CN106935944A - 基于超传输隔膜的e面弯折矩形波导可调滤波器 - Google Patents

基于超传输隔膜的e面弯折矩形波导可调滤波器 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种基于超传输隔膜的E面弯折矩形波导可调滤波器，主要解决现有波导可调滤波器通带带宽调节量小的问题。其包括矩形波导(1)和超传输缝隔膜(2)；矩形波导(1)为E面弯折结构，弯折处设有两个矩形的法兰盘；超传输隔膜(2)的上下位置开有相互平行的两个长条通孔(21)和(22)，中间设有开口朝向波导弯折内侧的C形缝隙(23)，超传输隔膜(2)固定在矩形波导(1)的两个矩形法兰盘之间，且在两个长条通孔(21)和(22)内沿着波导弯折的内外两侧滑动，从而调整C形缝隙(23)的位置，实现对通带带宽的连续调节。本发明具有通带带宽调节量大和结构简单的优点，可用于微波通信领域。

Description

基于超传输隔膜的E面弯折矩形波导可调滤波器
技术领域
本发明属于微波技术领域，特别涉及一种矩形波导可调滤波器，可用于微波通信。
技术背景
矩形波导可调滤波器，是一种用来分离不同频率信号的重要微波器件，主要作用是抑制不需要的频率信号，使之不能通过滤波器，只让需要的频率信号通过，其中心频率或者通带带宽可以根据需求进行调控，具有插入损耗低、温度稳定性好和功率容量大的特点，广泛应用于卫星通信、电子对抗和雷达系统中。
矩形波导可调滤波器常用调控方式是在滤波器中加入调谐螺钉，通过旋转调谐螺钉实现滤波中心频率连续可调的目的。然而，这种调节方式通常可以有效改变矩形波导滤波器的中心频率，而对通带带宽的调节非常有限。例如，2014年，张君的授权公开号为CN203690453 U的授权专利《一种波导滤波器》，公开了一种在矩形波导中插入圆柱的波导滤波器结构，通过调节螺丝的深度可以改变滤波器的滤波频段，但是该结构仅仅实现了滤波中心频率的可控，通带带宽则基本上保持不变。现有技术也有在矩形波导中插入开口缝隙膜片的调控方式，通过改变缝隙结构对中心频率和通带带宽进行调控。例如，2016年，Werner A.Arriola在《IEEE MICROWAVE AND WIRELESS COMPONENTS LETTERS》，国际刊号为ISSN 1531-1309，发表了的题为“Bandwidth of Complementary Split Ring Resonatorfor Rectangular Waveguide BPFs”的文章，该文章公开了一种在矩形波导中插入开口缝隙环的结构，通过改变开口在缝隙环上的位置，在中心频率不变的情况下，实现了几种不同的滤波带宽，3dB通带带宽可以实现从3.2％至31％的离散调控，但是该结构无法实现连续的通带带宽的调控，且通带带宽变化量有限。
上述现有技术尽管能够实现矩形波导可调滤波器的有效设计，但由于这些矩形波导可调滤波器多是对中心频率的调节，虽然通带带宽也可以调节，但是调节量非常有限，且多是离散调节的，难以实现连续动态调节。随着科技的日益发展，对微波通信系统的要求越来越高，微波通信对滤波器通带带宽的需求也不尽相同，因此现有矩形波导可调滤波器的应用范围受到限制。
发明内容
本发明目的在于针对上述现有技术存在的不足，提出一种基于超传输隔膜的E面弯折矩形波导可调滤波器，通过在矩形波导E面弯折处加载超传输隔膜结构，并通过滑动超传输隔膜，增大传统矩形波导可调滤波器的通带带宽调控范围，有效实现矩形波导滤波器在8.2GHz-12.4GHz的工作频率范围内任意0GHz-4.2GHz通带带宽的调控。
为实现上述目的，本发明基于超传输隔膜的E面弯折矩形波导可调滤波器，包括矩形波导和超传输隔膜，其特征在于：所述该矩形波导采用E面弯折结构，所述超传输隔膜位于矩形波导的E面弯折处，其上下位置开有相互平行的两个长条通孔，中间设有开口朝向波导弯折内侧的C形缝隙，用于实现波导滤波器的中心频率和通带带宽的调控。
作为优选，所述的E面弯折结构，其弯折角度θ的取值范围为30°≤θ≤180°，且弯折处设有两个矩形的法兰盘，每个法兰盘所在平面倾斜于波导宽边所在平面，且四角设有通孔。
作为优选，所述的超传输隔膜位于两个法兰盘之间，通过法兰盘的通孔和超传输隔膜的长条通孔把三者连接成一个整体，使超传输隔膜在两个长条通孔内沿着法兰盘在波导弯折的内外两侧滑动，从而调整C形缝隙的位置。
作为优选，所述的两条长通孔，其宽度W3与法兰盘通孔的直径W0相等，即W3＝W0，长度W4大于法兰盘上面两个通孔之间的长度L0与波导弯折处窄边的长度L1之和，即W4>L0+L1。
作为优选，所述的超传输隔膜在两个长条通孔内沿着法兰盘在波导弯折的内外两侧滑动，其滑动距离Lx的取值范围通过下式确定：
W1/2+d/2-10.16/sin(θ/2)≤Lx≤W1/2-d/2
式中，W1是超传输隔膜的长度，d是C形缝隙的边长，θ为矩形波导的E面弯折角度。
本发明具有如下优点：
1、本发明由于采用E面弯折结构的矩形波导，并在弯折位置处加载开有C形缝隙的超传输隔膜，实现了波导滤波器在工作频率范围内任意通带带宽的大范围调控，有效地扩大了矩形波导滤波器的应用范围。
2、本发明由于在超传输隔膜上下位置开有相互平行的两个长条通孔，通过在两个长条通孔范围内滑动超传输隔膜来调整C形缝隙的位置，结构简单，易于操作。
附图说明
图1是本发明的整体结构示意图；
图2是本发明中的法兰盘结构示意图；
图3是本发明中的超传输隔膜结构示意图；
图4是本发明的中心频率f0和通带带宽BW3dB随滑动距离Lx变化的仿真图；
图5是本发明的传输系数S21在不同滑动距离Lx时随频率变化的仿真图。
具体实施方式
以下结合附图和实施例，对本发明作进一步说明。
参照图1，本发明给出如下三种实施例：
实施例1，60°弯折的矩形波导可调滤波器。
本实例包括矩形波导1和超传输隔膜2。
所述矩形波导1，使用长度为22.86mm，宽度为10.16mm，以及工作频率范围为8.2GHz-12.4GHz的标准WR90波导，其采用E面弯折结构，弯折角度为θ＝60°，在弯折处设有两个矩形的法兰盘，每个法兰盘所在平面倾斜于波导宽边所在平面，且四角设有通孔，如图2所示，每个法兰盘的四个通孔大小相等，直径W0＝5mm，上面两个通孔之间的长度L0＝32mm，矩形波导在弯折处的横截面宽度L1＝10.16/sin(θ/2)＝20.32mm，高度L2＝22.86mm.。
所述超传输隔膜2，位于矩形波导的E面弯折处，如图3所示，其长度W1＝60mm，宽度W2＝44mm，且上下位置分别开有相互平行的两个长条通孔21和22，这两个长条通孔21和22的宽度W3＝W0＝5mm，长度W4＝53mm>L0+L1，中间设有开口朝向波导弯折内侧的C形缝隙23，该C形缝隙23的边长d＝5.5mm，缝隙宽度d0＝0.5mm。通过螺钉把法兰盘的通孔和超传输隔膜的长条通孔三者连接成一个整体，使超传输隔膜在两个长条通孔内沿着法兰盘在波导弯折的内外两侧滑动，从而调整C形缝隙的位置，该超传输隔膜2的滑动距离为Lx，其取值范围通过下式确定：
W1/2+d/2-10.16/sin(θ/2)≤Lx≤W1/2-d/2
将本实例θ＝60°的参数代入上式，得到滑动距离的Lx在12.43mm≤Lx≤27.25mm范围内。由于本发明采用E面弯折结构的矩形波导，并在弯折位置处加载开有C形缝隙的超传输隔膜，通过滑动超传输隔膜来调整C形缝隙的位置，增加滑动距离Lx的取值范围。
实施例2，90°弯折的矩形波导可调滤波器。
本实例设E面弯折结构的弯折角度为θ＝90°，其它结构和参数与实施例1相同，计算得到超传输隔膜2的滑动距离Lx范围为
18.38mm≤Lx≤27.25mm。
实施例3，120°弯折的矩形波导可调滤波器。
本实例设E面弯折结构的弯折角度为θ＝120°，其它结构和参数与实施例1相同，计算得到超传输隔膜2的滑动距离Lx范围为
21.02mm≤Lx≤27.25mm。
E面弯折结构的弯折角度θ取不同的值时，其滑动距离变化范围ΔLx如表1。
表1超传输隔膜2在弯折角度θ取不同值时的滑动距离变化范围
E面弯折角度θ 30° 60° 90° 120° 150° 180°
ΔLx/mm 33.76 14.82 8.87 6.23 5.02 4.66
从表1可以看出，E面弯折角度θ越小，Lx的取值范围越大，其调控范围从4.66mm到33.76mm。本发明实现的技术效果是，Lx的取值范围越大，通带带宽BW3dB的可调节范围越大。
以下结合仿真试验，对本发明的技术效果作进一步说明。
仿真1：
利用商业仿真软件CST Microwave Studio对上述实施例1的波导滤波器进行仿真计算，得到中心频率f0和通带带宽BW3dB分别与滑动距离Lx的关系曲线如图4所示，其中横坐标为滑动距离Lx，左侧纵坐标为中心频率f0，右侧纵坐标为通带带宽BW3dB。
由图4可见，当滑动距离Lx在13mm-24.5mm之间时，本发明的中心频率f0在10.1GHz-10.4GHz之间浮动，变化很小，本发明的通带带宽BW3dB在0GHz-4.2GHz之间变化，实现了在中心频率在基本保持不变的情况下，通带带宽的大范围连续调控。
仿真2：
利用商业仿真软件CST Microwave Studio对上述实施例1的波导滤波器进行仿真计算，得到传输系数曲线S21如图5所示，其中横坐标为频率，纵坐标为传输系数S21。
从图5给出了在三种不同滑动距离下中心频率f0和通带带宽BW3dB的特性：
当超传输隔膜滑动距离Lx＝13mm时，其3dB通带的下截止频率f1＝10.19GHz，上截止频率f2＝10.27GHz，中心频率f0＝(f1+f2)/2＝10.23GHz，通带带宽BW3dB＝f2-f1＝0.08GHz；
当超传输隔膜滑动距离Lx＝17mm时，其3dB通带的下截止频率f1＝9.08GHz，上截止频率f2＝11.14GHz，中心频率f0＝(f1+f2)/2＝10.11GHz，通带带宽BW3dB＝f2-f1＝2.06GHz；
当超传输隔膜滑动距离Lx＝22mm时，其3dB通带的下截止频率f1＝8.20GHz，上截止频率f2＝12.40GHz，中心频率f0＝(f1+f2)/＝10.30GHz，通带带宽BW3dB＝f2-f1＝4.20GHz。
由图5可见，在不同滑动距离Lx位置处，波导滤波器的中心频率f0基本保持不变，通带带宽BW3dB则有较大范围的变化。
仿真3：
利用商业仿真软件CST Microwave Studio对上述其它实施例的波导滤波器进行仿真计算，得到带宽特性如表2所示。
表2弯折角度θ取不同值时的带宽特性
E面弯折角度θ 30° 60° 90° 120° 150° 180°
最小BW3dB/GHz 0 0.07 0.88 0.62 0.62 0.68
最大BW3dB/GHz 4.2 4.2 2.91 1.37 1.18 0.98
ΔBW3dB/GHz 4.2 4.13 2.03 0.75 0.56 0.3
表2中，最小BW3dB表示在滑动距离Lx范围内，能达到的最小3dB通带带宽，最大BW3dB表示在滑动距离Lx范围内，能达到的最大3dB通带带宽，ΔBW3dB表示在滑动距离Lx范围内，能达到的通带带宽可调范围，即最大BW3dB减去最小BW3dB。
表2表明，当θ<60°时，ΔBW3dB保持最大可调范围4.2GHz，可以实现本发明在工作频率8.2GHz-12.4GHz范围内任意通带带宽BW3dB的大范围调控；随着θ的逐渐增大，ΔBW3dB逐渐减小；当θ＝180°时，即矩形波导为直波导时，最小BW3dB和最大BW3dB差距很小，通带带宽可调范围ΔBW3dB仅有0.3GHz，可见弯折角度θ越小，通带带宽可调范围ΔBW3dB越大。
以上仿真结果说明，本发明对矩形波导进行E面弯折，并在E面弯折处加载有超传输隔膜，通过滑动超传输隔膜，有效地实现了矩形波导可调滤波器在中心频率f0基本保持不变的情况，通带带宽BW3dB在0GHz-4.2GHz范围内的大范围连续调控。
以上所述的仅是本发明的优选实施方式，并不构成对本发明的任何限制，显然，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明创新构思的前提下可做出若干变形和改进，但这些均属于本发明的保护范围。

Claims (5)

1.一种基于超传输隔膜的E面弯折矩形波导可调滤波器，包括矩形波导(1)和超传输隔膜(2)，其特征在于：所述该矩形波导(1)采用E面弯折结构，所述超传输隔膜(2)位于矩形波导(1)的E面弯折处，其上下位置开有相互平行的两个长条通孔(21)和(22)，中间设有开口朝向波导弯折内侧的C形缝隙(23)，用于实现波导滤波器的中心频率和通带带宽的调控。
2.根据权利要求1所述的滤波器，其特征在于：所述的E面弯折结构，其弯折角度θ的取值范围为30°≤θ≤180°，且弯折处设有两个矩形的法兰盘，每个法兰盘所在平面倾斜于波导宽边所在平面，且四角设有通孔。
3.根据权利要求1或2所述的滤波器，其特征在于：所述超传输隔膜(2)位于两个法兰盘之间，通过法兰盘的通孔和超传输隔膜(2)的长条通孔把三者连接成一个整体，使超传输隔膜(2)在两个长条通孔(21)和(22)内沿着法兰盘在波导弯折的内外两侧滑动，从而调整C形缝隙(23)的位置。
4.根据权利要求1所述的滤波器，其特征在于：所述长条通孔(21)和(22)，其宽度W3与法兰盘通孔的直径W0相等，即W3＝W0，长度W4大于法兰盘上面两个通孔之间的长度L0与波导弯折处窄边的长度L1之和，即W4>L0+L1。
5.根据权利要求3所述的滤波器，其特征在于：超传输隔膜(2)在两个长条通孔(21)和(22)内沿着法兰盘在波导弯折的内外两侧滑动，其滑动距离Lx的取值范围通过下式确定：
W1/2+d/2-10.16/sin(θ/2)≤Lx≤W1/2-d/2
式中，W1是超传输隔膜(2)的长度，d是C形缝隙(23)的边长，θ为矩形波导(1)的E面弯折角度。
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