CN106532206A - 一种集成e面探针过渡结构的直接耦合式矩形波导滤波器 - Google Patents

一种集成e面探针过渡结构的直接耦合式矩形波导滤波器 Download PDF

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杨自强
陈为奎
杨涛
刘宇
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    • H01P1/20—Frequency-selective devices, e.g. filters
    • H01P1/207—Hollow waveguide filters
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Abstract

本发明公开了一种集成E面探针过渡结构的直接耦合式矩形波导滤波器，该矩形波导滤波器采用将两个E面探针过渡结构从矩形波导滤波器侧壁插入并固定在矩形波导滤波器腔体内，从而可实现波导滤波器的外部耦合，并完成波导传输模式到微带传输模式的转换，实现滤波器的微带输入/输出端口。与现有波导滤波器相比，本发明滤波器可直接应用于微波混合集成电路子系统，无需在滤波器外再单独设计过渡电路，可大大缩短设计开发时间。实验结果表明，本发明具有良好的插入损耗(<1.5dB)和回波损耗(>14.6dB)性能，可应用于雷达和无线通信系统中的微波混合集成前端。

Description

一种集成E面探针过渡结构的直接耦合式矩形波导滤波器
技术领域
本发明涉及一种矩形波导滤波器，特别是涉及一种集成E面探针过渡结构的直接耦合式矩形波导滤波器，可应用于微波混合集成前端，实现高性能滤波特性。
背景技术
矩形波导(Rectangular waveguide,RWG)滤波器具有高功率容量和高Q值等优点，被广泛应用于各种微波混合集成前端子系统中。另一方面，微带线(Microstrip line,MSL)是目前微波子系统中最流行的平面传输线，具有体积小、成本低以及易于与有源和无源微波器件集成等优良特性。在一个微波混合集成前端中，器件之间的互联线基本采用微带传输线，而传统矩形波导滤波器的输入/输出接口为波导接口，这就需要一个从矩形波导到微带线的过渡电路，将滤波器的波导端口转换为微带端口。因此，在实际系统应用中，传统的波导滤波器需要配合过渡电路一起使用。
研究者Marco Politi等人提出了一种直接耦合波导带通滤波器，该波导滤波器中心频率为7.07GHz，相对带宽为1.4％，回波损耗大于22dB,插入损耗小于1dB。参见文献[1]Marco Politi and Alessandro Fossati,“Direct Coupled Waveguide Filters withGeneralized Chebyshev Response by Resonating Coupling，”Microwave Conference(EuMC),2010,966-969。
研究者Jose Antonio Lorente等人给出了直接耦合式波导带通滤波器的等效电路及严格的推导，实现了一个窄带滤波器。该滤波器中心频率为11GHz，相对带宽为0.91％，回波损耗大于20dB，插入损耗低于1dB。参见文献[2]Jose Antonio Lorente,ChristophErnst and Alejandro Alvarez Melcon,“Rigorous derivation of lossy equivalentcircuit for narrowband waveguide direct-coupled-cavity filters,”IETMicrowaves,Antennas&Propagation,2013,7(4),251-258。
研究者Jiejin Wu等人在分别设计矩形波导直接耦合式带通滤波器以及矩形波导到微带线过渡结构基础上，再将两个电路级联起来，进行整体优化设计。参见文献[3]Jiejin Wu,Weiping Cao,“Design of band-pass Filters at Ka-band with waveguide-to-microstrip transition,”International Symposium on Antennas,Propagation andEM Theory,2008,March,565-568。
在上述所提出的方案中，文献[1]和[2]实现了直接耦合式波导滤波器，但其输入输出端口均为波导端口。文献[3]通过在波导滤波器前后级联过渡电路，实现了波导端口到微带端口的转换。但在设计时，需要先分别设计过渡和波导滤波器电路，再级联进行整体设计，设计过程繁琐、复杂，且电路尺寸也较大。
发明内容
本发明的目的在于提供一种集成E面探针过渡结构的直接耦合式矩形波导滤波器，该矩形波导滤波器将E面探针过渡结构作为其结构的一部分，可实现矩形波导滤波器的外部耦合，以及完成波导传输模式到微带传输模式的转换，从而实现微带输入/输出端口。
本发明提供的集成E面探针过渡结构的直接耦合式矩形波导滤波器，包括长度为的矩形波导谐振腔、分隔矩形波导谐振腔的金属膜片和两个从矩形波导滤波器侧壁插入并固定在矩形波导滤波器腔体内的E面探针过渡结构，所述E面探针过渡结构的一端为微带端口，另一端与矩形波导滤波器的第一个或最后一个谐振腔相连，用于实现矩形波导滤波器波导端口到微带端口的转换，以及矩形波导滤波器的外部耦合。
本发明波导滤波器的输入/输出均为微带端口，其外部Q值和波导谐振腔之间的内部耦合系数可以根据如下公式进行计算：
其中，n为滤波器阶数，g0～gn+1是切比雪夫低通原型元件值，FBW是所设计带通滤波器的相对带宽。Qext1和Qext(n+1)是滤波器的外部Q值，ki,i+1是波导谐振腔之间的内部耦合系数。只要给定带通滤波器阶数以及相对带宽，就可以通过(1)和(2)式计算出滤波器的外部Q值和内部耦合系数。
本发明波导滤波器的外部Q值主要取决于E面探针与波导短路面的距离D(见图2)。内部耦合系数则主要取决于对称金属膜片之间的距离W2(见图2)。调整D和W2即可得到所需要的滤波器外部Q值和内部耦合系数，从而完成滤波器设计。
本发明将E面探针过渡结构作为其结构的一部分，可实现矩形波导滤波器的外部耦合，以及完成波导传输模式到微带传输模式的转换而实现微带输入/输出端口，从而可直接应用于微波混合集成电路子系统，并方便与其他平面型无源和有源电路集成。另外，本发明结构简单，加工方便，性能优越，插入损耗和回波损耗分别优于14.6dB和1.5dB。
附图说明
图1为本发明的立体结构示意图。
图2为本发明的俯视图。
图3为本发明的侧视图。
图4为本发明的实物图。
图5为本发明的实物测试与仿真对比图。
图中：1—E面探针过渡结构 2—金属膜片 3—微带端口A 4—矩形波导谐振腔5—微带端口B 6—通道 7—介质基片 8—波导短路面 W1—矩形波导滤波器的宽度 W2—对称金属膜片之间的距离 W3—微带线的宽度 W4—微带线介质基片的宽度 W5—过渡结构中微带线的宽度 W6—过渡结构中介质板的宽度 L1—第一个波导谐振腔长度 L2—第二个波导谐振腔长度 L3—金属膜片的宽度 L4—微带线的长度 L5—微带线插入波导的第一段长度 L6—过渡结构微带线的长度 L7—过渡结构离波导底面的距离R1—金属膜片倒角半径 R2—通道倒角半径 D—探针和波导短路面的间距 h—波导高度 hc—通道高度
下面结合附图以及实施例对本发明作进一步详细说明。
具体实施方式
实施例
如图1所示，本发明提供的集成E面探针过渡结构的直接耦合式矩形波导滤波器包括E面探针过渡结构1、金属膜片2和长度为的矩形波导谐振腔4，矩形波导谐振腔4共三个，由金属膜片2分隔。E面探针过渡结构1共两个，分别从矩形波导滤波器两端侧壁上的通道6插入并固定在矩形波导滤波器内。一个E面探针过渡结构1的一端为微带端口A3，另一端与矩形波导滤波器的第一个矩形波导谐振腔4相连，另一个E面探针过渡结构1的一端为微带端口B5，另一端与矩形波导滤波器的第三个矩形波导谐振腔4相连。
本发明矩形波导滤波器的输入/输出分别为微带端口A3和微带端口B5，其外部Q值主要取决于E面探针与波导短路面8之间的距离D，内部耦合系数则主要取决于对称金属膜片2之间的距离W2。
本实施例以三阶带通滤波器为列，其中心频率为8.55GHz，相对带宽为5.85％，根据公式(1)和(2)可以计算得到外部Q值Qext1＝Qext4＝17.8，内部耦合系数k1,2＝k2,3＝0.053。
本实施例中矩形波导滤波器的横截面尺寸为28.5mm×5mm，E面探针过渡结构1实现在RT/Duroid 5880的介质基片7上，该基片相对介电常数为2.2，损耗角正切为0.0009，厚度为0.254mm。在介质基片7的三个边上分别加工有一排金属化过孔，在装配中可以实现介质基片7和腔体间的良好接触，使两者更加牢固的结合在一起，此外金属化过孔应还可以防止波导高次模式的传播。为了测试电路性能，本实施例在微带线上直接焊接两个SMA接头，以方便和矢量网络分析仪进行连接。
经过电磁仿真软件Ansoft HFSS进行仿真优化后，获得了最佳的参数尺寸，具体如下表所示：
W1 W2 W3 W4 W5 W6 L1 L2 L3
28.5 9 0.75 5 5 10 21 19.9 1
L4 L5 L6 L7 R1 R2 D h hc
9 1 3.5 0.5 1 0.5 2.1 5 2.3
矩形波导滤波器的实物如图4所示，仿真和实物测试结果(见图5)显示：本实施例矩形波导滤波器的中心频率为8.55GHz，相对带宽为5.85％，在通带内，回波损耗和插入损耗分别优于14.6和1.5dB。

Claims (1)

1.一种集成E面探针过渡结构的直接耦合式矩形波导滤波器，包括矩形波导谐振腔和分隔矩形波导谐振腔的金属膜片，其特征在于：还包括两个从矩形波导滤波器侧壁插入并固定在矩形波导滤波器腔体内的E面探针过渡结构，所述E面探针过渡结构的一端为微带端口，另一端与矩形波导滤波器的第一个或最后一个谐振腔相连，用于实现矩形波导滤波器波导端口到微带端口的转换，以及矩形波导滤波器的外部耦合。
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