CN110474136A - 一种容性结构加载波导滤波器 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种容性结构加载波导滤波器，属于微波技术领域。该波导滤波器包括矩形波导底座、矩形波导盖板以及周期排布的金属柱，金属柱一端与矩形波导底座连接，另一端与波导盖板间设置有容性间隙，每一个金属柱上设置有一容性金属帽。本发明在传统华夫模滤波器中引入了容性结构，通过横向和纵向的容性结构来调整两个方向的耦合电容，有效地解决了相邻金属柱间的耦合电容和耦合电感间的相互约束关系，显著提高了该结构的自由度。同时，本发明具有功率容量高，结构紧凑等优点，尤其适用于对小型化和功率容量有较高要求的航空航天等领域。

Description

一种容性结构加载波导滤波器
技术领域
本发明属于微波技术领域，具体涉及一种容性结构加载波导滤波器结构，该滤波器具有十分优良的通带和阻带特性，可广泛应用于各种微波毫米波和太赫兹频段的电子系统中。
背景技术
滤波器是一种极为重要的无源微波器件，其中波导滤波器结构与平面电路滤波器结构相比具有低插损和高功率容量等优点。诸如波纹波导滤波器(corrugated filter)和华夫模滤波器(waffle-iron filter)之类的结构由于具有较高的功率容量和良好的边带抑制特性，在空间和卫星通信等系统中具有广泛的应用需求和重要的前景。其中波纹波导滤波器由纵向高、低阻波导段沿纵向交替分布形成的低通滤波器，由于波导自身的截止特性，最终表现出带通特性。而传统华夫模滤波器(L.Young和B.M.Schiffman等,New andimproved types of waffle-iron filters,1963)是由上下对称的沿横向和纵向周期排列的金属柱阵列组成，华夫模滤波器结构也可以视作波纹波导滤波器扩展为二维结构，横向金属柱可以抑制部分高阶TE0n模式，因而具有更佳的阻带特性。通常可以将对称的华夫模滤波器沿H面中心一分为二(理想电壁)，形成两个单侧的非对称结构，该结构与双侧华夫模滤波器具有相同的传输特性，只是功率容量减半。
在通信系统中，由于前级放大器等前级系统的非线性特性，产生了高次谐波信号，因此谐波抑制能力(包括过渡带陡峭程度和阻带宽度等)是其关键技术指标。虽然华夫模滤波器具有宽阻带特性，且可以通过增加间隙电容等手段提升其阻带抑制深度并展开滤波器的阻带带宽(王清源等，一种非对称华夫模滤波器，CN 201820764299.1；刘亮元、王清源等，一种带矩形柱的华夫模谐波抑制器，CN 201820764298.7)，理论上单个华夫模滤波器的阻带可以达到3～5ωc，然而有些应用中要求更宽的阻带宽度，例如10ωc。一种简单的方法是采用多个阻带不同的华夫模滤波器级联(E.D.Sharp,A high-power wide-band waffle-iron filter,1963)，然而级联后的结构体积大，不满足航空航天质量轻、体积小的要求，尤其是L/C等低频段体积大且非常笨重。另一方面，虽然理论上华夫模滤波器具有较宽的阻带特性，然而实际应用中由于加工装配误差等因素，很容易在阻带激励起尖峰与毛刺(即英文文献中的“Spikes”)，这大大降低了其优势性能。
发明内容
本发明提供了一种容性结构加波导载滤波器，在传统华夫模滤波器中引入了容性结构，有效地解决了相邻金属柱间的耦合电容和耦合电感间的相互约束关系，显著提高了该结构的自由度。参数扫描和优化分析结果表明，在合理的参数设置下，该结构可实现不同本征模式同一上边带的传输特性，从理论上实现了100％的带外抑制特性。
本发明采取以下的技术方案实现：
一种容性结构加载波导滤波器，包括：矩形波导底座、矩形波导盖板以及周期排布的金属柱，所述金属柱一端与矩形波导底座连接，另一端与波导盖板间设置有容性间隙，其特征在于：所述每一个金属柱上设置有一容性金属帽，所述容性金属帽的横截面尺寸大于金属柱横截面尺寸。
进一步地，所述容性金属帽的厚度小于金属柱的长度，同时可沿金属柱上下移动，且容性金属帽顶端与波导盖板之间有间隙。
进一步地，所述金属柱和容性金属帽沿矩形波导宽边方向和纵向周期排列。
进一步地，所述金属柱截面为矩形、方形或者圆形，所述容性金属帽横截面为矩形、方形或者圆形，且金属柱与容性金属帽结构的横截面形状可任意组合。
本发明具有以下优点：
(1)本发明通过横向和纵向的容性结构来调整两个方向的耦合电容，从而增加了该结构和等效电路的自由度，实现了相同的寄生模式上边带响应，理论上可以实现100％的带外抑制特性。
(2)该滤波器相对平面结构具有功率容量高(相比平面电路结构)，结构紧凑(相比于多级级联)等优点，尤其适用于对小型化和功率容量有较高要求的航空航天等领域(如卫星通信系统)。
(3)加工制造方便，采用传统加工方式如线切割和CNC即可实现。
附图说明
图1单侧非对称华夫模滤波器(不含输入/输出波导)三维结构示意图。
各标号分别表示：波导盖板-1；波导底座-2；一端短路的金属柱-3。
图2电容加载华夫模滤波器等效电路图。
图3是不含输入/输出匹配波导的单侧非对称华夫模滤波器优化结构各模式S参数仿真结果。
图4是含输入/输出匹配波导的单侧非对称华夫模滤波器优化结构工作模式S参数仿真结果。
图5是实施例1容性金属帽加载华夫模滤波器(不含输入/输出波导)三维结构示意图。
各标号分别表示：波导盖板-1；波导底座-2；一端短路的金属柱-3；容性金属帽-4。
图6是实施例1不含输入/输出匹配波导的电容加载华夫模滤波器优化后结构各模式S参数仿真结果。
图7是实施例1含输入/输出匹配波导的电容加载华夫模滤波器优化后结构工作模式S参数仿真结果。
具体实施方式
以下实施例结合附图，将本发明提出的容性金属帽加载应用于L波段华夫模滤波器中，对比未加载容性金属帽的华夫模滤波器的性能对本发明作进一步的详细阐述。
如附图1所示为传统单侧非对称华夫模滤波器的三维结构图，该结构由矩形波导、沿波导纵向和宽边方向为5*5的周期分布的矩形金属柱构成，横向和纵向的金属柱尺寸相同。该结构的集总参数等效电路见附图2，其中一端短路的金属柱可等效为y向的短路电感(分布参数下为短路枝节)，设其特性阻抗为Z1，则其长度l与等效电感值L1有如下关系：
jωL1＝jZ1tanβl (1)
式中ω为工作频率，β为传播常数，l为金属柱的物理长度。金属柱另一端与波导盖板间的间隙等效为一个较大的电容值，即图中y方向短路电容，若忽略边缘电容的影响，该电容值与金属柱的横截面面积S和间隙距离d相关，即由如下平行板电容的公式决定：
式中ε为填充材料的介电常数，如若没有填充材料(即为空气)，ε＝8.85×10-12F/m。
横向(x向)和纵向(z向)相邻金属柱间形成耦合结构，图中用一组并联的LC谐振单元来等效。当距离减小时电容增大，电感减小；而距离增大时电感增大，电容较小，因而LC为相互关联的量，无法独立地对两者进行调节，当该华夫模滤波器横向和纵向金属柱尺寸和间距相同时，我们只能独立地调节y向的电容和电感，以及x向(或z向)电感(或电容)，对应地只能调节金属柱的长度和横截面尺寸、与金属盖板的间距以及相邻金属柱间的距离，即该结构的自由度为3。
如附图3所示为文献(L.Young和B.M.Schiffman等,1963年)中报道结构的HFSS仿真结果，该结构已经经过优化设计。由于波导在低频段的截止特性，在加上该结构的低通特性，最终构成了带通的特性。由附图3可见，该结构中各本征模式均为带通特性，且分别对应了不同的频率范围(包括上边带和下边带)。附图4为对该结构进行了输入/输出端匹配后的仿真结果，其中工作模式为基模TE10模式，通过调制输入输出矩形波导的高度，可以实现与Mode 1输入阻抗的良好匹配，然而由于各高阶模无法与输入输出波导匹配，部分高阶模式在工作模式的阻带被激励起来，形成了图中位于工作模式阻带2.0～2.2GHz附近的尖峰(即“Spikes”)，这大大降低了该结构的带外抑制性能，尤其是实际应用中加工和装配误差易激励器高次模式，该滤波器结构的阻带性能会严重恶化。
本发明为了避免相邻金属柱间的耦合电容和耦合电感之间的相互约束，如附图5所示，创新性地在金属柱上设置了容性金属帽，即在相邻金属柱间引入了耦合电容。通过该方式，横向和纵向耦合电容和耦合电感可独立调节，有效提高该结构的自由度(自由度3到自由度6)。对本发明所提出的结构进行参数扫描和优化分析后发现，当对x,y,z三个方向的电容和电感值(即三个电容值和三个电感值)进行合理设置时(对六个参数进行全局优化或者从等效电路综合分析得到)，可实现不同本征模式相同的上边带特性(任意给定边带值)，即该滤波器带外抑制高达100％。如附图6所示为根据该结构在指定边带频率为1.67GHz时优化后的各本征模式S参数仿真结果，可见各本征模式的相同上边带传输响应。如附图7所示为增加输入输出波导后该结构的S参数结果，可见工作模式在阻带具有光滑的传输响应，与预期结果一致，在阻带内(如图中计算的1.7～2.6GHz频率范围)未见任何毛刺和尖峰。
综上所述，本发明提出的容性结构加载波导滤波器，即使由于实际加工和装配误差等因素导致激励起高阶模式，由于各本征模式具有相同的上边带特性，工作模式的阻带依然可以保持纯净的频谱，有效实现了阻带抑制。
以上实例仅为说明本发明，实施例中采用的是周期金属柱和容性加载结构，非周期非均匀金属柱和容性加载结构也属于本发明的变形，同时实际应用中所加载的容性结构在低频段可考虑用封装的电容元件来代替。

Claims (4)

1.一种容性结构加载波导滤波器，包括：矩形波导底座、矩形波导盖板以及周期排布的金属柱，所述金属柱一端与矩形波导底座连接，另一端与波导盖板间设置有容性间隙，其特征在于：所述每一个金属柱上设置有一容性金属帽，所述容性金属帽的横截面尺寸大于金属柱横截面尺寸。
2.如权利要求1所述的一种容性结构加载波导滤波器，其特征在于：所述容性金属帽的厚度小于金属柱的长度，容性金属帽可沿金属柱上下移动，且容性金属帽顶端与波导盖板之间有间隙。
3.如权利要求1所述的一种容性结构加载波导滤波器，其特征在于：所述金属柱和容性金属帽沿矩形波导宽边方向和纵向周期排列。
4.如权利要求1所述的一种容性结构加载波导滤波器，其特征在于：所述金属柱截面为矩形、方形或者圆形，所述容性金属帽横截面为矩形、方形或者圆形，且金属柱与容性金属帽结构的横截面形状任意组合。
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李坤等: "加载微扰金属块的消失模波导带通滤波器的阻带性能分析", 《电子技术应用》 *

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