶衰減減小的趨勢(shì)。雖然由于程序計(jì)算頻率范圍的限制我們看不到兩種濾波器的衰減零點(diǎn)，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(shí)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=0.18w2=w5=3.6

7、1 w2=w5=1.36w3=w4=4.13 w3=w4=1.54諧振腔長(zhǎng)度(mm): 諧振腔長(zhǎng)度(mm): L1=L5=3.59 L1=L5=4.30L2=L4=3.57 L2=L4=4.40L3= 3.57 L3= 4.40圖四 單、雙膜片濾波器頻率響應(yīng)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?yàn)椴▽?dǎo)中的工作波長(zhǎng)必須滿(mǎn)足a2a的條件，我們將膜片分隔成的區(qū)域稱(chēng)為子波導(dǎo)，子波導(dǎo)寬度越小，截止頻率也越高，對(duì)應(yīng)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(shí)驗(yàn)結(jié)果膜片寬度(mm):w1w6=0.32w2=w5=1.92w3=w4=2

8、.18 諧振腔長(zhǎng)度(mm): L1=L5=4.33L2=L4=4.41L3= 4.41 虛線為實(shí)測(cè)曲線，實(shí)線為計(jì)算曲線圖五 雙金屬膜片實(shí)測(cè)曲線與分析曲線的比較圖五所示為根據(jù)工程需要設(shè)計(jì)的一只E面雙金屬膜片波導(dǎo)濾波器的分析結(jié)果與實(shí)測(cè)結(jié)果的比較。設(shè)計(jì)中心頻率仍為35.5GHz，3dB帶寬為0.5GHz。由于實(shí)驗(yàn)儀器的動(dòng)態(tài)范圍有限，只能測(cè)到60dB左右的衰減，所以只能描出2GHz范圍的頻率響應(yīng)曲線。從圖中可以看出，實(shí)測(cè)結(jié)果與分析結(jié)果的頻率響應(yīng)曲線形狀吻合良好。實(shí)測(cè)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(dá)45dB以上的衰減，顯

9、示了雙膜片濾波器優(yōu)良的帶外特性。實(shí)測(cè)中濾波器的中心頻率比設(shè)計(jì)中心頻率往高端偏了0.23GHz，這主要地由于機(jī)械加工誤差帶來(lái)的。經(jīng)仔細(xì)測(cè)量后發(fā)現(xiàn)濾波器的諧振腔長(zhǎng)度普遍略為偏短，另一方面，若安裝時(shí)兩個(gè)金屬膜片端面沒(méi)有對(duì)齊也會(huì)造成一些影響。五、結(jié) 論本文對(duì)E面雙膜片結(jié)構(gòu)波導(dǎo)濾波器進(jìn)行了全面的分析，給出了矩陣計(jì)算公式，在理論證明了此種結(jié)構(gòu)的優(yōu)越性。同時(shí)還設(shè)計(jì)了一只Ka波段E面雙金屬膜片結(jié)構(gòu)波導(dǎo)濾波器，實(shí)測(cè)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(xiàn)1黃建 甘體國(guó)：波導(dǎo)E面金屬膜片濾波器的分析 ， 微波學(xué)報(bào) 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(