凹形膜片电容加载波导滤波器

1 引言

现代通讯技术，比如卫星通讯和机载雷达对滤波器的性能、体积、重量等都提出了严格的要求。波导滤波器具有高功率容量，低插损和良好的频率选择特性等特点。但是，由于受器件工作原理的限制，普通的波导滤波器的体积比较大，特别是在频率比较低的微波频段。现代通讯技术，比如机载雷达和卫星通讯技术对波导滤波器的性能、体积、重量等都提出了严格的要求。紧凑型波导滤波器是微波技术领域的一个经典而又十分活跃的研究课题。2003年， Vlad Lenive 和 John Ness 报告了一种采用高度减小的波导的紧凑型波导滤波器。2006年， Christen Rauscher报告了一种采用介质填充和脊波导加载的紧凑型波导滤波器。本文将报告一种凹形膜片电容加载的没有介质填充的紧凑型波导滤波器。

图1 （a）传输线和(b)电容加载的紧凑型传输线

2 电容加载的基本理论和分析

图1给出了一根传输线和 另一根中间加载电容的传输线。利用传输线的矩阵和简单的运算，我们可以得到上述两根传输线在满足以下条件时等效：

（1）

（2）

从（1）可以看到， 。

由(2), 当

时 (3)

。

由(3), 当很大时, 可以比小得多。也就是说，电容加载的传输线的长度可以大大缩短。

3 22G波导滤波器的设计

本文设计的滤波器是采用凹形膜片电容加载的带通滤波器，设计的具体指标为：滤波器级数为＝3，中心频率＝22GHz , 带宽4GHZ, 输入/输出驻波比: <1.5,阻带抑制: >15dB, 17G和27G以外, 27G~32G之间，连接方式：标准BJ220法兰盘，外形结构：直的，环境条件：工作温度：液氮下，采用凹形膜片电容加载。

下面我们利用CAD工具CST来设计波导滤波器。根据波导滤波器的理论，波导滤波器可以由一系列中间开口的电感性膜片通过长度近似为半波长的波导连接而构成。由（3），我们可以用加载电容的波导代替一般波导来连接这些电感性膜片，从而缩短滤波器的长度。滤波器设计的结构图如图3所示：

图2 凹型膜片的结构

图3 凹形膜片电容加载波导滤波器示意图

图3给出了电容加载的3阶凹形膜片电容加载波导滤波器的示意图。滤波器由常规波导滤波器加3个电容凸台组成。波导宽和高分别为和，凸台的横向宽度w, 纵向长度中间和两边分别为t2和t1。凸台的高度中间为h2, 两边为h1。连接4个电容膜片的波导长度从左到右依次为2L1+t1, 2L2+t2,2L1+t1。每两个腔体之间采用凹形膜片，膜片厚度为t,膜片宽度两边和中间分别为W1和W2，高度都为3.32。通过改变膜片宽度，高度和厚度可以调节谐振频率。根据设计指标通过CAD软件CST仿真和优化此滤波器模型可以得到如下图4仿真曲线：

图4 凹形膜片电容加载波导滤波器仿真曲线

表1 滤波器设计参数

4 结论

本文介绍了一种凹形膜片电容加载的紧凑型波导滤波器。我们首先根据传输线理论证明了采用电容加载的方式可以使传输线的长度缩短。采用CAD模拟，我们得到了22G波导滤波器的结构参数。通过CAD软件仿真优化说明了该滤波器具有体积小，结构简单易于加工等优点。