CN111224209A - 基于波导再截止特性的波导带通滤波器及其设计方法 - Google Patents

基于波导再截止特性的波导带通滤波器及其设计方法 Download PDF

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武永
曾庆生
王爽
张淑婷
商语秋
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Abstract

一种基于波导再截止特性的波导带通滤波器的设计方法，步骤包括：1)设计波导的腔体是长方体，在腔体的首尾两端分别设计输入、输出的BJ84标准波导口；2)设计波导的腔体分为前后两部分，前部波导与后部波导的结构成中心O对称；前部波导依次为第一谐振腔和第二谐振腔，它们之间通过容性膜片隔离；第一谐振腔与输入的BJ84标准波导口之间通过容性膜片隔离，并且通过耦合窗耦合；3)波导的腔体加载一段感性结构；4)整个滤波器采用整体焊接方式加工。本发明的整个滤波器结构比较简单，无需调谐螺钉进行调试，加工简单，波导通带便于通过截止波导进行控制，性价比高，技术指标优良等特点，这也是本发明的突出优势。

Description

基于波导再截止特性的波导带通滤波器及其设计方法
技术领域
本发明属于微波卫星通信、雷达技术领域，具体涉及的是基于波导再截止特性的波导带通滤波器及其设计方法。
背景技术
随着微波卫星通信技术和雷达电子设备的发展，发射机的功率不断提高，信道的干扰越来越严重，在这种大功率的场合下，波导滤波器在卫星通信和雷达系统中所扮演的角色越来越重要。传统的波导滤波器设计技术在新型高效的设备中已经被逐步淘汰，这就需要有新型的符合设备高速更新速度要求的波导滤波器来取代之，基于波导再截止特性的波导带通滤波器就在这样的要求下应运而生。
发明内容
本发明的目的是针对目前大众化波导带通滤波器的缺点，提供一种设计比较灵活的波导再截止特性的波导带通滤波器，其结构灵活多变，一体化焊接装配，批量生产效率高，加工方便，无需调试等优点，能有效地满足微波卫星通信系统和雷达系统的相关要求。
本方法设计得到的基于波导再截止特性的波导带通滤波器具有结构简单，滤波器通带设计方法简单灵活，一体化焊接装配，批量生产效率高，加工方便，无需调试等优点。
一种基于波导再截止特性的波导带通滤波器的设计方法，步骤包括：
1)设计波导的腔体是长方体，在腔体的首尾两端分别设计输入、输出的BJ84标准波导口；
2)设计波导的腔体分为前后两部分，前部波导与后部波导的结构成中心O对称；
前部波导依次为第一谐振腔4和第二谐振腔5，它们之间通过容性膜片隔离；第一谐振腔4与输入的BJ84标准波导口之间通过容性膜片隔离，并且通过耦合窗3耦合；
前部波导和后部波导之间是第三谐振腔6；第三谐振腔6的中心为中心O第二谐振腔5与第三谐振腔6之间通过容性膜片隔离；
3)波导的腔体加载一段感性结构，具体是在输入、输出的BJ84标准波导口之间由一段具有波导再截止特性的波导传输线10连接；波导传输线10在各个容性膜片的上方，各个腔体之间留有耦合窗；
4)整个滤波器采用整体焊接方式加工；
先加工完成腔体，再把盖板11通过高温导电焊料进行高温焊接在腔体；焊接温度范围在250-300摄氏度。
进一步，所述腔体2和盖板11的表面具有电镀层，电镀层的材质是银、金或化学镍。
进一步，本波导高通滤波器的频带范围调整方式为：
通过对波导的宽边尺寸进行调整，带外衰减可以通过改变再截止特性的波导传输线10的长度，从而衰减低端频率；
通过加入容性膜片从而衰减高端频率。
一种上述方法设计得到的波导带通滤波器，包括腔体和盖板；腔体是长方体形状，盖板盖在腔体上，并密闭，其特征是所述腔体的首尾两端分别为输入、输出的BJ84标准波导口；
波导的腔体分为前后两部分，前部波导与后部波导的结构成中心O对称；
前部波导依次为第一谐振腔4和第二谐振腔5，它们之间通过容性膜片隔离；第一谐振腔4与输入的BJ84标准波导口之间通过容性膜片隔离；
前部波导和后部波导之间是第三谐振腔6；第三谐振腔6的中心为中心O第二谐振腔5与第三谐振腔6之间通过容性膜片隔离；
在输入、输出的BJ84标准波导口之间由一段具有波导再截止特性的波导传输线10连接，波导传输线10在各个容性膜片的上方。
所述腔体2和盖板11的表面具有电镀层，电镀层的材质是银、金或化学镍。
本技术方案，属于微波卫星通信系统技术，主要解决了常规技术实现波导带通滤波器需要加入调谐螺钉、单只滤波器调试周期长、装配误差影响滤波器的性能等技术难题。
本发明的波导带通滤波器包括一个输入标准波导口、一个输出标准波导口，以及宽边和窄边的尺寸均变小的耦合窗，该耦合窗对滤波器的端口匹配起到重要作用。同时，标准波导腔内也含有一段宽边变窄的波导传输线，该传输线能够在波导频率范围内有效的衰减标准波导的工作主模TE10模，使得在低端的频率得到有效抑制，形成有效频带内的高通形式的波导滤波器。同时，在宽边变窄的波导传输线内加载容性膜片，这些膜片按照一定的尺寸排列，就可得到等效为低通形式的波导滤波器，通过这样的组合就形成了谐振腔、耦合窗等结构波导带通滤波器，它们一起组成了具有波导截止特性的波导带通滤波器。其特征在于所述的具有波导截止特性的波导带通滤波器结构简单，加工方便，无调试螺钉，装配简单，腔体与盖板直接通过高银铜含量的焊料焊接在一起，提高了可靠性，大大降低批量生产成本，节省了人力、财力、物力。
与常规波导带通滤波器相比，在相同的谐振腔数目下，本发明具有波导再截止特性的波导带通滤波器的插入损耗也比较低，同时对波导的高端频率也有很强的衰减，解决了现有波导带通滤波器带内插入损耗采用常规方法很难减小的矛盾，在各种微波通信、雷达等电子设备中，有广阔的市场前景。
本发明的主要特点是整个滤波器结构比较简单，无需调谐螺钉进行调试，加工简单，波导通带便于通过截止波导进行控制，性价比高，技术指标优良等特点，这也是本发明的突出优势。
附图说明
图1为实施例的腔体俯视角结构示意图；
图2是图1的A-A截面示意图；
图3是图1的左视角示意图；
图4是图1的右视角示意图；
图5是盖板结构图；
图中：波导口(1)、腔体(2)、耦合窗(3)、第一谐振腔(4)、第二谐振腔(5)、第三谐振腔(6)、第一容性膜片(7)、第一容性膜片(8)、第一容性膜片(9)、波导传输线(10)、盖板(11)。
具体实施方式
本专利发明了一种基于波导再截止特性的波导带通滤波器，属于微波卫星通信系统和雷达系统技术，主要解决了常规波导滤波器不具备的一些性能，实现了基于波导再截止特性的波导带通滤波器通带频率可以灵活设计且方法十分简单，滤波器加工成型后无需调试的优点。
下面结合附图与具体实施例对本发明进一步说明：
如图1～4，本例中，一种基于波导再截止特性的波导带通滤波器的设计方法，步骤包括：
1)设计波导的腔体是长方体，在腔体的首尾两端分别设计输入、输出的BJ84标准波导口；
2)设计波导的腔体分为前后两部分，前部波导与后部波导的结构成中心O对称；
前部波导依次为第一谐振腔4和第二谐振腔5，它们之间通过容性膜片隔离；第一谐振腔4与输入的BJ84标准波导口之间通过容性膜片隔离；
前部波导和后部波导之间是第三谐振腔6；第三谐振腔6的中心为中心O第二谐振腔5与第三谐振腔6之间通过容性膜片隔离；
3)波导的腔体加载一段感性结构，具体是在输入、输出的BJ84标准波导口之间由一段具有波导再截止特性的波导传输线10连接；波导传输线10在各个容性膜片的上方；
4)整个滤波器采用整体焊接方式加工：
先加工完成腔体，再把盖板11通过高温导电焊料进行高温焊接在腔体；焊接温度范围在250-300摄氏度。
进一步，所述腔体2和盖板11的表面具有电镀层，电镀层的材质是银、金或化学镍。
进一步，本波导高通滤波器的频带范围调整方式为：
通过对波导的宽边尺寸进行调整，带外衰减可以通过改变再截止特性波导传输线10的长度，从而衰减低端频率；
通过加入容性膜片从而衰减高端频率。
一种上述方法设计得到的波导带通滤波器，包括腔体和盖板；腔体是长方体形状，盖板盖在腔体上，并密闭，其特征是所述腔体的首尾两端分别为输入、输出的BJ84标准波导口；
波导的腔体分为前后两部分，前部波导与后部波导的结构成中心O对称；
前部波导依次为第一谐振腔4和第二谐振腔5，它们之间通过容性膜片隔离；第一谐振腔4与输入的BJ84标准波导口之间通过容性膜片隔离；
前部波导和后部波导之间是第三谐振腔6；第三谐振腔6的中心为中心O第二谐振腔5与第三谐振腔6之间通过容性膜片隔离；
在输入、输出的BJ84标准波导口之间由一段具有波导再截止特性的波导传输线10连接，波导传输线10在各个容性膜片的上方。
所述腔体2和盖板11的表面具有电镀层，电镀层的材质是银、金或化学镍。
本例的基于波导再截止特性的波导带通滤波器，其原理是包括输入输出BJ84标准的波导口1，标准波导口1之间含有一段具有波导再截止特性的波导传输线10，如果相对于标准波导来讲的话，它相当于在标准波导内部加载了一段感性结构，以及耦合窗3、谐振腔4、谐振腔5、谐振腔6和容性膜片7、容性膜片8、容性膜片9等内部结构组成。这些谐振腔和耦合窗是以中心为对称的结构，它们共同组成了具有波导再截止特性的波导带通滤波器。整个滤波器结构比较简单，无需调谐螺钉进行调试，加工简单，波导通带便于通过截止波导进行控制，整体焊接，技术指标优良等特点。
与常规波导带通滤波器相比，具有波导再截止特性的波导带通滤波器只需要将加工好的腔体2和盖板11通过高温导电焊料进行高温焊接，正常温度范围在250-300摄氏度即可。同时盖板11与腔体2必须紧密接触，否则容易产生虚焊，从而影响结果。在实践过程中，为了达到紧密接触以及保证整体的焊接强度，也可以通过工装夹具辅助完成。需要说明的是，该腔体2和盖板11必须采用表面电镀的方法才能用上述所讲的方式进行焊接，表面电镀层是银，也可以是金或化学镍等，这个可以根据实际项目的需要决定。
在性能指标方面，基于波导再截止特性的波导带通滤波器是利用标准波导内的一段具有再截止特性的波导传输线10就可以得到波导高通滤波器，频带范围可以通过波导的宽边尺寸进行调整，带外衰减可以通过改变再截止特性波导传输线10的长度，以达到衰减低端频率的目的。同时也可以加入多个容性膜片来达到衰减高端频率的目的，而整体损和衰减程度要优于传统型的波导滤波器。从这点可以看出，该波导再截止特性的波导带通滤波器的设计灵活性非常的好，指标也领先于传统的波导滤波器。这种产品在各种微波电子设备中应用有着广阔的市场前景。
在结构方面，由于波导再截止特性的波导带通滤波器采用整体化加工方法，整个腔体2一体化加工成型，它是整个滤波器的核心组成部分。另外的一个部分是盖板11，将加工好的盖板11直接嵌入到腔体里面后就形成标准的波导再截止特性的波导带通滤波器，实现方法非常简单，无需大量的调试时间，提高了产品的生产效率，缩短了产品的上市周期。
下面是由系统的需求而设计的波导再截止特性的波导带通滤波器的技术指标：
(1)、中心频率：8.2GHz
(2)、工作带宽：600MHz
(3)、插入损耗：≤0.15dB
(4)、端口驻波：≤1.15
(5)、带外抑制：≥45dB@7-7.3GHz
(6)、接口形式：BJ84标准波导
(7)、工作温度：-40℃～+55℃
(8)、存储温度：-55℃～+70℃。
本技术方案主要解决了常规技术实现波导带通滤波器需要加入调谐螺钉、单只滤波器调试周期长、装配误差影响滤波器的性能等技术难题。
本波导带通滤波器包括一个输入标准波导口、一个输出标准波导口，以及宽边和窄边的尺寸均减小的耦合窗，该耦合窗对滤波器的端口匹配起到重要作用。
同时，标准波导腔内含有一段具有截止特性的波导传输线，该传输线能够在波导频率范围内有效的衰减标准波导的工作主模TE10模，使得在低端的频率得到有效抑制，形成有效频带内的高通形式的波导滤波器，也达到方便控制频带范围的目的。
滤波器采用了一段矩形的具有波导再截止特性的空波导，此结构简单，通过改变再截止特性的空波导的宽边尺寸，可以有效地控制波导低端的频率衰减范围，形成灵活可变的波导高通滤波器。
在宽边变窄的波导传输线内加载容性膜片，这些膜片按照一定的规则排列，膜片的数量可以根据技术指标对高端频率的衰减要求决定，就可得到等效为低通形式的波导滤波器。
与前述的标准波导内加载的具有截止特性的空波导，通过这样的组合就形成了谐振腔、耦合窗等结构波导带通滤波器，它们一起组成了具有波导截止特性的波导带通滤波器。
在输入输出波导口部分为标准的波导接口，它与再截止特性的波导传输线连接是通过一个小耦合窗口，该耦合窗口非常重要，但加工方便，与端口的匹配及指标的实现发挥着基础作用，它不需要任何调节措施就可以满足所需要的要求。
本例中，采用标准的C波段标准波导口，尺寸为宽边为28.5mm，窄边为12.62mm，这样可以保证基于波导再截止特性的波导带通滤波器系统装配过程中的通用性。
所述的滤波器采用了腔体加盖板的结构，将盖板直接装配至腔体里面，形成标准的波导和再截止波导，组成一个完整的基于再截止特性的波导带通滤波器，盖板和腔体上无调谐螺钉，适合大批量生产，节省调试成本且大大提高生产效率。
采用波导再截止特性技术克服传统形式的波导带通滤波器的不足之处，解决目前该类产品的设计难点，提高了生产效率。

Claims (5)

1.一种基于波导再截止特性的波导带通滤波器的设计方法，其特征是步骤包括：
1)设计波导的腔体是长方体，在腔体的首尾两端分别设计输入、输出的BJ84标准波导口；
2)设计波导的腔体分为前后两部分，前部波导与后部波导的结构成中心O对称；
前部波导依次为第一谐振腔(4)和第二谐振腔(5)，它们之间通过容性膜片隔离；第一谐振腔(4)与输入的BJ84标准波导口之间通过容性膜片隔离，并且通过耦合窗(3)耦合；
前部波导和后部波导之间是第三谐振腔(6)；第三谐振腔(6)的中心为中心O第二谐振腔(5)与第三谐振腔(6)之间通过容性膜片隔离；
3)波导的腔体加载一段感性结构，具体是在输入、输出的BJ84标准波导口之间由一段具有波导再截止特性的波导传输线(10)连接；波导传输线(10)在各个容性膜片的上方；
4)整个滤波器采用整体焊接方式加工；
先加工完成腔体，再把盖板(11)通过高温导电焊料进行高温焊接在腔体；焊接温度范围在250-300摄氏度。
2.根据权利要求1所述的基于波导再截止特性的波导带通滤波器的设计方法，其特征是所述腔体(2)和盖板(11)的表面具有电镀层，电镀层的材质是银、金或化学镍。
3.根据权利要求1所述的基于波导再截止特性的波导带通滤波器的设计方法，其特征是本波导高通滤波器的频带范围调整方式为：
通过对波导的宽边尺寸进行调整，带外衰减可以通过改变波导传输线(10)的长度，从而衰减低端频率；
通过加入容性膜片从而衰减高端频率。
4.一种权利要求1～3任一方法设计得到的波导带通滤波器，包括腔体和盖板；腔体是长方体形状，盖板盖在腔体上，并密闭，其特征是所述腔体的首尾两端分别为输入、输出的BJ84标准波导口；
波导的腔体分为前后两部分，前部波导与后部波导的结构成中心O对称；
前部波导依次为第一谐振腔(4)和第二谐振腔(5)，它们之间通过容性膜片隔离；第一谐振腔(4)与输入的BJ84标准波导口之间通过容性膜片隔离；
前部波导和后部波导之间是第三谐振腔(6)；第三谐振腔(6)的中心为中心O第二谐振腔(5)与第三谐振腔(6)之间通过容性膜片隔离；
在输入、输出的BJ84标准波导口之间由一段具有波导再截止特性的波导传输线(10)连接，波导传输线(10)在各个容性膜片的上方。
5.根据权利要求4所述的波导带通滤波器，其特征是所述腔体(2)和盖板(11)的表面具有电镀层，电镀层的材质是银、金或化学镍。
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