加载周期性脊波导的E面滤波器

来源: 作者:2018年02月11日 13:39
关键词:滤波器电路

E面插片波导滤波器由于损耗小、高Q值,成本低,加工方便,适合批量生产从而得到广泛的应用。尽管有很多优点,但是也存在着带外衰减缓慢,阻带较窄,有时尺寸过大等缺点,限制了它在很多地方的应用。为了克服E面插片波导滤波器的缺点,本文提出了一种新型的具有高度选择性的滤波器结构,即将E面插片波导和脊波导结合起来,在E面插片滤波器的谐振器中嵌入周期性的脊波导结构,实现了带外衰减快,尺寸小的特点。

不同类型的周期性结构具有不同的特性,一直以来都是热点研究课题。在滤波器中加入周期性结构就可以使得滤波器具有尺寸减小,提高带外衰减的效果。这是由于周期性结构的慢波效应引起的:相对于在均匀传输线中传播的波,慢波的相速和波导波长明显的减小了,因此半波长谐振器的长度也相应的减小。同时由于慢波的散射关系,实现了带外衰减特性的提高。

E面插片波导和脊波导组成的周期性结构是一种很容易实现的结构,如图1所示,在E面插片滤波器的谐振器中级联具有等间隙的脊波导,用这种周期性结构代替矩形波导中的谐振器。本文提出的新结构和标准E面插片滤波器很相似,除了具有E面插片滤波器的一般优点外,还具有带外衰减快,尺寸小的优点。

加载周期性脊波导的E面滤波器

图1 加载脊波导的E面滤波器

2 理论分析

对于本文的新滤波器结构,将其分成两个模块进行分析,E面插片模块和矩形波导-双脊波导模块,主要的分析方法是模式匹配法。E面插片结构的模型如图2所示,膜片的厚度为t,长度为w,横截面为a*b,插片平面与波导窄边平行。

加载周期性脊波导的E面滤波器

图2 E面插片结构

由于不连续性在x方向,y方向上是连续的,所以受TE10模激励时,在不连续处只会激励TEm0模式。将各区域中沿+Z和-Z方向传播的所有模式考虑在内,当和时,I区和II区、I区和III区在分界面Z=0处的横向电场和磁场满足边界条件的连续性,从而通过模式展开求解膜片结构的散射参数,具体计算过程可参考相关文献。

脊波导结构的模型如图3所示,脊波导中TE和TM模式都存在,其最低模式的场结构与矩形波导中的主模很相似,只是在凸出部分的电场更为集中,棱角处有不均匀的电场,而在脊的两侧磁场也更为集中。由于凸缘的作用,相当于将矩形波导的宽边加大,因此其最低模的截止波长更长,与次低模的截止波长相差也就更大,因此单模工作的频带更宽,即在同一频率的情况下,脊波导的尺寸更小。

加载周期性脊波导的E面滤波器

图3 脊波导结构

在分析脊波导时,首先采用横向谐振法求得截止波数Kc及本征函数,确定基模和高次模的场分布,接着应用模式匹配法计算出脊波导结构的散射参数。这些方法都是经典方法,这里不给出具体的表达式。

将脊波导的分析结果应用到矩形波导-脊波导结构中,矩形波导-双脊波导的结构如图4所示,Z《0的区域为矩形波导,Z》0的区域为脊波导区域,对该不连续性结构的分析可参照前面E面插片模型的分析方法,应用双端口网络的模式匹配法计算出该结构的散射参数。

加载周期性脊波导的E面滤波器

图4 矩形波导-双脊波导模型

周期性结构是由矩形波导-双脊波导模块等间隙组成的,整个滤波器结构可以看成是E面插片模块和周期性结构级联而成。

为了克服E面插片波导滤波器的缺点,本文提出了一种新型的具有高度选择性的滤波器结构,即将E面插片波导和脊波导结合起来,在E面插片滤波器的谐振器中嵌入周期性的脊波导结构,实现了带外衰减快,尺寸小的特点。

3 数值结果与比较

本文给出了几组3阶新型滤波器结构的设计实例,并和相对应的标准E面插片波导滤波器进行了比较。在用模式匹配法对E面插片波导滤波器进行分析时,取20个模式,对于加载周期性结构的新型滤波器分析时,取25个TE和TM的奇数模式,用Matlab编程进行分析计算。表1为K波段宽带波导带通滤波器的数据,表2为X-波段宽带波导带通滤波器的数据。所有插片和脊的厚度都是0.25mm,在新结构滤波器中,lr1=lr2。

由模式匹配法分别得到表1和表2两组滤波器的S参数曲线如图5和图6所示。

加载周期性脊波导的E面滤波器

图5 K波段宽带滤波器

由图5和图6可以看出,本文提出的加载脊波导的E面滤波器能够改善标准E面插片波导滤波器的阻带特性,大大提高了带外的衰减特性,并且尺寸上比标准E面插片滤波器小很多,实现了小型化。

加载周期性脊波导的E面滤波器

图6 X波段宽带滤波器

4 结束语

本文基于E面插片波导滤波器,提出了一种改进的结构,在E面波导谐振器中加入周期性的脊结构,在保留了标准E面插片波导滤波器的优点的同时,还克服了E面波导滤波器阻带窄,带外衰减慢的缺点,大大减小了滤波器的尺寸,实验结果验证了该方法的正确性。

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