CN106941203B - 基于超传输的高q值级联弯折波导腔体滤波器 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于超传输的高Q值级联弯折波导腔体滤波器，主要解决现有滤波器损耗大和Q值低的问题。其包括矩形波导腔体和超传输隔膜，该矩形波导腔体采用由前波导(1)、中波导(2)和后波导(3)依次级联形成的E面弯折矩形波导腔体；该超传隔膜由第一超传输隔膜(4)和第二超传输隔膜(5)组成；第一超传输隔膜上开有第一C型缝隙(41)，并加载于前波导与中波导的级联位置，第二超传输隔膜上开有第二C型缝隙(51)，并加载于中波导与后波导的级联位置，用于实现波导腔体滤波器的高Q值选频滤波。本发明在实现X波段选频滤波功能的同时，减小了损耗，极大地提高了滤波器的Q值，可用于各类微波系统。

Description

基于超传输的高Q值级联弯折波导腔体滤波器

技术领域

本发明属于微波技术领域，具体涉及一种高Q值级联弯折波导腔体滤波器，可用于各类微波系统。

技术背景

波导腔体滤波器是一种由金属导电壁封闭而成的腔体结构，在微波系统中用来分离不同频率微波信号，相比于其它滤波器，具有插入损耗低、功率容量大、品质因数Q值高等优点，在各类微波系统中有广泛的应用。

在波导腔体滤波器的设计中，Q值是一个很重要的参数，它反映了腔体的储能能力或频率选择的能力大小，Q＝f₀/BW_(3dB)，其中f₀指滤波器的中心频率，BW_(3dB)指3dB通频带带宽，滤波器的Q值越高，其谐振曲线越尖锐，频率选择能力更高。同时，Q值等于腔体内储存的总能量与一个周期内腔体损耗能量的比值，当Q值越高，其通带内衰减越低，插入损耗越小。常见的腔体结构，比如同轴腔体的Q值一般为3000-5000左右，波导腔体的Q值一般为10000左右，但是波导腔体滤波器难以达到理论上的高Q值，这是因为滤波器是由多个波导腔体耦合级联而成，造成滤波器的损耗增大，从而降低滤波器的Q值。

为提高腔体滤波器的Q值，国内外学者做了大量的研究。例如，2014年，授权公告号为CN 102969549 B，题目为“新型腔体介质腔体滤波器”的发明专利，公开了一种新型介质腔体滤波器，主模为TM模，其结构为在滤波器各个腔体内部焊接介质谐振器，并且在谐振器背离腔体的一端表面涂覆银层，腔体结构和介质谐振器分别采用不同成分的陶瓷材料，相比于金属谐振器，其TM模的场在介质内更加集中，损耗更低，频率特性更陡峭，Q值提高了一倍。同时通过移动调谐装置实现频率调谐，其调谐范围可达7％-10％。又如，2015年，授权公告号为CN 103650237 B，“一种滤波器调谐装置及滤波器”的发明专利，公开了一种新型的滤波器调谐装置，腔体底部设有通孔，谐振杆从腔体内部通过通孔并且在与腔体底部垂直的方向上移动，通过调节谐振杆伸入腔体内的长度改变滤波器的电容大小，从而达到频率调谐的目的，相比传统的采用调谐螺钉调谐频率的方式，避免了受到调谐螺钉的限制，减小谐振杆的直径从而提高腔体滤波器的Q值，以及降低滤波器的损耗。

上述现有技术尽管能够实现腔体滤波器的较高Q值设计，但是不管是在腔体内部加载介质谐振器或是改变滤波器调谐方式，滤波器的Q值主要还是受到腔体结构的限制，并且滤波器的结构都比较复杂，在一定程度上增大了损耗，降低了Q值。

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的高Q值级联弯折波导腔体滤波器，以通过E面弯折矩形波导相互级联形成腔体结构，并且在波导弯折处加载超传输隔膜，有效实现波导腔体滤波器在X波段选频滤波功能，提高滤波器的品质因数Q值。

为实现上述目的，本发明基于超传输的高Q值级联弯折波导腔体滤波器，包括矩形波导腔体和超传输隔膜，其特征在于：所述矩形波导腔体，采用由前波导1、中波导2和后波导3依次级联形成的E面弯折矩形波导腔体；所述超传输隔膜，由第一超传输隔膜4和第二超传输隔膜5组成，该第一超传输隔膜4上开有第一C型缝隙41，并加载于前波导1与中波导2的级联位置，该第二超传输隔膜5上开有第二C型缝隙51，并加载于中波导2与后波导3的级联位置，用于实现波导腔体滤波器的高Q值选频滤波。

作为优选，所述E面弯折矩形波导腔体，弯折角度θ的取值根据波导的参数确定，其范围为：

其中，l为前波导1、中波导2和后波导3这三个波导中的最小长度，a是指前波导1前端横截面的窄边长度。

作为优选，所述前波导1采用前端为矩形，后端弯折的一体结构，前端横截面的窄边长度为a，宽边长度为b，后端横截面的窄边长度为a'＝a/cos(θ/2)，宽边长度为b，a和b的尺寸由所选矩形波导的型号给出。

作为优选，所述中波导2采用前后端同时弯折的一体结构，前后端横截面的大小相同，且与前波导1的后端横截面大小一致。

作为优选，所述后波导3采用前端为弯折，后端为矩形的一体结构，前端横截面与中波导2的后端横截面大小一致，后端横截面与前波导1的前端横截面大小一致。

作为优选，所述第一超传输隔膜4的横截面与前波导1的后端横截面大小一致，即窄边长度W₁＝a'，宽边长度W₂＝b。

作为优选，第一C型缝隙41的开口与波导的弯折方向相反，且位于第一超传输隔膜4的中心位置，其水平边长与垂直边长d相同，且小于第一超传输隔膜4窄边长度与宽边长度中的最小值，缝隙宽度w₁＜d/2。

作为优选，所述第二超传输隔膜5的横截面与后波导3的前端横截面大小一致，即窄边长度W₃＝a'，宽边长度W₄＝b。

作为优选，第二C型缝隙51的开口与波导的弯折方向一致，且位于第二超传输隔膜5的中心位置，该缝隙的水平边长d₁小于垂直边长d₂，该缝隙宽度w₂与第一C型缝隙41的缝隙宽度相同，d₂小于第二超传输隔膜5窄边长度与宽边长度中的最小值。

本发明与现有技术相比，具有以下优点：

1、本发明通过E面弯折矩形波导级联形成腔体结构，在波导弯折处加载超传输隔膜，且隔膜上开有C型缝隙，有效实现了波导腔体滤波器在其工作频率范围内的选频滤波功能。

2、本发明在波导弯折处采用不同形式的超传输隔膜，通过调节C型缝隙的结构，

实现了波导腔体滤波器在X波段极窄频带内带通，其Q值达到了25000，与现有的波导腔体滤波器相比，其损耗更小，Q值几乎提高了一倍。

3、本发明由于超传输隔膜采用不同形式的C型缝隙，通过改变C型缝隙的尺寸，能够调谐波导腔体滤波器的中心频率，其调谐范围为8.2GHz–12.4GHz。

附图说明

图1是本发明的整体结构示意图；

图2是本发明中第一超传输隔膜的结构示意图；

图3是本发明中第二超传输隔膜的结构示意图；

图4是本发明传输特性曲线图；

图5是本发明中第一C型缝隙的边长与中心频率f₀的关系仿真图。

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，本实施例包括矩形波导腔体和超传输隔膜，该矩形波导腔体采用由前波导1、中波导2和后波导3依次级联形成的E面弯折矩形波导腔体，该超传输隔膜由第一超传输隔膜4和第二超传输隔膜5组成，其中第一超传输隔膜4上开有第一C型缝隙41，并加载于前波导1与中波导2的级联位置，第二超传输隔膜5上开有第二C型缝隙51，并加载于中波导2与后波导3的级联位置，用于实现波导腔体滤波器的高Q值选频滤波。所述矩形波导腔体的弯折角度θ的取值根据波导的参数确定，其范围为：

式中，l为前波导1、中波导2和后波导3这三个波导中的最小长度，a是指前波导1前端横截面的窄边长度。所述前波导1采用前端为矩形，后端弯折的一体结构，前端横截面的窄边长度为a，宽边长度为b，后端横截面的窄边长度为a'＝a/cos(θ/2)，宽边长度为b，a和b的尺寸由所选矩形波导的型号给出。

所述中波导2采用前后端同时弯折的一体结构，前后端横截面的大小相同，且与前波导1的后端横截面大小一致。

所述后波导3采用前端为弯折，后端为矩形的一体结构，前端横截面与中波导2的后端横截面大小一致，后端横截面与前波导1的前端横截面大小一致。

在本实施例的矩形波导采用宽为22.86mm，高10.16mm，单模传输频率范围为8.2GHz-12.4GHz的标准WR90波导，弯折角度θ为121度，其中前波导1的长度为20mm，前端横截面窄边长度a＝10.16mm，宽边长度b＝22.86mm，后端横截面的窄边长度a'＝a/cos(θ/2)，宽边长度b＝22.86mm；中波导2的长度为120mm，前后端横截面的大小相同，即窄边长度a'＝a/cos(θ/2)，宽边长度b＝22.86mm；后波导3的长度为20mm，前端弯折横截面的窄边长度a'＝a/cos(θ/2)，宽边长度b＝22.86mm，后端矩形横截面的窄边长度a＝10.16mm，宽边长度b＝22.86mm。

参照图2，所述超传输隔膜4，其窄边尺寸和宽边尺寸分别与前波导1的后端横截面尺寸保持一致，即窄边长度为W₁＝a'＝a/cos(θ/2)，宽边长度为W₂＝b＝22.86mm，中心位置开有第一C型缝隙41，该第一C型缝隙41其开口与波导的弯折方向相反，该缝隙的水平尺寸和垂直边长d相同，并且小于超传输隔膜4窄边长度与宽边长度中的最小值，缝隙宽度w＜d/2，通过调节第一C型缝隙41的边长d实现腔体滤波器谐振频率的调谐。在本实施例中，在中心频率f₀＝10.01GHz时，第一C型缝隙41的水平边长和垂直边长d＝5.52mm，缝隙宽度w₁＝0.5mm。

参照图3，所述超传输隔膜5，其窄边尺寸和宽边尺寸分别与后波导3的前端横截面尺寸保持一致，即窄边长度为W₃＝a'＝a/cos(θ/2)，宽边长度为W₄＝b＝22.86mm，中心位置开有第二C型缝隙51，该第二C型缝隙51其开口与波导的弯折方向一致，该缝隙的水平边长d₁小于垂直边长d₂，且d₂小于第二超传输隔膜5窄边长度与宽边长度中的最小值，缝隙宽度w₂与第一C型缝隙41的缝隙宽度w₁相同，通过调节第二C型缝隙51的尺寸实现波导腔体滤波器在其工作频率范围内抑制腔体内的杂谐波，从而使滤波器在0.01％的极窄频带内实现电磁波的传输。在本实施例中，设第二C型缝隙51的水平边长d₁＝4mm，垂直边长d₂＝10mm，缝隙宽度w₂＝0.5mm。

本发明的上述结构，由于波导级联弯折，电磁波在波导腔体内相互反射，继而产生谐振，形成谐振腔体结构，通过在波导弯折处加载两个开有不同形式的C型缝隙超传输隔膜，从而可控制电磁波在特定频率或者频段内传输，而对特定频点或频段以外的电磁波进行滤除，使之不能通过滤波器，通过优化两个C型缝隙的结构即可提高滤波器的Q值，同时通过调节第一C型缝隙的尺寸即可实现频率的调谐。

对本发明的效果可通过以下仿真试验进一步说明。

仿真1，采用ANSYS HFSS 15.0电磁仿真软件，对本发明实施例在工作频率范围内的传输系数S₂₁进行仿真计算，得到传输特性曲线如图4所示。

从图4可以看出，在工作频率为8.2GHz-12.4GHz范围内，电磁波只在0.01％的极窄频带内传输，其3dB通带的下截止频率f₁＝10.0098GHz，上截止频率f₂＝10.0102GHz，中心频率f₀＝(f₁+f₂)/2＝10.01GHz，通带带宽BW_3dB＝f₂–f₁＝0.0004GHz，品质因数Q＝f₀/BW_3dB＝25000，相比于传统的波导腔体滤波器，Q值提高了一倍，带外抑制高，损耗小，同时有效的抑制了波导腔体滤波器内产生的杂谐波，从而使滤波器只在所需频带内实现电磁波的传输。

仿真2，改变第一C型缝隙41的边长d，仿真计算其与中心频率f₀的关系，结果如图5所示。

从图5可以看出，改变第一C型缝隙41的尺寸d，滤波器的中心频率f₀会发生改变，并且随着d逐渐增大，中心频率逐渐f₀减小。由此表明通过改变第一C型缝隙的尺寸，可以实现波导腔体滤波器在其工作频率8.2GHz-12.4GHz范围内中心频率的调控。

以上描述仅是本发明的优选实施方式，并不对本发明构成限制，例如对C型缝隙的结构尺寸对于本领域的普通技术人员来说，均可在不脱离本发明创新构思的前提下所做出的若干变形和改进，但这些改变均属于本发明的保护范围。

Claims (7)

1.一种基于超传输的高Q值级联弯折波导腔体滤波器，包括矩形波导腔体和超传输隔膜，其特征在于：

所述矩形波导腔体，采用由前波导(1)、中波导(2)和后波导(3)依次级联形成的E面弯折矩形波导腔体；该中波导(2)采用前后端同时弯折的一体结构，前后端横截面的大小相同，且与前波导(1)的后端横截面大小一致；该后波导(3)采用前端为弯折，后端为矩形的一体结构，前端横截面与中波导(2)的后端横截面大小一致，后端横截面与前波导(1)的前端横截面大小一致；

所述超传输隔膜，由第一超传输隔膜(4)和第二超传输隔膜(5)组成，该第一超传输隔膜(4)上开有第一C型缝隙(41)，并加载于前波导(1)与中波导(2)的级联位置，该第二超传输隔膜(5)上开有第二C型缝隙(51)，并加载于中波导(2)与后波导(3)的级联位置，用于实现波导腔体滤波器的高Q值选频滤波。

2.根据权利要求1所述的滤波器，其特征在于：所述E面弯折矩形波导腔体，弯折角度θ的取值根据波导的参数确定，其范围为：

其中，l为前波导(1)、中波导(2)和后波导(3)这三个波导中的最小长度，a是指前波导(1)前端横截面的窄边长度。

3.根据权利要求1所述的滤波器，其特征在于：所述前波导(1)采用前端为矩形，后端弯折的一体结构，前端横截面的窄边长度为a，宽边长度为b，后端横截面的窄边长度为a'＝a/cos(θ/2)，宽边长度为b，a和b的尺寸由所选矩形波导的型号给出。

4.根据权利要求1所述的滤波器，其特征在于：所述第一超传输隔膜(4)的横截面与前波导(1)的后端横截面大小一致，即窄边长度W₁＝a'，宽边长度W₂＝b。

5.根据权利要求1所述的滤波器，其特征在于：第一C型缝隙(41)的开口与波导的弯折方向相反，且位于第一超传输隔膜(4)的中心位置，其水平边长与垂直边长d相同，且小于第一超传输隔膜(4)窄边长度与宽边长度中的最小值，缝隙宽度w₁＜d/2。

6.根据权利要求1所述的滤波器，其特征在于：所述第二超传输隔膜(5)的横截面与后波导(3)的前端横截面大小一致，即窄边长度W₃＝a'，宽边长度W₄＝b。

7.根据权利要求1所述的滤波器，其特征在于：第二C型缝隙(51)的开口与波导的弯折方向一致，且位于第二超传输隔膜(5)的中心位置，该缝隙的水平边长d₁小于垂直边长d₂，该缝隙宽度w₂与第一C型缝隙(41)的缝隙宽度w₁相同，d₂小于第二超传输隔膜(5)窄边长度与宽边长度中的最小值。