0 引言

    隨著無線通信系統的快速發展，對如何進一步提高電路性能、減輕電子器件的體積以及提高工作頻率等提出了更高的要求。濾波器作為通信系統重要的器件之一，其性能優劣對系統有著很大影響。消失模波導濾波器以其結構緊湊、帶外抑制度高、損耗低及可靠性高等優點而廣泛應用于衛星通信、電子對抗等領域^[1-3]。消失模波導濾波器較傳統腔體濾波器最顯著的特點是具有寬阻帶和體積小，其阻帶寬度和消失模波導尺寸有著緊密聯系。SOTO P^[4]對消失模波導濾波器中各參數尺寸對濾波器各項性能影響做了比較系統的分析，并提出了消失模波導帶通濾波器的權衡設計方法。

    本文工作主要是在消失模波導帶通濾波器基礎上研究進一步展寬其阻帶寬度。首先簡單介紹了消失模波導的基本特性以及通過加載容性柱設計了Ku波段窄帶濾波器，最后通過電磁仿真軟件HFSS（High Frequency Structure Simulator）著重分析了在空載段波導加載微擾金屬柱對濾波器阻帶性能的影響。

1 消失模波導帶通濾波器設計

1.1 消失模波導特性分析

    消失模波導是指工作在截止頻率以下的波導，根據波導的基本理論可以得到，在理想情況下，在截止頻率以下，波導內只有能量的存儲，沒有能量傳輸。這里理想情況指：波導壁的電導率無窮大、填充介質無損耗、波導無窮長或終端匹配。但在現實中這種理想情況是不存在的，因此，盡管電磁場在波導內處于消失態，但仍具有波動性，可以傳輸有功功率。

    對于TE模，消失模波導的波特性阻抗是電抗性，如果在波導內加載適當的電容結構，可以形成單個諧振器。如果加載多個電容結構可形成帶通濾波器。其中，加載電容端為諧振單位，空載段的截止波導為耦合結構。圖1給出了一端消失模波導加載電容結構TE模的等效電路圖。

1.2 五階消失模波導帶通濾波器設計

    通過在消失模波導中加載具有電容性質的金屬塊設計了一款帶通濾波器，中心頻率為12.5 GHz，相對帶寬4%。濾波器結構如圖2所示，中間消失模波導加載了5個相同金屬柱，兩端連接輸入輸出耦合波導，耦合波導與消失模波導等高，這樣減少波導端面不連續帶來的反射，使信號更好地過渡到消失模波導中，采用同軸探針方式饋電，金屬柱的中心和同軸探針在濾波器的水平中心軸線上。

    在濾波器設計過程中，首先要確定消失模波導的寬邊we和窄邊 h，寬邊越小，波導的截止頻率越高，這里消失模波導尺寸可根據文獻[5]中的設計步驟確定，本例中取寬邊w_e=9 mm，h=5 mm。然后在HFSS仿真軟件中建立圖3模型，利用其本征求解模式計算諧振頻率，通過調節金屬柱的尺寸使諧振頻率為濾波器的中心頻率。根據切比雪夫濾波器耦合矩陣的綜合方法[6]確定五階切比雪夫濾波器的歸一化耦合矩陣M，如下所示。

    諧振器之間的耦合系數k_ij可由式(1)求得：

其中FBW為濾波器的相對帶寬，m_ij為歸一化耦合矩陣中對應的元素。在HFSS軟件中建立求兩個諧振器之間耦合系數的模型，使仿真計算的耦合系數值等于理論計算值k_ij。最終的仿真優化結果如圖4所示，從圖中可以看出設計的濾波器在14 GHz～20 GHz的S₂₁在-70 dB以下，在21 GHz、21.75 GHz和22.7 GHz處突起。

2 加載微擾金屬柱的消失模波導帶通濾波器設計

    消失模波導加載容性金屬柱可以作為一個諧振器單元，而加載容性金屬柱之間的空載波導作為諧振器之間的耦合結構，由上面的等效電路可知，諧振器之間的耦合為電感耦合。

    如圖5所示，通過在空載波導加載小金屬柱改變諧振器之間的耦合結構，使原來的電感耦合變成具有電感電容的混合耦合。加載的微擾金屬塊對每個諧振器單元諧振頻率幾乎沒有影響，只是改變了相鄰諧振器單元之間的耦合結構，為了使帶內特性與未加載微擾金屬柱的濾波器一致，只需調節相鄰金屬柱之間的距離使耦合強度保持不變。

    圖6給出了微擾金屬柱加載在柱2和柱4之間的濾波器的結構參數，濾波器關于柱3中心線對稱，增大柱2和柱3之間的距離d_23來平衡微擾金屬柱加載帶來的耦合強度的變化。微擾金屬柱的加載位置也可以在柱1和柱2之間、柱4和柱5之間。

    通過HFSS軟件仿真優化，比較這兩種不同加載位置對濾波器阻帶的影響，濾波器的S參數仿真結果如圖7所示，濾波器Ⅰ：圖5所示的濾波器；濾波器Ⅱ：在柱1和柱2、柱4和柱5之間加載微擾金屬柱的濾波器。從仿真結果可以看出，濾波器Ⅰ在帶外19 GHz附近S₂₁有突起，S₂₁值為-16 dB，而濾波器Ⅱ在帶外18.5 GHz附近和22.5 GHz處S₂₁突起，但其值仍可達到-22 dB以下。和圖2所示的未加載微擾金屬柱濾波器相比可知，雖然加載微擾金屬柱使濾波器在18.5 GHz附近S₂₁略有突起，但此法有效抑制了原始的第一寄生通帶內21 GHz、21.75 GHz和22.7 GHz處的突起，從而起到了寬展阻帶的效果。

3 測量與分析

    為了驗證設計的準確性，對圖5所示的濾波器進行了加工測量，濾波器的參數尺寸在表1列出。

    濾波器的測量結果如圖8(a)、圖8(b)所示，帶內插損為0.5 dB左右，帶內 S₁₁在-16 dB以下。濾波器在14 GHz～18 GHz抑制可達60 dB以下，在14 GHz～36 GHz抑制均在20 dB以下，實測結果與仿真結果一致。

4 結論

    本文研究了如何提高消失模波導帶通濾波器的阻帶性能，通過在空載段波導加載微擾金屬柱可以優化濾波器的帶外性能。最后，設計了一個Ku波段的五階消失模波導帶通濾波器，測量結果表明采用加載微擾金屬柱的方法有效地抑制了第一寄生通帶內的毛刺突起，并且阻帶至三倍頻內抑制均在20 dB以下。

參考文獻

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[2] Zhu Wei，Jia Baofu，Zhang Xiaoqin.The novel design of wide-band evanescent mode waveguide bandpass Filter，ICECC 2011：2940-2943.

[3] 杜勇.消失模波導濾波器及正交耦合模的設計[D].西安：電子科技大學，2008.

[4] SOTO P，LLANOS D D，BORIA V E，et al.Performance analysis and comparison of symmetrical and asymmetrical configurations of evanescent mode ridge waveguide filters，Radio Science，2009，44(6)：1-16.

[5] SOTO P，LLANOS D D，BORIA V E，et al.Efficient analysis and design strategies for evanescent mode ridge waveguide filters，Proceedings of 36th European Microwave Conference，2006：1095-1098.

[6] RICHARD J CAMERON.General coupling matrix synthesis methods for chebyshev filtering functions，IEEE Trans-MTT，1999，47(4)：433-442.

作者信息：

李  坤，屈德新，鐘興建，陳  正

（解放軍理工大學 通信工程學院，江蘇 南京210007）