王抗美

（南京信息職業(yè)技術學院，江蘇 南京 210046）

X波段窄帶波導濾波器的研究

王抗美

（南京信息職業(yè)技術學院，江蘇 南京 210046）

文章簡述了濾波器的基本原理，涉及到變形低通濾波器的原型和頻率變換，提出了一種孔耦合波導諧振器濾波器的結構，設計了中心頻率為9.86 GHz的窄帶濾波器，中心頻率處的插入損耗小于0.5 dB，阻帶的衰減特性曲線相當陡峭。通過實驗驗證了該設計方法的可行性和正確性。

窄帶；諧振腔；波導；濾波器

微波濾波器是微波系統中的用于分離或組合各種不同頻率信號的重要元件。在雷達、微波通訊等微波系統中常常采用多工作頻率，頻率間隔相差比較小，相臨頻率之間容易發(fā)生信號的相互干擾，所以通常利用窄帶濾波器進行鄰頻隔離。濾波器的結構形式比較多，如同軸線、微帶、波導等結構形式。其中微帶結構形式濾波器的研究成果，在各類文獻中常常出現。

本文介紹的X波段窄帶波導濾波器，是一種孔耦合波導諧振器濾波器。將波導按照一定的長度分隔成波導諧振器，各個諧振器之間通過“窗口”進行信號的耦合，使部分頻率信號順利通過，實現頻率選擇性的特點，即濾波器。耦合“窗口”的尺寸對濾波器的性能起到十分關鍵的作用。本文應用現代網絡理論對孔耦合波導濾波器進行了分析和設計，并通過HFSS仿真軟件進行濾波器的驗證和修正。

1 理論分析

帶通濾波器的設計一般從集中參數低通原型出發(fā)，［4］根據實際濾波器的衰減特性曲線，選擇相應的逼近函數形式，確定濾波器的節(jié)數，從而設計出低通濾波器原型電路；經過頻率變換后，電路由串聯諧振電路和并聯諧振電路組成，實際的微波結構很難實現，因此，必須將原來的低通原形進行修改，通過阻抗變換器、K變換器或J變換器等，成為變形低通原型，然后竟頻率變換，導出帶通濾波器。

波導帶通濾波器的常見結構形式，是用波導膜片或電感銷釘作為并聯電感，1/2λ的波導段作為串聯諧振器，由于補償K變換器中負傳輸線長度，因此其實際長度均小于1/2λ。對于相對帶寬較低的窄帶濾波，在實現過程中出現難以克服的困難，通帶的損耗比較大，這是微波器件一個致命的弱點，微波系統對器件插入損耗的要求越來越高。

本文提出的窄帶波導帶通濾波器，采用波導諧振腔的結構形式，諧振腔之間采用小孔耦合。波導諧振腔的品質因素Q比較高，有文獻提出采用圓柱諧振腔，提取高次模作為諧振模式以降低濾波器的損耗。諧振腔的長度均為 L，諧振腔之間通過圓形的孔進行耦合，諧振腔與輸入輸出端通過橢圓形的孔進行耦合。利用小孔繞射理論可以計算出膜片小孔的耦合，給定 Q值和耦合系數，設計出波導耦合結構的尺寸。矩形波導諧振器通過帶孔耦合，其Q值為：

矩形波導諧振器之間的耦合系數為：

式中，λ：自由空間中的波長；

λg：波導波長；

S：沿波導傳輸方向的半波導波長；

M1：小孔上的磁化強度。小孔的磁化強度 M1為：M1＝d3/P。

對于圓形小孔，式中的系數P為6；橢圓形小孔，式中的系數 P為 0.158。應該指出，不僅相鄰的諧振單元通過“窗口”進行信號耦合，而且非相鄰的諧振單元也會通過“窗口”進行信號耦合，［2］這種耦合度比較小可以忽略。在設計波導濾波器時，一般都先用工程中的經驗公式進行計算，初步確定耦合窗口的尺寸，然后經反復的實驗，最終得到滿足設計要求的濾波器。

2 研究設計

窄帶波導濾波器的主要電性能指標為：中心頻率為 9.86 GMHz，3 dB帶寬10 MHz，20 dB帶寬為60 MHz，輸入、輸出端的特性阻抗與波導傳輸線匹配。

根據濾波器的衰減特性，綜合設計波導濾波器采用3節(jié)，通帶波紋為0.01 dB的切比雪夫原型，波導諧振器的長度為半波長，諧振器之間的耦合孔的直徑為4.3 mm，諧振器與輸入輸出端的橢圓孔高為3.9 mm，長7.8 mm。在濾波器結構中，膜片的厚度對耦合窗的尺寸有一定的影響，假如厚度比較薄則可以忽略厚度的影響。同時由于小孔的存在，對波導諧振器的諧振頻率略有降低，在實驗中需要進一步修正。

根據上述對濾波器的分析和初步設計，應用ansoft公司的HFSS電磁場分析軟件，模擬分析了窄帶波導濾波器的損耗和駐波參數，同時對器件結構參數進行調整，最終的尺寸結果為：諧振器之間的耦合孔的直徑為2.8 mm，諧振器與輸入輸出端的橢圓孔高為3.2 mm，長7 mm。仿真的結果見圖1，可以看到，濾波器的頻率特性比較對稱，中心頻率的兩側，衰減變化比較大，陡峭程度比較好。

圖1 濾波器頻率特性曲線

根據計算機模擬時的結構進行機加工，經過裝配和測試后，測量濾波器的性能與仿真的結果間仍然有一些偏差。這是由于在仿真過程中的腔體結構尺寸，可以選取任意的數值，而在機械加工過程中必定有加工的誤差，實際上波導濾波器的尺寸僅僅微調，實際的結果與仿真結果相似。

3 結束語

本文提出的窄帶波導濾波器的帶通頻段比較小，同時阻帶的插入衰減特性曲線相當陡峭，對鄰頻的抗干擾相當強。設計過程中采用了經驗公式，計算的結果需要進行調整才能滿足要求。由于波導諧振腔的Q值比較高，因此能夠實現窄帶濾波的功能，諧振腔選擇圓柱形諧振腔也能夠實現濾波的作用。

1 李勝先、傅君眉、吳須大.Ka頻段極窄通帶波導濾波器［J］.紅外與毫米波學報，2007（5）

2 Rawat, B.; Miller, R.E Improved design of a helical resonator filter for 450－500 MHZ band land mobile communication［J］ .Vehicular Technology, IEEE Transactions on Volume 33, Issue 1,Feb, 1984: 32～36

3 Kwok,R,S Dual－model helical resonator［J］. Microwave Theory and Techniques, IEEE Transactions on, Volume:48, Issue:3, March 2000: 474～477

4 甘本祓、吳萬春.現代微波濾波器的結構與設計［M］.北京：科學出版社，1973

Research of The X－band waveguide filter of narrow band

Wang Kangmei

This paper describes the basic principle of the filter, related to deformation of the prototype low－pass filter and frequency transform,a hole coupled waveguide resonator filter structure, the design of the center frequency of 9.86 GHz in the narrow band filter, the center frequency insertion loss less than 0.5 dB, stop－band attenuation curve quite steep. Experiments demonstrate the design feasibility and correctness.

narrow－band; resonant cavity; waveguide; filters

TN71

A

1000－8136（2010）33－0012－02