一种可用于卫星和空间的微波滤波器

李 程,孙玉发

(安徽大学电子信息工程学院,安徽合肥230601)

0 引言

滤波器是卫星等微波通信设备的重要组成部分。超宽带滤波器作为滤波器的一个重要类型,具有广泛的用途和发展前景。常见的超宽带滤波器多在1GHz左右的特高频频段工作且有效工作带宽最大的不超过10 GHz。到目前为止,能够在频率更高的超高频和极高频段工作的超宽带滤波器并不多见[1-3]。

设计了一款能够在超高频到极高频段有效工作的微波滤波器,具有18 GHz的通带宽度,中心频率在31 GHz。与目前常见的超宽带滤波器相比较,在通带宽度和应用频带方面有较大优势。

1 凸缘波导特性和渐变线理论

凸缘波导又称脊波导、复式波,是基于矩形波导的一个变形,又有单脊、双脊和多脊之分[4-5]。单脊波导的结构模型如图1所示。

矩形波导可以阻断其截止频率以下的电磁波并使其截止频率以上的电磁波通过,即矩形波导导模的截止波长λc大于工作波长λ时才可以传输,凸缘波导作为矩形波导的一个变形同样具有此特性。利用凸缘波导这一截止特性可以实现高通滤波的功能。矩形波导的主模是TE10模,同时还存在TE20等其他高次模。一般希望只传输一种模,因为多模的存在会造成较大的能量损耗和信号的失真。由于脊棱的边缘电容效应,凸缘波导的TE10模的截止频率较矩形波导低,而高次模如TE20模的截止频率比矩形波导高,因此在一般的矩形波导的频带不到1个倍频程的情况下,凸缘波导的频带可以达到几个倍频程,即可以获得较宽的工作带宽。

图1 凸缘波导结构

凸缘波导在TE10模式下的内部电磁场分布与矩形波导类似,不同之处在于在脊棱附近的电场稍有变化。由于受到边缘电容效应的影响,脊棱与波导上壁之间可以看做有不均匀电容存在。

单位长度凸缘波导的总电容C由平板电容CS和不均匀电容Cd组成。根据文献[4]平板电容CS为:

式中,ε为介质介电常数;d为平板电容两平板之间的距离;不均匀电容为:

式中,b为凸缘波导高度。

单位长度总的等效电感是2个等效电感的并联,可以表示为:

式中,μ为磁导率[4]。

连续凸缘波导和同轴电缆之间可采用阻抗渐变线对两端不同阻抗进行逐级渐进的阻抗匹配。工程中常见的渐变线有指数渐变线、三角渐变线和切比雪夫渐变线。

指数渐变线是阻抗按照指数规律变化的一种渐变线。在渐变线总长度L一定的情况下,阻抗变化符合下式:

式中,

式中,Z0为渐变前的特性阻抗;ZL为渐变线末端的特性阻抗[5]。

2 高通滤波器的仿真设计

现设计一款截止频率为22 GHz,有效工作频带为22～40GHz,插入损耗小于1 dB,带外抑制小于-40 dB,回波损耗小于-10 dB的高通滤波器。此滤波器工作带宽较宽,采用微带线或金属膜片结构设计均无法达到设计要求。这里采用凸缘波导形式,两端集成波导同轴转换,中间段加入阻抗渐变线以匹配波导与同轴电缆,其结构如图2所示。

图2 凸缘波导滤波器结构

连续凸缘波导结构保证了滤波器的工作频带宽度,但其特性阻抗较大,如果直接与同轴电缆连接会造成回波损耗过大,影响滤波器的正常工作。为此在滤波器中引入了指数渐变线来匹配凸缘波导和同轴电缆。超高频段凸缘波导的尺寸非常小,工程实际应用时技术工艺无法实现完整的渐变线,只能取几个特定的点做阻抗阶梯跳变。根据凸缘波导特性阻抗公式[4]计算出凸缘波导的特性阻抗为1192.9 Ω,波导两端接近同轴电缆处特性阻抗为157.59 Ω。渐变线取5个点来实现1 192.9～157.59 Ω的阻抗变换。根据式(4)和式(5),计算出各个阻抗变换节尺寸与对应的特性阻抗值,如表1所示。

表1 阻抗变换节尺寸和特性阻抗

同时引入坡面脊结构,通过一个平滑的坡面将凸缘波导的脊高度抬升,进一步将凸缘波导的特性阻抗降低至50 Ω,这样可以获得和50 Ω同轴电缆良好的匹配。

通过设计目标和上述分析可以计算出总长度为146.2 mm的凸缘波导滤波器的各个具体参数为:波导宽边长度a=4.55 mm,波导高度b=1.93 mm,脊宽s=1.61 mm,脊高h=1.13 mm。

根据以上所得到的滤波器尺寸,利用目前最流行且仿真结果较准确的2种高频仿真软件HFSS和CST软件进行协同仿真,得到的S参数波形如图3所示。

图3 S参数仿真结果

从图3中可以看出,2种仿真软件的协同仿真结果吻合度较高。在21.5 GHz以下带外抑制小于-40 dB,插入损耗小于0.5 dB,回波损耗小于-12 dB,有效工作频带为 22～40 GHz,截止频率22 GHz,各项指标均达到或优于设计要求。仿真结果印证了理论中利用凸缘波导结构设计的滤波器可以获得较宽工作带宽的分析。此款高通滤波器工作在超高频和极高频段,在保证了插入损耗和带外抑制的情况下工作带宽达到了18 GHz,远远的超过了其他形式的超宽带滤波器的工作带宽,优势明显。

3 结束语

介绍了凸缘波导结构超宽带滤波器的设计过程并通过HFSS和CST仿真软件协同仿真,仿真结果显示了该方案的可行性。此滤波器采用波导结构比较稳定,不易受到复杂环境因素的影响,且工作在卫星通信使用的超高频和极高频段,适合应用于移动卫星通信和空间通信当中。较高的设计精度要求给滤波器的实际加工增加了难度,但该设计为未来超宽带滤波技术提供了一种新的思路和方法。

[1]KIRILENKO A.Evanescent-Mode Ridged Waveguide Bandpass Filters with Improved Performance[J].IEEE Transactions on Microwave Theory and Techniques,2002,50(5):1324-1327.

[2]BUDIMIR D.Design of Asymmetrical RF and Microwave BandpassFiltersby ComputerOptimization[J].IEEE Transactions on Microwave Theory and Techniques,2003,51(4):1174-1178.

[3]胡红虹,肖中银,高 山.双模谐振器设计超宽带滤波器[J].上海大学学报(自然科学版),2009,15(5):461-463.

[4]廖承恩,陈达章.微波技术基础[M].北京:国防工业出版社,1979:198-204.

[5]柯林R E.微波工程基础[M].吕继尧,译.北京:人民邮电出版社,1981:219-227.

[6]HOPPER S.The Design of Ridged Waveguide[J].IEEE Transactions on Microwave Theory and Techniques,1955,8(3):20-29.