CN112563705A

CN112563705A - 一种基于矩形波导结构的大功率谐波抑制滤波器

Info

Publication number: CN112563705A
Application number: CN202011404250.3A
Authority: CN
Inventors: 许正彬; 钱澄; 徐杰
Original assignee: Southeast University
Current assignee: Southeast University
Priority date: 2020-12-02
Filing date: 2020-12-02
Publication date: 2021-03-26
Anticipated expiration: 2040-12-02
Also published as: CN112563705B

Abstract

本发明公开了一种基于矩形波导结构的大功率谐波抑制滤波器，包括，标准输入波导、标准输出波导、第一谐波抑制滤波通道、第一谐波抑制滤波通道和金属薄片；其中，金属薄片设置于的矩形波导中间H面位置。第一谐波抑制滤波通道和第二谐波抑制滤波通道完全相同，且呈镜面对称设置于所述金属薄片的两侧。本发明中谐波抑制滤波通道采用皱褶波导低通滤波结构实现，避免了微小缝隙结构，提高了功率容量，通过谐波抑制滤波通道的镜面对称设置提高滤波器阻带带宽。标准输入/输出波导的中心轴线和谐波抑制滤波通道的中心轴线在同一条直线上，在微波、毫米波频率范围内，实现了结构紧凑、损耗低的二次谐波抑制波导滤波器，可用于高功率放大器中。

Description

一种基于矩形波导结构的大功率谐波抑制滤波器

技术领域

本发明涉及波导滤波器的技术领域，尤其涉及一种基于矩形波导结构的大功率谐波抑制滤波器。

背景技术

卫星通信具有覆盖面大、通信距离长、组网方便、不受环境限制等优点，是中远距离通信的主要手段。随着卫星通信对数据、视频、通讯和控制需求的增长，对发射机的输出功率要求也越来越高。为了提高输出功率，发射机中的高功率放大器通常工作在P1dB压缩点附近，甚至工作在饱和状态。这也意味着放大器会产生比较大的谐波信号，其中二次谐波信号最大。由于放大器的输出功率较高，即使谐波信号相对基波信号较小，但谐波功率仍旧较大，从而产生严重的带外干扰。为了降低高功率放大器的谐波信号，需要对放大器的输出进行滤波。然而，高功率放大器系统对谐波抑制滤波器的要求很苛刻，必须满足高功率容量、低插入损耗、低驻波等要求，一般只有波导滤波器可以满足要求，但由于高次模的影响，一般的波导滤波器很难实现对二次谐波的抑制。

目前，已有公开报道的波导谐波抑制滤波器主要有波导集总/分布式低通结构、华夫饼干盒低通结构、脊波导低通结构。早在1963年，美国加州斯坦福研究所StanfordResearch Institute)的Sharp等人利用华夫饼干盒式结构设计了一款具有较宽阻带带宽的低通滤波器[Sharp,E.A High-Power Wide-Band Waffle-Iron Filter[J].IEEETransactions on Microwave Theory&Techniques,1963,11(2):111-116.]。但这种结构的阻带的频率上限与滤波器的最小间隙相关。若阻带频率上限很高，机械间隙将很小，因此这种结构并不利于高频的大功率传输。1999年，澳大利亚国防科学与技术组织DefenseScience and Technology Organization)的Harvey等人利用脊波导设计了带通滤波器[Harvey,K.M.Modeling of slots in single-ridge waveguide for low-pass filterdesign[J].Microwave and Optical Technology Letters,1999,20(2):116-118.]，此滤波器具有良好的带外抑制性能和紧凑的结构，但由于金属脊部分采用了鳍线结构，缝隙结构小，不利于大功率传输。2007年中国香港中文大学The Chinese University of HK)的Cameron等报道了一款截止频率为23.5GHz的波导集总/分布低通滤波器[Cameron,R.J,Kudsia,C.M,Mansour,R.R.Microwave Filters for Communication Systems:Fundamentals,Design and Applications[M]//Microwave filters for communicationsystems,2007:299-301]。该使用阶梯阻抗变换器将减高波导和标准波导相连接，且阻带可以达到55GHz以上，但由于最小波导缝隙仅有0.649mm，功率承受容量有限。此外，由于利用了多阶四份之一波长阻抗变换器，该滤波器的体积也较大。针对缝隙过小影响滤波器功率容量的问题，2010年西班牙纳瓦雷公立大学Public University of Navarre)的I.Arregui等人报道了一款用于Ku波段谐波抑制低通滤波器[I,Arregui,I,et al.Design methodfor satellite output multiplexer low-pass filters exhibiting spurious-freefrequency behavior and high-power operation[J].Microwave&Optical TechnologyLetters,2010，52(8):1724-1728.]，采用传统褶皱波导滤波器和正弦扰动波导结构级联的方式实现宽阻带性能，该方法避免采用微小缝隙结构，有效提高功率容量，但缺陷在于多种结构的级联使滤波器体积过大。

发明内容

发明目的：为了克服现有技术中存在的不足，本发明提供一种基于矩形波导结构的大功率谐波抑制滤波器，该波导谐波抑制滤波器的插损小、谐波抑制能力强、结构紧凑、功率容量高。

技术方案：为了实现上述发明目的，本发明提供了一种基于矩形波导结构的大功率谐波抑制滤波器，包括，标准输入波导、标准输出波导、第一谐波抑制滤波通道、第二谐波抑制滤波通道和金属薄片；其中，所述金属薄片设置于的矩形波导中间H面位置，所述第一谐波抑制滤波通道和所述第二谐波抑制滤波通道完全相同，且呈镜面对称设置于所述金属薄片的两侧。

进一步的，在本发明中：所述第一谐波抑制滤波通道和所述第二谐波抑制滤波通道均采用波导低通滤波器结构实现。

进一步的，在本发明中：所述金属薄片的宽度与所述标准输入波导和所述输出波导宽度相同，且所述金属薄片的长度与所述第一谐波抑制滤波通道和所述第二谐波抑制滤波通道长度相同。

进一步的，在本发明中：所述标准输入波导与所述第一谐波抑制滤波通道、所述第二谐波抑制滤波通道之间的匹配采用波导阶梯结构实现。

进一步的，在本发明中：所述波导低通滤波器结构为皱褶波导低通结构。

进一步的，在本发明中：所述皱褶波导的宽边中间位置设置矩形槽。

进一步的，在本发明中：所述矩形槽的长度与所述第一谐波抑制滤波通道、所述第二谐波抑制滤波通道的长度相同。

有益效果：本发明与现有技术相比，其有益效果是：

1)本发明提出的基于矩形波导的大功率谐波抑制滤波器，其带内插入损耗小，且对高次模具有很强的抑制能力，因此有较大的阻带带宽，覆盖了二次谐波的频率，同时避免了微小缝隙的结构，拥有足够大的功率容量，特别适用作为高功率放大器输出端的滤波器；

2)通过将两个谐波抑制滤波通道镜像对称放置于金属薄片两侧，避免使用多级四分之一波长阻抗变换器实现匹配，因此具有较小的体积和紧凑的结构，满足了高功率功放系统对谐波和杂散抑制的应用需求。

附图说明

图1为本发明所述谐波抑制滤波器结构的整体示意图；

图2为本发明所述谐波抑制滤波器结构的侧视图；

图3为本发明所述谐波抑制滤波器结构的俯视图；

图4为本发明所述谐波抑制滤波器在TE₁₀模、TE₂₀模和TE₃₀模激励下的CST仿真结果示意图；

图5为本发明所述谐波抑制滤波器在TE₁₀模、TE₀₁模、TE₁₁模及TM₁₁模激励下的CST仿真结果示意图；

图6为本发明所述谐波抑制滤波器在TE₁₀模激励下的CST仿真结果示意图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明的技术方案做进一步的详细说明：

本发明可以用许多不同的形式实现，而不应当认为限于这里所述的实施例。相反，提供这些实施例以便使本公开透彻且完整，并且将向本领域技术人员充分表达本发明的范围。

如图1所示，为本发明提出的一种基于矩形波导结构的大功率谐波抑制滤波器的结构示意图，该谐波抑制滤波器包括，

标准输入波导1、标准输出波导2、第一谐波抑制滤波通道3、第二谐波抑制滤波通道4和金属薄片5；其中，所述金属薄片5设置于的矩形波导中间H面位置，与金属薄片平行的面为H面，所述第一谐波抑制滤波通道3和所述第二谐波抑制滤波通道4完全相同，且呈镜面对称设置于所述金属薄片5的两侧。

具体的，所述第一谐波抑制滤波通道3和所述第二谐波抑制滤波通道4均采用波导低通滤波器结构实现。

所述金属薄片5的宽度与所述标准输入波导1和所述输出波导2宽度相同，且所述金属薄片5的长度与所述第一谐波抑制滤波通道3和所述第二谐波抑制滤波通道4长度相同。

所述标准输入波导1与所述第一谐波抑制滤波通道3、所述第二谐波抑制滤波通道4之间的匹配采用波导阶梯结构实现。

所述波导低通滤波器结构为皱褶波导低通结构。

所述皱褶波导的宽边中间位置设置矩形槽6。

述矩形槽6的长度与所述第一谐波抑制滤波通道3、所述第二谐波抑制滤波通道4的长度相同。

所述标准输入波导1、第一谐波抑制滤波通道3、第二谐波抑制滤波通道4和标准输入波导2的轴线在同一直线上，且第一谐波抑制通道3和第二谐波抑制通道4的波导部分均进行倒角处理，倒角半径为0.8mm。

进一步的，以标准波导WR-75波导为例，对本发明提出的谐波抑制滤波器的工作方式进行说明。

根据标准波导，此时标准输入波导1和标准输出波导2的宽边长度均为19.05mm，窄边长度均为9.525mm。

根据波导理论可知，矩形波导TE_mn和TM_mn模的截止波长

和

为：

其中，a为矩形波导的宽边，b为矩形波导的窄边，m、n＝0,1,2,...，且m、n不同时为0。

根据上述的截止波长计算公式可以计算出各模式下的截止波长和截止频率，如表1所示，表1为WR-75波导截止频率较低的部分模式的截止波长和截止频率：

表1：WR-75波导低阶模式的截止波长和截止频率

由于谐波抑制的低通滤波器沿x轴是均匀分布的，不易激起m≥2的TE_m0模式，尽管如此，考虑到在输入端因为连接性问题可能已经有部分高次模激发，因此需对几个高次模式都进行抑制处理。根据截止波长计算公式可知，波导高次模中TE_mn和TM_mn的截止频率与波导的宽边及窄边有关，因此可以通过减小矩形波导的宽边a或窄边b的方法来提高截止频率。本发明中先通过减小矩形波导窄边b的宽度的方式来提高n≠0的高次模的截止频率，考虑到功放输出口一般是标准的矩形波导，若要将标准波导转换为减高波导，通常是通过设计多节四分之一波导阶梯阻抗变换器来实现，但会导致滤波器的长度进一步增加，因此本发明在波导H面中间嵌入一片金属薄片5，所述金属薄片5的长度与第一谐波抑制通道3和第二谐波抑制通道4的长度相同，宽度同标准输入波导宽度相同，均为19.05mm，选取金属薄片5的厚度为1.6mm，将标准波导分成两个相同的减高波导来实现对高次模的抑制，这种情况并不影响TE_m0模的传输，通过该方式将波导的窄边由9.525mm减小到4mm，减高波导各低阶模式截止频率如下表2所示：

表2：减高波导低阶模式的截止波长和截止频率

模式	截止波长	截止频率
			TE<sub>10</sub>	38.10	7.87
TE<sub>20</sub>	19.05	15.75
			TE<sub>01</sub>	8.00	37.50
TE<sub>11</sub>/TM<sub>11</sub>	7.83	38.32
			TE<sub>21</sub>/TM<sub>21</sub>	7.36	40.67
TE<sub>30</sub>	12.70	23.62

根据上表2可以看出，TE₀₁模、TE₁₁模、TM₁₁模、TM₂₁模及TE₂₁模截止频率都上升到37GHz以上，但TE₂₀模和TE₃₀模的截止频率则没有变化，依然可能会在二次谐波频率处产生影响，因此需要TE₃₀对减高波导再进一步进行减窄处理，并使用波导阶梯阻抗变换器实现带内匹配，但根据计算公式可知，如果要使TE20模的截止频率大于28GHz，则截止波长需小于10.71mm，即宽边需从19.05mm减小到10.71mm，需要的四分之一波导阶梯阻抗变换节较多，容易导致滤波器长度过长，且此时TE₁₀模的截止频率达到14GHz，阻带可能覆盖到需要的频段，因此减窄操作的主要目的是为了抑制TE₃₀模，而TE₂₀模的抑制则通过其他方法进行实现，通过将宽边减窄至13mm使TE₃₀模的截止频率上升到34.61GHz，使用波导阶梯结构实现标准波导和减窄波导部分的匹配，并在宽边中心开一条宽度为3mm、高度为3.9mm的矩形槽用于抑制TE₂₀模，该矩形槽的长度同谐波抑制滤波通道长度相同。此时由于消除了TE₀₁模、TE₂₀模和TE₁₁模等高次模的影响，滤波器可以实现较宽的阻带带宽，此时谐波抑制滤波通道的总长度为38.6mm。

进一步的，图4为上述采用WR-75波导设计的谐波抑制滤波器的CST仿真结果。仿真结果给出了输入/输出端口分别在TE₁₀模、TE₂₀模和TE₃₀模激励下输入/输出端口的传输系数(S21)，且横坐标对应频率，纵坐标表对应传输系数。

图5为上述采用WR-75波导设计的谐波抑制滤波器的CST仿真结果。仿真结果给出了输入/输出端口分别在TE₁₀模、TE₀₁模、TE₁₁模及TM₁₁模激励下输入/输出端口的传输系数(S21)，横坐标对应频率，纵坐标对应传输系数。

图6为上述采用WR-75波导设计的谐波抑制滤波器的CST仿真结果。仿真结果给出了输入/输出端口在TE₁₀模激励下端口的反射系数(S11)，横坐标对应频率，纵坐标对应反射系数。

应说明的是，以上所述实施例仅表达了本发明的部分实施方式，其描述并不能理解为对本发明专利范围的限制。应当指出的是，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干改进，这些均应落入本发明的保护范围。

Claims

1.一种基于矩形波导结构的大功率谐波抑制滤波器，其特征在于：包括，

标准输入波导、标准输出波导、第一谐波抑制滤波通道、第二谐波抑制滤波通道和金属薄片；其中，所述金属薄片设置于的矩形波导中间H面位置，所述第一谐波抑制滤波通道和所述第二谐波抑制滤波通道完全相同，且呈镜面对称设置于所述金属薄片的两侧。

2.如权利要求1所述的基于矩形波导结构的大功率谐波抑制滤波器，其特征在于：所述第一谐波抑制滤波通道和所述第二谐波抑制滤波通道均采用波导低通滤波器结构实现。

3.如权利要求2所述的基于矩形波导结构的大功率谐波抑制滤波器，其特征在于：所述金属薄片的宽度与所述标准输入波导和所述输出波导宽度相同，且所述金属薄片的长度与所述第一谐波抑制滤波通道和所述第二谐波抑制滤波通道长度相同。

4.如权利要求2所述的基于矩形波导结构的大功率谐波抑制滤波器，其特征在于：所述标准输入波导与所述第一谐波抑制滤波通道、所述第二谐波抑制滤波通道之间的匹配采用波导阶梯结构实现。

5.如权利要求2所述的基于矩形波导结构的大功率谐波抑制滤波器，其特征在于：所述波导低通滤波器结构为皱褶波导低通结构。

6.如权利要求5所述的基于矩形波导结构的大功率谐波抑制滤波器，其特征在于：所述皱褶波导的宽边中间位置设置矩形槽。

7.如权利要求6所述的基于矩形波导结构的大功率谐波抑制滤波器，其特征在于：所述矩形槽的长度与所述第一谐波抑制滤波通道、所述第二谐波抑制滤波通道的长度相同。