圆波导双模滤波器的工作原理及性能

圆波导双模滤波器Q值高，结构紧凑，可以高可靠的实现复杂的滤波器函数特性（无需探针或耦合环等结构），当采用殷钢材质时可以实现超高的温度稳定性。所以广泛的应用在卫星系统中。

1、圆波导双模滤波器的工作原理

带通滤波器的核心工作原理时通过适当的能量交换结构（耦合）实现几个互不相关的谐振器（能量储存）间的能量传递，从而实现滤波功能。圆波导工作的主模是TE11模，由于圆波导的对称性，当利用圆波导作为谐振器时，在一个圆波导的腔体内包含两个相互正交（无能量交换）的极化简并模如图 1所示，这就类似于两个无能量交换的同频率谐振器，这样就可以用一节谐振器的体积实现两个谐振器的功能，从而可以减小波导滤波器的体积。

图1 圆波导中两个相互正交的简并模

一个双模带通滤波器的工作原理见图 2所示，一个矩形波导馈入一个垂直极化的电场。

图2 双模带通滤波器的工作原理

进入圆波导谐振器后，激起模式1的垂直极化场，通过一个45°的螺钉使垂直极化场产生了水平极化分量，激励起模式2的水平极化场，从而实现了垂直极化场和水平极化场的耦合。模式2的水平极化能量可以通过一个垂直的M23耦合小窗实现两个圆波导谐振器间水平极化场的耦合，依次类推便实现了能量在波导管中的储存传递，实现滤波。

2、圆波导双模滤波器的设计步骤

波导滤波器的设计步骤和《如何设计一个带通滤波器》里的梳线滤波器设计步骤基本一样，这里对设计过程就尽量简化。实例采用一个4阶11.5GHz 100MHz带宽的切比雪夫滤波器作为实例，链接：https://pan.baidu.com/s/1JO_0eEG25d4rXMsws7XFTQ 密码：xmfy

设计过程如下：

1) 本征模式确定谐振器尺寸

2) 输入耦合窗尺寸确定

3) 12两个极化简并模式间的耦合螺钉深度计算（34和12对称）

4) 23两个波导腔间耦合窗口计算

5) 滤波器整体仿真

本征模式确定谐振器尺寸

建立图 3所示的圆波导本征模式仿真模型，确定谐振在11.5GHz的TE11模式圆波导尺寸，由于圆波导中模式复杂，可以通过场型观察确认模式选择是否正确。通过仿真，谐振器尺寸大概为半径R=9.5mm，长度L=22.3mm。

图3 本征模式确定谐振器尺寸

输入耦合窗尺寸确定

通过excel时延计算工具（前期分享）得到，该滤波器的输入时延需要4.8ns,在HFSS中建立图图 4的模型，通过计算可以的得到耦合窗口的尺寸为LM01=11.5mm。谐振器由于耦合窗的作用尺寸偏长，可适当缩短至22mm。

图4 输入耦合窗口计算

12两个极化简并模式间的耦合螺钉深度计算（34和12对称）

12间极化简并模式的耦合是通过两个模式间一颗45°的螺钉实现的，时延需要7.8ns，在HFSS中建立图 5所示的模型，通过仿真，找出M12耦合螺钉的长度M12=1.6mm。（小技巧：双谐振器仿真时先任意指定一个耦合值，稍微大一些。先调谐2谐振器的频率，将时延谐振峰值找对称，之后在精确确定耦合尺寸。）

图5 M12耦合螺钉尺寸确定

23两个波导腔间耦合窗口计算

23耦合属于两个波导腔中同极化模式的耦合，群时延大小需要14ns，可以用图 6所示的模型来确定23耦合窗口的大小，经过计算M23=8.3mm。

图6 窗口耦合尺寸确认模型

滤波器整体仿真

经过上述步骤的仿真后关键尺寸确定如表 1所示。在HFSS中建立完整的双模滤波器仿真模型，大部分的尺寸都由前面几步的仿真确定了，但模式2的频率由于23窗口耦合因素没有考虑，螺钉深度不确定，现阶段S2深度是影响滤波器性能的关键参数。

表1 双模滤波器关键尺寸表

修正S2的方法有很多，这里由于模型较简单可以通过扫描方式直接准确找出S2的深度，经过一次扫描可以发现S2深度在2.3mm时双模滤波器性能已经很不错了见图 7所示。如果追求完美可以通过调谐，优化，或者参考之前的《参数提取法设计带通滤波器》对滤波器性能进行精确调谐。实际上由于腔体滤波器的调谐范围非常大，到这个阶段后就没有必要精确仿真了。

通过结果可以看到，我们通过两节波导腔实现了4阶的滤波器。如果感兴趣可以适当修改下腔体里的简并模耦合螺钉位置，把腔体间的窗口改成十字槽，可以发现这种滤波器很容易实现CQ式的广义切比雪夫滤波器。文章中为了节省时间仿真时采用了很多近似，精确仿真时可能存在误差，但不影响对双模滤波器设计方法的了解。