CN109494437A - 基于交叉耦合和源-负载耦合的w波段准椭圆波导滤波器 - Google Patents

基于交叉耦合和源-负载耦合的w波段准椭圆波导滤波器 Download PDF

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丁江乔
刘冬
史生才
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    • H01P1/20—Frequency-selective devices, e.g. filters
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Abstract

本发明公开了基于交叉耦合和源‑负载耦合的W波段准椭圆波导滤波器，其中：包括依次连接的源端、第一谐振腔、第二谐振腔、第三谐振腔、第四谐振腔和负载端；相连谐振腔间磁耦合，第一谐振腔与第四谐振腔之间交叉电耦合，实现一对传输零点，源端与负载端之间形成源‑负载磁耦合，形成另一对传输零点。本发明具有4个传输零点，结构简单易实现，能有效提高探测系统的整体性能。

Description

基于交叉耦合和源-负载耦合的W波段准椭圆波导滤波器
技术领域
本发明属于毫米波射频电路的技术领域，尤其涉及毫米波频段波导滤波器，具体的说，是一种应用于射电天文探测系统中的基于交叉耦合和源-负载耦合的W波段准椭圆波导滤波器。
背景技术
W波段处于太赫兹低频段的边缘，但仍然是毫米波、太赫兹频段中重要的窗口频率，对于射电天文的观测研究具有非常重要的意义。
滤波器具有频率选择特性，是探测系统中重要的无源器件之一，能够滤除工作带宽外的干扰频率和环境噪声，优先提取特征信息并提高系统性能。波导具有完全闭合的金属结构，能够避免电磁辐射损耗和介质损耗，同时具有低损耗、功率容量大、易安装、固定等特性，被广泛应用于滤波器的设计。
近年来，随着工艺技术的快速发展，W波段波导滤波器的研制成为了国内外热门的研究对象，被大量报道。目前报道过的用于W波段波导滤波器实现的工艺主要有：深反应离子刻蚀(Deep-Reactive Iron Etching，DRIE)，新型的厚SU-8光刻技术(Thick SU-8Photoresist)，电铸(Electroforming)工艺，数控铣削(CNC)工艺和基片集成波导技术等。它们之中，使用传统CNC加工的波导滤波器因为无需任何其他转换结构，往往能获得比较出色的插损特性。另一方面，W波段的波导滤波器大部分采用切比雪夫函数逼近的直接耦合式滤波器，边带响应过渡缓慢，且带外抑制较差。
因此在重要的窗口W-频段，研究适用于CNC工艺实现，具有带外存在多个传输零点(准椭圆响应)的波导滤波器具有很强的现实意义和工程价值。该发明对射电天文探测系统的发展与应用起到积极作用。
发明内容
本发明的目的是解决W-频段波导滤波器普遍存在的边带过度缓慢及带外抑制较差等问题，发明了一种具有4个传输零点的基于交叉耦合和源-负载耦合的W波段准椭圆波导滤波器，该滤波器具有结构简单易实现，有效提高探测系统的整体性能的优点。
为实现上述技术目的，本发明采取的技术方案为：
基于交叉耦合和源-负载耦合的W波段准椭圆波导滤波器，其中：包括依次连接的源端、第一谐振腔、第二谐振腔、第三谐振腔、第四谐振腔和负载端；相连谐振腔间磁耦合，第一谐振腔与第四谐振腔之间交叉电耦合，实现一对传输零点，源端与负载端之间形成源负载磁耦合，形成另一对传输零点。
为优化上述技术方案，采取的具体措施还包括：
上述的基于交叉耦合和源-负载耦合的W波段准椭圆波导滤波器由第一滤波器座和第二滤波器座组成，源端、第一谐振腔、第二谐振腔、第三谐振腔、第四谐振腔和负载端均开设在第一滤波器座表面，第二滤波器座紧密盖合在第一滤波器座的该表面上，第二滤波器座与源端、第一谐振腔、第二谐振腔、第三谐振腔、第四谐振腔和负载端对应处为平面，使得第一滤波器座和第二滤波器座共同组成了H面单侧裂缝导波结构。
上述的源端、第一谐振腔、第二谐振腔、第三谐振腔、第四谐振腔和负载端折叠排列，使源端与负载端相邻，第一谐振腔与第四谐振腔相邻。
上述的源端和负载端为WR-10波导。
上述的第一谐振腔、第二谐振腔、第三谐振腔和第四谐振腔均为TE101-模波导腔体谐振器。
上述的相连谐振腔间的磁耦合为H-面双侧感性膜片。
上述的第一谐振腔与第四谐振腔之间通过E-面单侧容性膜片实现交叉电耦合，实现一对靠近通带的零点，源端与负载端之间通过磁耦合结构产生另一对稍微远离通带的零点。
上述的源端、第一谐振腔、第二谐振腔、第三谐振腔、第四谐振腔和负载端中所有的直角均被倒尺寸相同的圆角。
上述的H面单侧裂缝导波结构的开口面上设置有法兰接头。
上述的法兰接头为标准UG-387法兰接头。
本发明采用以上技术方案与现有技术相比，具有以下优点：
1、本发明的W波段准椭圆波导滤波器的第一谐振腔与第四谐振腔采用交叉耦合结构，获得了一对靠近通带的零点，实现了陡峭的边带响应；
2、本发明的W波段准椭圆波导滤波器的源端与负载端之间磁耦合，获得了一对离通带稍远的零点，进一步提高带外抑制特性；
3、本发明的W波段滤波器，在带外获得了4个传输零点，具有较好的带外抑制特性；
4、本发明提出的H面单侧裂缝波导结构，可以通过现阶段大部分H面波导滤波器的加工方式实现，并且相对于要在第一滤波器座表面和第二滤波器座上均铣出滤波器腔体的现有H面波导滤波器，本发明只对一个滤波器座进行滤波器腔体加工，有效降低加工难度，同时还解决了裂缝波导加工过程中的对准问题；
5、本发明滤波器两端口是标准的法兰接头，可直接应用于波导结构探测系统中，而无需其他转换、过渡结构，即可实现与系统中的天线，混频器等模块的连接；
6、本发明采用H-面单侧裂缝波导结构方式加工，整体结构中的高度除电耦合外均一致，易实现；电耦合处的单侧膜片可独立被铣出；滤波器中所有腔体直角被倒圆角，贴合CNC工艺中的钻头尺寸，使得本发明的结构易被CNC工艺实现。
附图说明
图1是本发明的结构示意图；
图2是第一滤波器座的结构示意图；
图3是第二滤波器座的结构示意图；
图4是图3中第二滤波器座翻转过来的示意图；
图5是图2中的A部结构放大图；
图6是源端、谐振腔与输出端的结构以及尺寸示意图；
图7是交叉耦合和源-负载耦合的W波段准椭圆波导滤波器的S-参数测试图。
附图标记为：源端1、第一谐振腔2、第二谐振腔3、第三谐振腔4、第四谐振腔5、负载端6、第一滤波器座7、第二滤波器座8。
具体实施方式
以下结合附图对本发明的实施例作进一步详细描述。
本发明为基于交叉耦合和源-负载耦合的W波段准椭圆波导滤波器，其中：包括依次连接的源端1、第一谐振腔2、第二谐振腔3、第三谐振腔4、第四谐振腔5和负载端6；相连谐振腔间磁耦合，第一谐振腔2与第四谐振腔5之间交叉电耦合，实现一对传输零点，源端1与负载端6之间形成源-负载磁耦合，形成另一对传输零点。
实施例中，基于交叉耦合和源-负载耦合的W波段准椭圆波导滤波器由第一滤波器座7和第二滤波器座8组成，源端1、第一谐振腔2、第二谐振腔3、第三谐振腔4、第四谐振腔5和负载端6均开设在第一滤波器座7表面，第二滤波器座8紧密盖合在第一滤波器座7的该表面上，第二滤波器座8与源端1、第一谐振腔2、第二谐振腔3、第三谐振腔4、第四谐振腔5和负载端6对应处为平面，使得第一滤波器座7和第二滤波器座8共同组成了H面单侧裂缝导波结构。
实施例中，源端1、第一谐振腔2、第二谐振腔3、第三谐振腔4、第四谐振腔5和负载端6折叠排列，使源端1与负载端6相邻，第一谐振腔2与第四谐振腔5相邻。
实施例中，源端1和负载端6为WR-10波导。
实施例中，第一谐振腔2、第二谐振腔3、第三谐振腔4和第四谐振腔5均为TE101模波导腔体谐振器。
实施例中，相连谐振腔间的磁耦合为H-面双侧感性膜片。
实施例中，第一谐振腔2与第四谐振腔5之间通过E-面单侧容性膜片实现交叉电耦合，实现一对靠近通带的零点，源端1与负载端6之间通过磁耦合结构产生另一对稍微远离通带的零点。
实施例中，源端1、第一谐振腔2、第二谐振腔3、第三谐振腔4、第四谐振腔5和负载端6中所有的直角均被倒尺寸相同的圆角。
实施例中，H面单侧裂缝导波结构的开口面上设置有法兰接头。
实施例中，法兰接头为标准UG-387法兰接头。
如图1-5所示，本发明的滤波器采用4个波导谐振腔，通过折叠排列，引入非相连谐振腔间的交叉耦合；通过输入、输出结构的折叠方式，引入源-负载耦合。相连谐振器间的耦合包括源-负载耦合均是磁耦合，由H-面感性膜片构成；交叉耦合是电耦合，由E-面单侧容性膜片构成。设计时模型中的腔体直角均被倒圆角，圆角半径0.25mm。具体尺寸可见图5。
图1为基于交叉耦合和源-负载耦合的W波段准椭圆波导滤波器的整体结构工程图。可知，采用H-面裂缝波导结构，即将整体腔体结构全部加工在一块金属块上，外加一块光滑盖板即可形成封闭腔体。首先采用传统CNC技术在铝块上进行铣出全部结构，加工过程中最小钻头的直径为0.5m，完成后再经过镀金工艺，整体滤波器大小为W×L×H＝20mm×16m×20mm。波导口面上加工了标准UG-387法兰接头。
经过测试表明：该滤波器工作于W-频段，3dB带宽为5.5％，通带为90.1～95.2GHz，带内回波损耗整体低于15dB，且带外存在明显的4个传输零点，具有较好的抑制特性。应用于W-波段探测系统起到定义频段、摒弃杂波的作用。
以上仅是本发明的优选实施方式，本发明的保护范围并不仅局限于上述实施例，凡属于本发明思路下的技术方案均属于本发明的保护范围。应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理前提下的若干改进和润饰，应视为本发明的保护范围。

Claims (10)

1.基于交叉耦合和源-负载耦合的W波段准椭圆波导滤波器，其特征是：包括依次连接的源端(1)、第一谐振腔(2)、第二谐振腔(3)、第三谐振腔(4)、第四谐振腔(5)和负载端(6)；相连谐振腔间磁耦合，第一谐振腔(2)与第四谐振腔(5)之间交叉电耦合，实现一对传输零点，源端(1)与负载端(6)之间形成源-负载磁耦合，形成另一对传输零点。
2.根据权利要求1所述的基于交叉耦合和源-负载耦合的W波段准椭圆波导滤波器，其特征是：由第一滤波器座(7)和第二滤波器座(8)组成，所述的源端(1)、第一谐振腔(2)、第二谐振腔(3)、第三谐振腔(4)、第四谐振腔(5)和负载端(6)均开设在第一滤波器座(7)表面，所述的第二滤波器座(8)紧密盖合在第一滤波器座(7)的该表面上，第二滤波器座(8)与源端(1)、第一谐振腔(2)、第二谐振腔(3)、第三谐振腔(4)、第四谐振腔(5)和负载端(6)对应处为平面，使得第一滤波器座(7)和第二滤波器座(8)共同组成了H面单侧裂缝导波结构。
3.根据权利要求1所述的基于交叉耦合和源-负载耦合的W波段准椭圆波导滤波器，其特征是：所述的源端(1)、第一谐振腔(2)、第二谐振腔(3)、第三谐振腔(4)、第四谐振腔(5)和负载端(6)折叠排列，使源端(1)与负载端(6)相邻，第一谐振腔(2)与第四谐振腔(5)相邻。
4.根据权利要求1所述的基于交叉耦合和源-负载耦合的W波段准椭圆波导滤波器，其特征是：所述的源端(1)和负载端(6)为WR-10波导。
5.根据权利要求1所述的基于交叉耦合和源-负载耦合的W波段准椭圆波导滤波器，其特征是：所述的第一谐振腔(2)、第二谐振腔(3)、第三谐振腔(4)和第四谐振腔(5)均为TE101-模波导腔体谐振器。
6.根据权利要求1所述的基于交叉耦合和源-负载耦合的W波段准椭圆波导滤波器，其特征是：相连谐振腔间的磁耦合为H-面双侧感性膜片。
7.根据权利要求1所述的基于交叉耦合和源-负载耦合的W波段准椭圆波导滤波器，其特征是：第一谐振腔(2)与第四谐振腔(5)之间通过E-面单侧容性膜片实现交叉电耦合，实现一对靠近通带的零点，源端(1)与负载端(6)之间通过磁耦合结构产生另一对稍微远离通带的零点。
8.根据权利要求1所述的基于交叉耦合和源-负载耦合的W波段准椭圆波导滤波器，其特征是：所述的源端(1)、第一谐振腔(2)、第二谐振腔(3)、第三谐振腔(4)、第四谐振腔(5)和负载端(6)中所有的直角均被倒尺寸相同的圆角。
9.根据权利要求8所述的基于交叉耦合和源-负载耦合的W波段准椭圆波导滤波器，其特征是：所述的H面单侧裂缝导波结构的开口面上设置有法兰接头。
10.根据权利要求9所述的基于交叉耦合和源-负载耦合的W波段准椭圆波导滤波器，其特征是：所述的法兰接头为标准UG-387法兰接头。
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