CN103151585B - 一种高微放电阈值的脊波导滤波器及其设计方法 - Google Patents

Abstract

一种高微放电阈值的脊波导滤波器及其设计方法，本发明提出的高微放电阈值脊波导滤波器包括盖板、滤波器外壳、矩形波导、脊波导、填充层和TNC接头。所述盖板的内表面必须平整，所述多节脊波导通过矩形波导连接，输入输出两端分别装配TNC接头，脊波导的脊与盖板之间填充聚醚酰亚胺材料。滤波器的设计方法包括：(1)首先根据滤波器的中心频率、工作带宽、带外抑制等设计指标要求，查表得到滤波器的集总参数模型；(2)对集总参数的滤波器电路做阻抗倒置；(3)将电容和电感等集总参数元件用脊波导代替；(4)用矩形波导结构来实现阻抗倒置器；(5)在脊波导的脊与金属盖板之间填充聚醚酰亚胺材料；(6)优化脊波导滤波器尺寸。

Description

一种高微放电阈值的脊波导滤波器及其设计方法

技术领域

本发明提供了一种高微放电阈值的脊波导滤波器及其设计方法，属于微波技术领域。

背景技术

微放电效应又称二次电子倍增效应，是指在真空条件下，电子在外加射频场的加速下，在两金属表面间或单个介质表面上激发的二次电子发射与倍增的效应。根据发生机制的不同，微放电效应可分为双金属表面微放电效应和单介质表面微放电效应，航天器大功率微波部件极易发生双金属表面微放电效应。多工器、滤波器等航天器大功率微波部件的内部电场较强区域容易发生微放电效应，导致大功率微波部件失效，甚至使整个有效载荷彻底失效。脊波导滤波器由于带宽宽、体积小，非常适合卫星有效载荷中使用，但脊波导滤波器的脊与金属壁之间的距离小，电场强度大，容易发生微放电效应，影响卫星有效载荷的安全和可靠运行。

传统的脊波导低通滤波器的脊与盖板之间的电场强度大，间距小，容易发生微放电效应。电子在电磁场的作用下在脊的上表面与盖板之间来回碰撞，不断激发出更多的二次电子，最终导致雪崩击穿。

发明内容

本发明的技术解决问题是：克服现有技术的不足，提供一种高微放电阈值的脊波导滤波器及其设计方法，采用本发明可以在保证滤波器电性能的条件下，提高脊波导低通滤波器的微放电阈值，减小滤波器的体积和重量。

本发明的技术解决方案是：

一种高微放电阈值的脊波导滤波器，包括盖板、滤波器外壳、矩形波导、脊波导、填充层和TNC接头；

两个TNC接头位于滤波器外壳的两端，在滤波器外壳内部，两个TNC接头的连线上，间隔分布矩形波导和脊波导，与两个TNC接头连接的均为矩形波导，两个矩形波导之间为一个脊波导，两个脊波导之间通过一个矩形波导连接；

盖板盖在滤波器外壳之上令其成为封闭腔体，脊波导的脊与盖板之间有填充层。

所述填充层材料为聚醚酰亚胺。

所述盖板表面平整。

脊波导的个数与所述高微放电阈值的脊波导滤波器的阶数相等。

一种如权利要求1所述的高微放电阈值的脊波导滤波器的设计方法，步骤如下：

(1)根据滤波器的设计参数：截止频率f_c、阻抗R₀和带外抑制，查表确定出滤波器的阶数N，并通过查表确定出集总参数低通滤波器原型的电感元件值L和电容元件值C；

(2)将集总参数元件用传输线替代，其中传输线的特征阻抗Z₀按照公式Z₀＝4Lf₀计算，其中传输线的长度Lng＝c/2f₀，其中L为电感值，C为电容值，c为光速；

(3)采用脊波导代替滤波器中的传输线结构；其中脊波导的特征阻抗Z_G＝Z₀/1-(f_C/f₀)²，f_c为脊波导的截止频率；

(4)用矩形波导来实现K倒置器，矩形波导的长度

$L_k=-{\mathrm{cTan}}^{-1}(K/Z_G)/2\mathrm{\π}{f}_0\sqrt{1-{(f_C/f_0)}^2},$ 其中，K阻抗倒置器的阻抗值；

(5)在脊波导与金属盖板之间填充聚醚酰亚胺材料的填充层，从而实现所述高微放电阈值的脊波导滤波器。

本发明带来的有益效果为：本发明提出的脊波导滤波器在脊与金属平板之间填充了介质材料，阻挡了二次电子的产生和运动，抑制了微放电效应的发生，而且介质材料的高介电常数使得滤波器的电场更加集中，滤波器体积和重量减小。所以，与传统的空腔脊波导滤波器相比，本发明提出的脊波导滤波器微放电阈值高、体积小、重量轻。

附图说明

图1本发明提出的脊波导滤波器的结构示意图；

图2脊波导滤波器的集总参数电路示意图；

图3采用传输线参数替代滤波器中集总参数；

图4用脊波导替代传输线；

图5采用矩形波导替代倒置器意图；

图6集总参数滤波器的电路模型。

具体实施方式

如图1所示，本发明提出了一种高微放电阈值的脊波导滤波器，包括盖板1、滤波器外壳2、矩形波导3、脊波导4、填充层5和TNC接头6，盖板1表面必须平整，填充层5材料为聚醚酰亚胺；

两个TNC接头6位于滤波器外壳2的两端，在滤波器外壳2内部，两个TNC接头6的连线上，间隔分布矩形波导3和脊波导4，与两个TNC接头6连接的均为矩形波导3，两个矩形波导3之间为一个脊波导4，两个脊波导4之间通过一个矩形波导3连接；

盖板1盖在滤波器外壳2之上令其成为封闭腔体，脊波导4的脊与盖板1之间有填充层5。

脊波导4的个数与所述高微放电阈值的脊波导滤波器的阶数相等。

本发明的提出的脊波导滤波器的设计方法如下：

(1)根据截止频率f_c、阻抗R₀、带外抑制这三个设计参数要求确定出滤波器的阶数N(通过查表即可)，并通过查表确定出集总参数低通滤波器原型的电感元件值L、电容元件值C及各谐振器的K值，得到的集总参数的电路如图2所示，其中R表示负载；

(2)将集总参数元件用传输线替代，如图3所示，其中传输线的特征阻抗按照公式Z₀＝4Lf₀，传输线的长度Lng＝c/2f₀，c为光速；其中L为电感值，C为电容值。

(3)采用脊波导波导代替滤波器中的传输线结构，如图4所示。其中脊波导的特征阻抗Z_G＝Z₀/1-(f_C/f₀)²，f_c为脊波导的截止频率。

(4)用矩形波导来实现K倒置器，如图5所示，矩形波导的长度 $L_k=-{\mathrm{cTan}}^{-1}(K/Z_G)/2\mathrm{\π}{f}_0\sqrt{1-{(f_C/f_0)}^2}.$

(5)在脊波导与金属盖板之间填充聚醚酰亚胺材料，将滤波器内部的主要尺寸，如脊的高度、脊的宽度、脊与脊之间的距离等设为变量，通过参数扫描法获得各尺寸与电性能之间的关系，并调整各尺寸使得滤波器的电性能达到指标要求。

实施例：以2.3-2.5GHz的范围内，反射损耗小于-20dB，插损小于0.15dB的常用脊波导滤波器为例，采用本发明提出的脊波导滤波器的设计过程如下：

(1)根据技术指标要求截止频率f_c＝2.5GHz、阻抗R₀＝50Ω、插损小于0.15dB等要求确定出滤波器的阶数N＝6，并通过查表或计算确定出集总参数低通滤波器电路如图6所示；

其中电感元件的值如表1所示：

表1集总参数滤波器电路中电感元件的值

L1	L2	L3	L4	L5	L6
						31.08nH	84.93nH	116.0nH	116.0nH	84.93nH	31.08nH

电容元件的值如表2所示：

表2集总参数滤波器电路中电容元件的值

C1	C2	C3	C4	C5	C6
						0.1416pF	0.0518pF	0.0379pF	0.0379pF	0.0518pF	0.1416pF

阻抗倒置器的K值如表3所示：

表3集总参数滤波器电路中阻抗倒置器的值

K1	K2	K3	K4	K5
					62.64	82.29	90.53	82.29	62.64

(2)将集总参数元件用传输线替代，其中传输线的特征阻抗按照公式Z₀＝4Lf₀，传输线的长度Lng＝c/2f₀。其中L为电感值，C为电容值。可以得到滤波器各阶的特征阻抗如表4所示：

表4各传输线的阻抗值

Z1

Z2

Z3

Z4

Z5

Z6

298.3

815.3

1113

1113

815.3

298.3

传输线的长度Lng＝62.5mm

(3)采用脊波导代替滤波器中的传输线结构，其中脊波导的特征阻抗Z_G＝Z₀/1-(f_C/f₀)²，f_c为脊波导的截止频率。得到各阶脊波导的长度如下表所示：

Lng1	Lng2	Lng3	Lng4	Lng5	Lng6
						10mm	17.2mm	10.3mm	10.3mm	17.2mm	10mm

(4)用矩形波导来实现K倒置器，矩形波导的长度 $L_k=-{\mathrm{cTan}}^{-1}(K/\mathrm{Zg})/2\mathrm{\π}{f}_0\sqrt{1-{(f_C/f_0)}^2}.$ 得到的矩形波导的长度如下表所示：

L1	L2	L3	L4	L5	L6
						7.4mm	10.7mm	10.4mm	10.4mm	10.7mm	7.4mm

(5)在脊波导与金属盖板之间填充聚醚酰亚胺材料，将滤波器内部的主要尺寸，如脊的高度、脊的宽度、脊与脊之间的距离等设为变量，通过参数扫描法获得各尺寸与电性能之间的关系，并调整各尺寸使得滤波器的电性能达到指标要求。最终获得的滤波器的主要尺寸如下表所示：

空腔体脊波导滤波器主要尺寸(毫米)

Claims (4)

1.一种高微放电阈值的脊波导滤波器，其特征在于：包括盖板(1)、滤波器外壳(2)、矩形波导(3)、脊波导(4)、填充层(5)和TNC接头(6)；

两个TNC接头(6)位于滤波器外壳(2)的两端，在滤波器外壳(2)内部，两个TNC接头(6)的连线上，间隔分布矩形波导(3)和脊波导(4)，与两个TNC接头(6)连接的均为矩形波导(3)，两个矩形波导(3)之间为一个脊波导(4)，两个脊波导(4)之间通过一个矩形波导(3)连接；

盖板(1)盖在滤波器外壳(2)之上令其成为封闭腔体，脊波导(4)的脊与盖板(1)之间有填充层(5)；

所述填充层(5)材料为聚醚酰亚胺。

2.根据权利要求1所述的一种高微放电阈值的脊波导滤波器，其特征在于：所述盖板(1)表面平整。

3.根据权利要求1所述的一种高微放电阈值的脊波导滤波器，其特征在于：脊波导(4)的个数与所述高微放电阈值的脊波导滤波器的阶数相等。

4.一种如权利要求1所述的高微放电阈值的脊波导滤波器的设计方法，其特征在于步骤如下：

(1)根据滤波器的设计参数：截止频率阻抗和带外抑制，查表确定出滤波器的阶数N，并通过查表确定出集总参数低通滤波器原型的电感值电容值和阻抗倒置器的阻抗值

(2)将集总参数元件用传输线替代，其中传输线的特征阻抗按照公式 $Z_0=4L{f}_0$ 计算，其中 $f_0=1/2\mathrm{\π}\sqrt{\mathrm{LC}},$ 传输线的长度 $\mathrm{Lng}=c/2f_0,$ 其中为电感值，为电容值，为光速；

(3)采用脊波导代替滤波器中的传输线结构；其中脊波导的特征阻抗 $Z_G=Z_0/1-{(f_c/f_0)}^2,$ 为脊波导的截止频率；

(4)用矩形波导来实现K倒置器，矩形波导的长度 $L_k=-c{\mathrm{Tan}}^{-1}(K/Z_G)/2\mathrm{\π}{f}_0\sqrt{1-{(f_c/f_0)}^2},$ 其中，为阻抗倒置器的阻抗值；

(5)在脊波导与盖板(1)之间填充聚醚酰亚胺材料的填充层，将滤波器内部的主要尺寸，包括脊的高度、脊的宽度以及脊与脊之间的距离设为变量，通过参数扫描法获得各尺寸与电性能之间的关系，并调整各尺寸使得滤波器的电性能达到指标要求，从而实现所述高微放电阈值的脊波导滤波器。