消失模波导滤波器的新结构

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1、2003年第4期空间电子技术47消失模波导滤波器的新结构吴须大(西安空间无线电技术研究所，西安710000)摘要在已有的消失模波导滤波器设计理论的基础上，使用了两个错开又互相垂直的单杆或双杆并联容性元件和一个“45耦合螺钉的新结构，设计了二阶消失模波导滤波器，并以此结构作为一个基本单元，研制了四阶的椭圆函数滤波器。其高频仿真软件HFSS仿真的电性能和实测的实验件电性能良好。该结构可以扩展设计多种函数的小型多阶的消失模波导滤波器。主题词消失模波导滤波器结构1引言早在7O年代人们就对消失模波导滤波器进行了较深人的

2、研究，建立了有关的理论和设计方法【]～【。由于消失模波导滤波器具有体积较小、无载Q值较高和阻带谐、杂波抑制好等特点，受到微波工程师们的广泛重视，并不断地进行了开拓。对于窄带和中等带宽的消失模波导滤波器，为了设计的灵活性和提高电性能，常把谐振器内导体安放在矩形或圆形的空腔内，由早期的“一”字形排列的“梳状线”形式变成了拐弯分布的折叠形式，通过非相邻腔之间的耦合，实现椭圆函数或类椭圆函数传输特性5J，象同轴腔滤波器一样，近来较广泛地应用在星上和地面无线通信等微波系统中。但这种“折叠式”的消失模波导滤波器或同轴腔滤

3、波器，其内导体具有相同的指向，仍然属于广义的“梳状线”形结构。文章在已有的消失模波导滤波器设计理论的基础上，借助于高频仿真软件HFSS，探讨了内导体相互垂直指向的消失模波导滤波器。2消失模波导滤波器基本原理当工作波长大于截止波长时，11E模(TIⅥ模也一样)处于截止状态，在该状态，11E模波阻抗呈现感抗。因此，对于11E模来说，一段短的长度为f的消失模波导实际上相当于一个“7c”型或一个“T”型电感网络，它的等效电路表示在图1。在该图中，‰表示波导等效阻抗，y为相位常数。y：(1)A其中，为截止波长，为工作频

4、率的自由空间波长。由图1可见，只要在消失模波导里的适当间隔位置上引人合适的并联容性元件，就可形成串联电感耦合的带通滤波器。串联电感耦合的大小由相邻并联容性元件之间的间距来控制，其等效电路表示在图2。收稿日期：2003—11—24空间电子技术2003年第4期加入合适的容性元件图1一段消失模矩型波导的等效电路图2消失模波导滤波器的等效电路3消失模波导滤波器3．1并联容性元件最简单、最容易实现的并联容性元件是容性圆杆。有两种方式：一种就是通常使用的单杆，利用单杆端头(包括侧面)到对壁之间形成的电容，类似于梳状滤波器

5、、交指滤波器和同轴滤波器中四分之一波长谐振器的加载电容，这是经常使用的形式，表示在图3(a)；另一种是使用同轴的双杆，利用双杆端头(包括侧面)之间形成的电容，类似于极少使用的电容加载的半波长同轴谐振器中的加载电容，表示在图3(b)。这两种形式的容性元件都可以在消失模波导滤波器中加以应用。显然，在相同口径的消失模波导里，其同轴双杆结构的谐振频率要比单杆结构高一倍左右。(a)(b)图3并联容性元件：(a)单杆(b)双杆3．2方波导或圆波导组成的2阶滤波器单元在截止状态，传播常数为实数，y=a，此时波导内场的瞬间值

6、[6]为：e=E(ul，2)e一coscot(2)其中，u、u2分别表示电场和磁场在广义坐标系中的两个横向坐标。由此可见，波导内的电场和磁场沿波导轴向没有相位移(当波导壁有损时，相位移不为零)，并只能随时间在原地作振动。其幅度在Z方向按指数规律衰减。因此，在消失模的方波导或圆波导里，电磁场分量坐标属性没有改变。原来在传输状态下方波导或圆波导可以作双模滤波器的概念，在截止状态下，结合消失模的有关理论，也可以得到相应的应用。在方波导里，基本的消失模是TEl0模。其电磁场方向与传输的TEl0模一样。用两个容性单杆互

7、相错开并垂直地应用在消失模方波导，加入适当的两个单杆之间的互耦合和输入输出耦合，就可以做成二阶消失模方波导滤波器，类似于TE0模双模滤波器。这种形式的仿真结构表示在图4(a)。由于两个容性单杆错开的间隔不大，挨得较近，并相交叉地垂直，既有基本消失模的耦合，又有高阶消失模的耦合，在没有“45。耦合螺钉”的情况下就已经具有较大的杆间耦合。例如，在34lnln×34mill的方波导里，垂直安置两个容性单杆的直径为mill、长度为29mln、间距为14mill，在1970MHz的中心频率2003年第4期吴须大：消失模

8、波导滤波器的新结构49上两杆之间的耦合系数已经达到0．12。为了减少耦合并达到可调的目的，可在两个单杆开路端方向上的45。处加上耦合螺钉，如图4(a)所示，这样可以把耦合系数连续地进行调节。仿真的5OMHz带宽的电性能表示在图4(b)。容性单杆I45耦合螺钉容性单杆2PIofI：SMolrixD口fO＼_／／．_＼＼f／／／o／⑨唧·口粤0一己*口V1_'_．I：I1●’崞l"口，■-崞l同x频翠(