CN101572335B - 一种k波段介质膜片加载圆波导馈电滤波器 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种用于物位测量雷达系统的K波段的介质膜片加载圆波导馈电滤波器(1)，包括连接天线与微波电路的圆波导(4)以及加载于圆波导(4)内的两个介质膜片(3)，圆波导(4)中的电磁波传输模式为TE11模，加载于圆波导内的两个介质膜片(3)由商用微波基板(2)加工而成，将所述微波基板(2)通过图形电镀蚀刻法蚀刻出圆形的介质膜片(3)，并且在介质膜片(3)外圈加工出环绕介质膜片的一系列金属化过孔(5)形成等效的圆波导壁。本发明可以直接使用高介电常数的耐热性好的微波基板，构成部件的加工非常简单，成本低廉。由于本发明的滤波器中的介质膜片厚度薄，损耗小，匹配性能好，使得该馈电滤波器在工作带宽内插入损耗小于0.1dB。另外，由于介质膜片为实心结构，具有良好的防尘隔热性能，可以有效保护雷达系统的微波电路部件。

Description

一种K波段介质膜片加载圆波导馈电滤波器

技术领域

本发明涉及一种工作在K波段的介质膜片加载圆波导馈电滤波器，即可以通过一定频率的微波信号也可以抑制设计频率范围外的微波信号，主要用于物位测量雷达系统中的隔离透波馈电装置。

背景技术

微波无源滤波器是微波、毫米波雷达系统中的重要器件，其性能的优劣往往会直接影响整个系统的质量。近年来随着微波、毫米波技术的迅速发展，这类器件在微波、毫米波通信、微波导航、制导、遥测遥控、卫星通信以及军事电子对抗领域的需求量不断增大。目前，根据滤波器结构分类有波导滤波器、同轴线滤波器、带状线滤波器、微带线滤波器等。而波导滤波器因其Q值高，插损小，温度稳定性好，高功率容量等优点，在实际工程中得到了广泛的应用。

当雷达天线系统工作于高温、潮湿、粉尘等恶劣环境时，通常需要在天线馈电结构中加入机械隔离结构以保护天线后端的微波电路不受环境影响。一方面要求这种隔离结构隔热、防水、防尘，另一方面要求在一定工作带宽内插入损耗低，匹配性能好。

目前，常用于物位测量雷达系统中的机械隔离透波馈电装置如图2所示，介质锥的作用有两个方面，一是通过在圆波导内紧密填充介质锥来隔离雷达系统中的微波电路和置于工作环境中的雷达天线，另一方面由于介质的存在，导致了空气波导和介质波导的特性阻抗不连续，因此采用介质锥进行特性阻抗的过渡，提高匹配性能，减小插入损耗。通常介质锥采用的材料为聚四氟乙烯，介电常数在2.0左右，不耐高温，因此不适合工作在高温环境。此外，介质锥不宜采用介电常数高的耐高温材料，如介电常数为9.0的纯度为99％的氧化铝。当采用这种高介电常数的材料时，为了达到良好的性能，介质锥的长度需要很长，在实现上缺乏可操作性。此外常常会引起高次模的谐振。

介质膜孔耦合波导滤波器是一种成熟的波导滤波器技术，在矩形波导和圆波导中都可以实现，加工也很方便。如图1所示，圆波导中加载的介质膜孔等效为一种并联谐振回路，通过在波导的不同位置加载这样的介质膜孔，可以构成特定性能的滤波器。介质膜孔滤波器进行匹配的原理是利用膜孔产生的反射波来抵消由于负载不匹配所产生的反射波。然而由于介质膜孔滤波器需要在加载的介质膜片上开一定尺寸的孔来实现谐振特性，因此不能满足雷达系统中的微波电路和置于工作环境中的雷达天线的机械隔离要求。而在恶劣工作环境中，如粉尘、热、腐蚀性气体将轻易的通过该波导滤波器的模孔进入其后的微波电路，从而影响到整套系统的性能。

因此，对于工作在恶劣环境中的物位测量雷达系统，设计一种加工方便，具备机械隔离能力和工作频带内透波性能好的滤波装置是有实际意义的。

发明内容

本发明的技术解决问题：克服现有技术的不足，提供一种加工方便，具备机械隔离能力和工作频带内透波性能好的介质膜片加载圆波导滤波器。

本发明的技术解决方案：一种介质膜片加载圆波导馈电滤波器，包括：圆柱形金属空腔、位于圆柱形金属空腔内的微波基板、由微波基板蚀刻加工而成的介质膜片和环绕介质膜片的金属化过孔；所述的金属化过孔形成等效圆波导壁；所述的圆柱形金属空腔中的电磁波传输模式为单一TE11模；所述的微波基板和介质膜片数量至少为两个。

所述的圆柱形金属空腔的内半径的范围为3.3～6.6mm。

所述的微波基板的厚度为10mils～20mils。所述的每两个微波基板之间的间距为5.7～8.3mm；所述的微波基板的结构为平面叠层结构，中间层为介质，附着于中间介质层上下两边的为金属层。

所述的介质耐500℃以上高温，介电常数在2～10之间。

所述的介质膜片是利用图形电镀蚀刻法，在设计的介质膜片的区域将微波基板腐蚀掉介质层上下的金属层加工而成。

所述的介质膜片的半径大于圆柱形金属空腔的内半径与介电常数开方的比值，小于圆柱形金属空腔的内半径。

所述的金属化过孔等角度间隔分布于圆形介质膜片的周围，角度间隔在10～30度之间。

所述的金属化过孔边沿至圆形介质膜片边沿的距离不大于0.5mm。

对于加载于圆波导内的单个完整圆形介质膜片，当其半径大于圆波导的内半径与介质膜片介电常数开方的比值，小于圆波导的内半径，并且其厚度远小于相波长时，通过模式匹配法分析以及电磁计算仿真，可以发现该膜片可以等效为一种并联的谐振元件，存在一定的滤波性能，并且带内透波性能优良。借鉴已经成熟的介质膜孔耦合波导滤波器的设计思路，如果在圆波导内插入两片或两片以上这样的完整圆形介质膜片，利用膜片产生的反射波来抵消由于负载不匹配所产生的反射波，那么就可以实现一定的工作带宽要求。

本发明的原理：首先根据要求的工作中心频率确定圆波导的内径尺寸，要保证工作频率在圆波导的TE11模式截止频率以上，根据以下公式选择圆波导的内径尺寸：

$a>\frac{c}{3.41f_c}$

c是空气中光的传播速度，f_c是设计的中心频率。

根据初步选定的圆波导内径尺寸，确定介质膜片的半径尺寸，其选定范围是大于圆波导的内半径与介质膜片介电常数开方的比值，小于圆波导的内半径。此外，介质膜片的厚度需要满足以下公式：

$h<\frac{{\mathrm{\&lambda;}}_g}{10}$

λ_g是已选定内半径的圆波导中的相波长。本发明中的两个介质膜片尺寸完全相等，为了使得膜片之间的反射波能够互相抵消，两个介质膜片的间距初步选定为λ_g/2，通常为5.7～8.3mm。选用以上初步设定尺寸作为初始值，对介质膜片的半径和两个介质膜片的距离进行优化，就可以在设计的工作频带内达到良好的透波性能。

由于介质膜片厚度薄，而且是平面结构，可以直接采用商用的微波基板用图形电镀蚀刻法加工制成。在设计的介质膜片圆形区域内，蚀刻掉微波基板介质层上下的金属层，就形成了圆形的介质膜片。

在微波基板上，在介质膜片区域的外围布置一周金属化过孔形成等效的圆波导壁。金属化过孔等角度间隔分布于圆形介质膜片的周围，角度间隔在10～30度之间。金属化过孔边沿至圆形介质膜片边沿的距离小于0.5mm。

本发明与现有技术相比的优点在于：本发明借鉴了介质膜孔耦合波导滤波器的设计思想，但与其区别在于介质膜片为完整平面结构，无需开出膜孔。虽然通过金属过孔构成等效的圆波导壁，但因为金属过孔尺寸很小，所以仍然可以有效的隔离雷达系统中的微波电路和置于工作环境中的雷达天线。并且在实际应用中，可以使用其他材料将金属化过孔堵塞住而不影响本发明的介质膜片加载圆波导馈电滤波器的电气性能。与物位测量雷达系统常用的介质锥过渡结构相比，本发明的介质膜片加载圆波导馈电滤波器可以使用耐热性高的微波基板制成介质膜片，尽管这样的微波基板介电常数往往较高，但通过适当的设计，本发明的介质膜片加载圆波导馈电滤波器在工作频带内具有很低的插入损耗。另外，本发明中的介质膜片只需采用商用的微薄基板通过普遍使用的图形电镀蚀刻法制成，因此加工过程非常简单方便。

附图说明

图1为现有技术的小孔耦合式波导滤波器的示意图；

图2为根据现有技术的介质锥过渡式波导馈电装置的示意图；

图3为根据本发明的介质膜片加载圆波导滤波器的一种优选的实施例的立体结构图；

图4为图1中的介质膜片的正视图；

图5为图1微波基板的剖面图。

具体实施方式

根据图1所示的基于现有成熟技术的介质膜孔耦合圆波导滤波器的第一实施例，介质膜片加载于圆波导中，这种介质膜孔耦合圆波导滤波器中加载的模孔一般在介质膜片的中间区域，而且模孔尺寸较大，滤波器前端的雷达天线的灰尘、热、腐蚀性气体能轻易的通过该波导滤波器进入其后的微波电路，从而影响到整套系统的性能。

根据图2所示的基于现有技术的介质锥过渡圆波导馈电装置的第二实施例，介质锥位于波导中，这种介质锥过渡的波导滤波器可以减小由于特性阻抗不匹配引起的反射，实现很好的匹配，使接收到的电磁波无发射的进入后面的微波电路。但这种介质锥过渡式波导馈电装置加载的介质锥一般是聚四氟乙烯材料，介电常数低，不耐高温，特别不适合在高温下工作。并且，由于当介质锥的介电常数比较高时，通常介质锥的长度很长，给加工带来了很大的不便。

实施例1

根据图3所示的基于本发明的一种K波段的介质膜片加载圆波导馈电滤波器1的一种优选的实施例。在该优选的实施例中，工作中心频率为24GHz，带宽1.5GHz。圆柱形金属空腔5的内半径为4.3mm，介质膜片3a、3b的半径为2.35mm，两个介质膜片3a、3b间距为7mm，金属化过孔4直径为0.5mm。金属化过孔4边沿距离介质膜片3边沿的距离为0.25mm。在发明中，金属化过孔4的直径最小可至0.2mm。金属化过孔4的角度间隔为15度，沿介质膜片3边沿均匀排列。用于制造介质膜片3的微波基板2的介质为纯度为99％氧化铝，介电常数为9.0。微波基板2的厚度为10mils，采用图形电镀蚀刻法将微波基板2腐蚀掉介质膜片3区域的上下层金属层。氧化铝陶瓷具有抗高温(500℃以上高温)高压特性，用其加工制成介质膜片可以实现很好的隔热密闭性能。相比于图2所示的基于现有技术的介质锥过渡圆波导馈电装置而言，耐高温性能更好。如图5所示，微波基板2的结构为平面叠层结构，它由中间层的介质层21、附着于中间介质层23的上金属层21和下金属层22组成。介质膜片3利用图形电镀蚀刻法加工，在设计的介质膜片3的区域将微波基板2腐蚀掉上金属层21和下金属层23加工而成。

实施例2

根据图3所示的基于本发明的一种K波段的介质膜片加载圆波导馈电滤波器1的另一种优选的实施例。在该优选的实施例中，工作中心频率为20GHz，带宽1.1GHz。圆波导5的内半径为4.7mm，介质膜片3a、3b的半径为2.8mm，两个介质膜片3a、3b间距为7.8mm，金属化过孔4直径为0.5mm。金属化过孔4边沿距离介质膜片3边沿的距离为0.25mm。在发明中，金属化过孔4的直径最小可至0.2mm。金属化过孔4的角度间隔为15度，沿介质膜片3边沿均匀排列。用于制造介质膜片3的微波基板2的介质为纯度为99％氧化铝，介电常数为9.0。微波基板2的厚度为10mils，采用图形电镀蚀刻法将微波基板2腐蚀掉介质膜片3区域的上下层金属层。氧化铝陶瓷具有抗高温高压特性，用其加工制成介质膜片可以实现很好的隔热密闭性能。相比于图2所示的基于现有技术的介质锥过渡圆波导馈电装置而言，耐高温性能更好。

实施例3

根据图3所示的基于本发明的一种K波段的介质膜片加载圆波导馈电滤波器1的另一种优选的实施例。在该优选的实施例中，工作中心频率为22GHz，带宽1.3GHz。圆波导5的内半径为4.7mm，介质膜片3a、3b的半径为2.8mm，两个介质膜片3a、3b间距为8.3mm，金属化过孔4直径为0.6mm。金属化过孔4边沿距离介质膜片3边沿的距离为0.25mm。在发明中，金属化过孔4的直径最小可至0.2mm。金属化过孔4的角度间隔为15度，沿介质膜片3边沿均匀排列。用于制造介质膜片3的微波基板2的介质为纯度为99.5％氧化铍，介电常数为6.4。微波基板2的厚度为10mils，采用图形电镀蚀刻法将微波基板2腐蚀掉介质膜片3区域的上下层金属层。氧化铍陶瓷具有抗高温(500℃以上)特性，用其加工制成介质膜片可以实现很好的隔热密闭性能。相比于图2所示的基于现有技术的介质锥过渡圆波导馈电装置而言，耐高温性能更好。

实施例4

根据图3所示的基于本发明的一种K波段的介质膜片加载圆波导馈电滤波器1的另一种优选的实施例。在该优选的实施例中，工作中心频率为24GHz，带宽1.5GHz。圆波导5的内半径为4.3mm，介质膜片3a、3b的半径为2.8mm，两个介质膜片3a、3b间距为7mm，金属化过孔4直径为0.5mm。金属化过孔4边沿距离介质膜片3边沿的距离为0.25mm。在发明中，金属化过孔4的直径最小可至0.2mm。金属化过孔4的角度间隔为10度，沿介质膜片3边沿均匀排列。用于制造介质膜片3的微波基板2的介质为石英，介电常数为3.78。微波基板2的厚度为20mils，采用图形电镀蚀刻法将微波基板2腐蚀掉介质膜片3区域的上下层金属层。石英具有抗高温(500℃以上)特性，用其加工制成介质膜片可以实现很好的隔热密闭性能。相比于图2所示的基于现有技术的介质锥过渡圆波导馈电装置而言，耐高温性能更好。

本发明上述所提到的金属层、金属化过孔中的金属均为微波中常采用的金属铜。

虽然已参照本发明的示例性实施例具体示出并描述了本发明，但是本领域技术人员应理解的是，在不违背所附权利要求所界定的本发明的精神和范围的前提下，形式和细节上的各种变化可被包含在其中。

Claims (3)

1.一种K波段介质膜片加载圆波导馈电滤波器，其特征在于包括：圆柱形金属空腔（5）、位于圆柱形金属空腔（5）内的微波基板（2）、由微波基板蚀刻加工而成的介质膜片（3）和环绕介质膜片（3）的金属化过孔（4）；所述的金属化过孔（4）形成等效圆波导壁；所述的圆柱形金属空腔（5）中的电磁波传输模式为单一TE11模；所述的微波基板（2）和介质膜片（3）数量至少为两个；

所述的圆柱形金属空腔（5）的内半径的范围为3.3～6.6mm；

所述的微波基板（2）的厚度为10mils～20mils；

所述的每两个微波基板（2a、2b）或每两个介质膜片之间的间距为5.7～8.3mm；

所述微波基板的介质耐500℃以上高温，介电常数在2～10之间；

所述的介质膜片（3）的半径大于圆柱形金属空腔（5）的内半径与介电常数开方的比值，小于圆柱形金属空腔（5）的内半径；

所述的金属化过孔（4）等角度间隔分布于圆形介质膜片的周围，角度间隔在10～30度之间；

所述的金属化过孔（4）至介质膜片（3）边沿的距离不大于0.5mm。

2.根据权利要求1所述的K波段介质膜片加载圆波导馈电滤波器，其特征在于：所述的微波基板（2）的结构为平面叠层结构，中间层为介质，附着于中间介质层上下两边的为金属层。

3.根据权利要求1所述的K波段介质膜片加载圆波导馈电滤波器，其特征在于：所述的介质膜片（3）是利用图形电镀蚀刻法，在介质膜片（3）的区域将微波基板（2）腐蚀掉介质层上下的金属层加工而成。

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