CN112713371A - 一种波导滤波器及其使用方法 - Google Patents

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Abstract

本发明提供一种波导滤波器及其使用方法，该波导滤波器包括：波导组件，包括容纳腔，所述容纳腔贯穿至其长度方向的两端端面，所述容纳腔贯穿的截面为矩形，沿所述波导组件的长度方向，所述波导组件的上表面和下表面均形成有至少一路波纹波导，每路波纹波导包括多个等距排列的矩形镂空，以及吸波组件，包围在所述波导组件的外侧，本发明提供的滤波器，结构简单、易于实现与应用，每路波纹波导中采用多个矩形镂空等距排列的方式，对主波导的电磁场分布改变较小，与空波导的电磁场分布相当，因而其承受的功率容量与空波导相当，解决了传统金属膜片或金属杆结构的波导滤波器的承受功率低、在大功率条件下容易发生高功率打火击穿的问题。

Description

一种波导滤波器及其使用方法
技术领域
本发明涉及滤波器领域，更具体的，涉及一种波导滤波器及其使用方法。
背景技术
在混频器、倍频器等微波系统中，除了获得所需要工作频率的主信号，同时也会激发出若干高次谐波频率的干扰信号。例如，频率为f0/2的激励信号经过倍频器后，获得工作频率为f0的主信号，但同时也产生谐波频率为3f0/2、4f0/2的干扰信号，其中，谐波频率为4f0/2的干扰信号幅度较小，对系统影响忽略不计，而谐波频率为3f0/2的干扰信号幅度较大，对系统使用产生不利影响。为了保证系统正常稳定工作，需要在倍频器后面接上具有选频功能的滤波器，让工作频率f0的主信号通过，而将谐波频率3f0/2的干扰信号滤掉，以满足系统使用要求。
传统波导滤波器通常由主波导和金属膜片或金属杆等组成，主波导的横截面位为矩形，金属膜片位于主波导宽边两侧，金属杆位于主波导宽边中央。通过设计合适的金属膜片或金属杆尺寸，可以使得在频率3f0/2发生谐振吸收，从而将谐波频率3f0/2信号滤去，而工作频率f0的主信号可以通过。然而这些金属膜片或金属杆对主波导内的电磁场分布改变较大，通常会大幅降低滤波器的功率容量，在大功率系统中非常容易发生高功率打火击穿，从而无法应用。
发明内容
为了解决上述问题中的至少一个，本发明一方面提供了一种波导滤波器，包括：波导组件，包括容纳腔，所述容纳腔贯穿至其长度方向的两端端面，所述容纳腔贯穿的截面为矩形，沿所述波导组件的长度方向，所述波导组件的上表面和下表面均形成有至少一路波纹波导，每路波纹波导包括多个等距排列的矩形镂空，以及吸波组件，包围在所述波导组件的外侧。
在某些实施方式中，所述波纹波导还包括：
凸起部，所述凸起部由所述波导组件的上表面和下表面的非矩形镂空区域向外凸起形成。
在某些实施方式中，所述波导滤波器还包括：
固定翅，对应结合在所述波导组件的上表面和下表面的非矩形镂空区域。
在某些实施方式中，所述波纹波导的数量为一路，所述非矩形镂空区域包括：位于任意两个所述矩形镂空之间的等宽区域；所述凸起部由所述等宽区域的表面凸起形成。
在某些实施方式中，所述凸起部的截面为等腰梯形、半圆形或者三角形。
在某些实施方式中，所述波纹波导的数量为多路，所述非矩形镂空区域包括：
等宽区域，位于沿所述容纳腔长度方向相邻设置的两个矩形镂空之间；和
中枢区域，连接两个相邻的所述等宽区域；其中，所述凸起部包括由连接在一起的多个等宽区域和至少一个中枢区域对应的表面凸起形成的翅部。
在某些实施方式中，所述翅部的截面为等腰梯形、半圆形或者三角形。
在某些实施方式中，所述波导滤波器还包括：盖板，固定在所述吸波组件外围。
在某些实施方式中，所述波导滤波器还包括：连接件，所述盖板通过所述连接件和所述波导组件连接。
本发明第二方面实施方式提供了一种波导滤波器的使用方法，利用如第一方面实施方式中任一项所述的波导滤波器进行滤波。
本发明的有益效果
本发明提供一种波导滤波器及其使用方法，该波导滤波器包括：波导组件，包括容纳腔，所述容纳腔贯穿至其长度方向的两端端面，所述容纳腔贯穿的截面为矩形，沿所述波导组件的长度方向，所述波导组件的上表面和下表面均形成有至少一路波纹波导，每路波纹波导包括多个等距排列的矩形镂空，以及吸波组件，包围在所述波导组件的外侧，本发明提供的滤波器，结构简单、易于实现与应用，每路波纹波导中采用多个矩形镂空等距排列的方式，对主波导的电磁场分布改变较小，与空波导的电磁场分布相当，因而其承受的功率容量与空波导相当，远远高于传统的金属膜片或金属杆结构的波导滤波器，在ku波段，传统的金属膜片或金属杆结构的滤波器在峰值功率5kW频繁出现高功率打火烧毁现象，而按照本波纹波导结构设计的滤波器在峰值功率30kW以上仍然稳定正常工作，峰值功率容量提升6倍以上。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施方式或现有技术中的技术方案，下面将对实施方式或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施方式，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1示出本发明实施方式中一种波纹波导滤波器的结构示意图；
图2示出本发明实施方式中一种波纹波导滤波器的波纹波导部分的俯视截面图；
图3示出本发明实施方式中一种波纹波导滤波器的分解图。
附图标记：1.主波导；2.波纹波导A；3.波纹波导B；4.波纹波导C；5.波纹波导D；6.吸波材料A；7.吸波材料B；8.盖板A；9.盖板B。
具体实施方式
下面将结合本发明实施方式中的附图，对本发明实施方式中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施方式仅仅是本发明一部分实施方式，而不是全部的实施方式。基于本发明中的实施方式，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施方式，都属于本发明保护的范围。
目前，传统波导滤波器通常由主波导和金属膜片或金属杆等组成，主波导的横截面位为矩形，金属膜片位于主波导宽边两侧，金属杆位于主波导宽边中央。通过设计合适的金属膜片或金属杆尺寸，可以使得在频率3f0/2发生谐振吸收，从而将谐波频率3f0/2信号滤去，而工作频率f0的主信号可以通过。然而这些金属膜片或金属杆对主波导内的电磁场分布改变较大，通常会大幅降低滤波器的功率容量，在大功率系统中非常容易发生高功率打火击穿，从而无法应用。
基于此，本发明一方面提供了一种波导滤波器，如图1和图3所示，为本发明实施方式中一种波纹波导滤波器的结构示意图，该波导滤波器包括：波导组件，包括容纳腔，所述容纳腔贯穿至其长度方向的两端端面，所述容纳腔贯穿的截面为矩形，沿所述波导组件的长度方向，所述波导组件的上表面和下表面均形成有至少一路波纹波导，每路波纹波导包括多个等距排列的矩形镂空，以及吸波组件，包围在所述波导组件的外侧。
本发明提供的滤波器，结构简单、易于实现与应用，每路波纹波导中采用多个矩形镂空等距排列的方式，对主波导的电磁场分布改变较小，与空波导的电磁场分布相当，因而其承受的功率容量与空波导相当，解决了传统金属膜片或金属杆结构的波导滤波器的承受功率低、在大功率条件下容易发生高功率打火击穿的问题。
需要说明的是，波导组件中的容纳腔贯穿至其长度方向的两端端面，该容纳腔贯穿的截面为标准矩形波导口径。
优选的，每路波纹波导中等距排列的矩形镂空的数量不少于8个，如为10个、12个、15个等，本发明不做限制。
在一些优选的实施方式中，该波导组件包括一体成型的主波导1和波纹波导，该波纹波导可以为多路，如图3所示，当波纹波导为4路时，包括波纹波导A2、波纹波导B3、波纹波导C4、波纹波导D5；该吸波组件包括多个吸波材料，包围在所述波导组件的外侧，每路波纹波导中等距排列的矩形镂空的数量为10个。如图3所示的吸波组件包括吸波材料A6和吸波材料B7，吸波材料A6粘接在波纹波导A2、波纹波导B3外围，吸波材料B7粘接在波纹波导C4、波纹波导D5外围。。
优选的，吸波材料用硅橡胶紧密粘接在波纹波导外围。
在某些实施方式中，该波纹波导还包括：凸起部，该凸起部由波导组件的上表面和下表面的非矩形镂空区域向外凸起形成。
具体的，波导组件的上表面和下表面的非矩形镂空区域向外均匀对称凸起形成波纹波导的。
在某些实施方式中，波纹波导的数量为一路，对应的，非矩形镂空区域包括：位于任意两个所述矩形镂空之间的等宽区域；所述凸起部由所述等宽区域的表面向外凸起形成凸起部。
优选的，该凸起部由任意两个矩形镂空之间的等宽区域的表面向外均匀对称凸起形成，如凸起部的截面为等腰梯形、半圆形或者等腰三角形等，本发明不做限制。
在另一些些实施方式中，该波纹波导的数量为多路，此时对应的非矩形镂空区域包括：等宽区域，位于沿所述容纳腔长度方向相邻设置的两个矩形镂空之间；和中枢区域，连接两个相邻的所述等宽区域；其中，所述凸起部包括由连接在一起的多个等宽区域和至少一个中枢区域对应的表面凸起形成的翅部。
优选的，如图3所示，波导组件的上表面和下表面均形成两路波纹波导，包括分布在主波导1上表面波纹波导A2和波纹波导B3，以及分布在主波导下表面波纹波导C4和波纹波导D5，上表面的2路波纹波导配合形成形状为等腰梯形状的倒U型，下表面的2路波纹波导配合形成形状为等腰梯形状的U型。
可以理解，当波纹波导配合形成形状为等腰梯形状的U型，有利于外部包围的吸波组件设计成对应的等腰梯形状的U型，以增加单位长度的微波吸收效率，且容易与外围的吸波组件固定连接。
优选的，该翅部由连接在一起的多个等宽区域和至少一个中枢区域对应的表面凸起形成，如翅部的截面为等腰梯形、半圆形或者等腰三角形等，本发明不做限制。
在某些实施方式中，该波导滤波器还包括固定翅，对应结合在所述波导组件的上表面和下表面的非矩形镂空区域。
可以理解，固定翅有利于固定连接吸波组件和主波导，配合形成等腰梯形状的U型，增加单位长度的微波吸收效率。
在某些实施方式中，该波导滤波器还包括盖板，固定在所述吸波组件外围。
可以理解，盖板与吸波组件对应设置，如图3示出的盖板，包括盖板A8和盖板B9，固定配合包围在吸波组件外围。
进一步的，该盖板通过连接件和波导组件连接紧固在一起。
从上述实施方式可以知晓，本发明提供的滤波器，结构简单、易于实现与应用，每路波纹波导中采用多个矩形镂空等距排列的方式，对主波导的电磁场分布改变较小，与空波导的电磁场分布相当，因而其承受的功率容量与空波导相当，解决了传统金属膜片或金属杆结构的波导滤波器的承受功率低、在大功率条件下容易发生高功率打火击穿的问题。
基于相同的发明构思，本发明另一方面提供了一种波导滤波器的使用方法，利用如本发明第一方面实施方式提供的波导滤波器进行滤波。
可以理解，波导中的场结构可以分为两大类：一类是TE模，电场没有纵向分量，另一类是TM模，磁场没有纵向分量。矩形波导中可以存在无限多个TMmn模，波型指数m，n分别表示电磁场沿波导宽边a和窄边b的驻波最大值的个数，m，n＝1，2，……最简单的是TM11模。同样，还可以存在无限多个TEmn模，m，n＝0，1，2,……但不能同时为零。矩形波导中的最低模式是TE10模，可以在波导中实现单模传输。TE10模又称为矩形波导中的主波，是矩形波导中最重要的波型。本发明实施方式中的滤波器实际应用中都工作在TE10模。
在某些实施方式中，使用如图3所示的波导滤波器进行滤波，主波导的横截面为标准矩形波导口径：宽边为a，窄边为b。波导组件的上表面和下表面均形成两路波纹波导，沿主波导长度方向均匀对称的分布在主波导上表面和下表面的左右两侧，沿主波导长度方向的周期数为10个，每个波纹波导的横截面尺寸为a1、b1，深度为h，深度方向呈直角梯形状，两个相邻波纹波导之间横向的隔板厚度为t(一般取1.5-3mm)，纵向的隔板厚度为d(一般取1.5-3mm)。这些尺寸的关系式为：a1＝(a-t)/2，b1＝b/4。
在某些实施方式中，波纹波导滤波器工作时，工作频率f0的主信号和谐波频率3f0/2的干扰信号同时进入滤波器的主波导输入端口，由于波纹波导的横截面尺寸为a1、b1，根据波导传输理论可知，波纹波导的截止频率为fj＝300/a1(式中，fj的单位为GHz，a1的单位为mm)，设计时通过选取合适的t，可以使得fj位于工作频率范围的上边频与谐波频率范围的下边频中央，即满足f0＜fj＜3f0/2，这样可以更好的保证工作频率f0的主信号通过主波导，而谐波频率3f0/2的干扰信号进入波纹波导被外围的吸波材料吸收。每个周期的波纹波导大概衰减3dB，因此经过10个周期后，总共衰减30dB，即从主波导输入的干扰信号经过10个周期后被吸收了99.9％，输出仅为0.1％。
在某些实施方式中，使用波导口径BJ140的ku波段波导滤波器，测得峰值功率容量超过30kW，超过传统设计的5kW，平均功率容量提升6倍以上。
从上述实施方式可以知晓，本发明提供的滤波器的使用方法，思路清晰、易于实现与应用，每路波纹波导中采用多个矩形镂空等距排列的方式，对主波导的电磁场分布改变较小，与空波导的电磁场分布相当，因而其承受的功率容量与空波导相当，解决了传统金属膜片或金属杆结构的波导滤波器的承受功率低、在大功率条件下容易发生高功率打火击穿的问题。
本说明书中的各个实施方式均采用递进的方式描述，各个实施方式之间相同相似的部分互相参见即可，每个实施方式重点说明的都是与其他实施方式的不同之处。尤其，对于使用方法实施方式而言，由于其基本相似于滤波器的实施方式，所以描述的比较简单，相关之处参见滤波器部分的实施方式说明即可。
在本说明书的描述中，参考术语“一个实施方式”、“一些实施方式”、“示例”、“具体示例”、或“一些示例”等的描述意指结合该实施方式或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本说明书实施方式的至少一个实施方式或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不必须针对的是相同的实施方式或示例。
此外，在不相互矛盾的情况下，本领域的技术人员可以将本说明书中描述的不同实施方式或示例以及不同实施方式或示例的特征进行结合和组合。以上所述仅为本说明书实施方式的实施方式而已，并不用于限制本说明书实施方式。对于本领域技术人员来说，本说明书实施方式可以有各种更改和变化。凡在本说明书实施方式的精神和原理之内所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本说明书实施方式的权利要求范围之内。

Claims (10)

1.一种波导滤波器，其特征在于，包括：
波导组件，包括容纳腔，所述容纳腔贯穿至其长度方向的两端端面，所述容纳腔贯穿的截面为矩形，沿所述波导组件的长度方向，所述波导组件的上表面和下表面均形成有至少一路波纹波导，每路波纹波导包括多个等距排列的矩形镂空；以及
吸波组件，包围在所述波导组件的外侧。
2.根据权利要求1所述的波导滤波器，其特征在于，所述波纹波导还包括：
凸起部，所述凸起部由所述波导组件的上表面和下表面的非矩形镂空区域向外凸起形成。
3.根据权利要求2所述的波导滤波器，其特征在于，所述波导滤波器还包括：
固定翅，对应结合在所述波导组件的上表面和下表面的非矩形镂空区域。
4.根据权利要求2所述的波导滤波器，其特征在于，所述波纹波导的数量为一路，所述非矩形镂空区域包括：位于任意两个所述矩形镂空之间的等宽区域；所述凸起部由所述等宽区域的表面凸起形成。
5.根据权利要求4所述的波导滤波器，其特征在于，
所述凸起部的截面为等腰梯形、半圆形或者三角形。
6.根据权利要求2所述的波导滤波器，其特征在于，
所述波纹波导的数量为多路，所述非矩形镂空区域包括：
等宽区域，位于沿所述容纳腔长度方向相邻设置的两个矩形镂空之间；和
中枢区域，连接两个相邻的所述等宽区域；
其中，所述凸起部包括由连接在一起的多个等宽区域和至少一个中枢区域对应的表面凸起形成的翅部。
7.根据权利要求6所述的波导滤波器，其特征在于，
所述翅部的截面为等腰梯形、半圆形或者三角形。
8.根据权利要求1所述的波导滤波器，其特征在于，所述波导滤波器还包括：
盖板，固定在所述吸波组件外围。
9.根据权利要求8所述的波导滤波器，其特征在于，所述波导滤波器还包括：
连接件，所述盖板通过所述连接件和所述波导组件连接。
10.一种波导滤波器的使用方法，其特征在于，利用如权利要求1-9任一项所述的波导滤波器进行滤波。
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