CN204179188U - 一种宽阻带毫米波波导皱褶滤波器 - Google Patents
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Abstract
针对毫米波的宽阻带波导皱褶滤波器在依据R.Levy集总分布参数理论模型时，存在难以加工和精度难以保证的技术问题，本实用新型提供一种宽阻带毫米波波导皱褶滤波器，包括一对波导口和滤波器组件；所述滤波器组件由滤波器节段构成；通过选择合适的单位元电长度，波导口阻抗和推高波导低通滤波器的截止频率，本产品解决了采用R.Levy设计方法在毫米波频段遇到结构最小尺寸工程上难以实现和阶跃电容引起的特性恶化的难题，同时，本产品Ka波段35GHz带内的传输和反射特性良好，在W波段94.5GHz处谐波抑制优于60分贝。
Description
技术领域
本实用新型属于雷达设备技术领域，具体涉及一种宽阻带毫米波波导皱褶滤波器。
背景技术
在双频测云雷达天线的馈线系统里，由于在一个馈源通道里同时传输35GHz 的Ka波段和94.5GHz的W波段两个频段的信号，导致Ka波段的信号的谐波正好落在W波段信号的工作带宽里，严重干扰信号的正常工作，需要在馈源通道里加装Ka频段谐波抑制滤波器。但由于Ka频段和W频段相隔较远，需要该滤波器的阻带达到2.5-3倍频，同时考虑该谐波滤波器的工作频段位于毫米波段，器件尺寸较小，对机加工公差，表面处理工艺提出很高的要求，工程实现难度大，甚至是无法实现。具体原因为：
现有的波导皱褶滤波器主要是应用在各种类型高功率滤波器中的，其尺寸结构是基于
R.Levy 提出的集总分布参数原型综合出来的低通滤波器，遵守切比雪夫或Zolotarev逼近函数，其谐波抑制能力可以达到2.5倍频。但是R.Levy所提供的集总分布参数原型及相应的设计方法只适用于工作频段较低的情况，高于X波段后尤其在毫米波频段，会存在许多的弊端。
首先，按照R.Levy的集总分布参数理论模型的要求，在毫米波段其波导b边实现低阻抗的凹槽结构最小尺寸在现有的机加条件下，很难保证其尺寸精度。
其次，在该理论模型下的高低阻抗变化剧烈，会产生较大的阶跃电容，对极为敏感的毫米波滤波器的每一节器件参数会引入相对较大的误差，这种不连续性是导致谐波产生的直接原因，同时低通截止频率向低频推移。
具体到35KHz毫米波的设计，如按照R.Levy的理论模型进行尺寸设计， 23节滤波器节段，每段滤波器节段的尺寸情况参见下表：
| 对应的节段 | 长度(mm) | 高度(mm) |
| 第1节和23节 | 1.87 | 3.125 |
| 第2节和22节 | 1.744 | 1.032 |
| 第3节和21节 | 1.016 | 0.4 |
| 第4节和20节 | 2.888 | 1.008 |
| 第5节和19节 | 0.504 | 0.4 |
| 第6节和18节 | 2.632 | 1.032 |
| 第7节和17节 | 0.304 | 0.48 |
| 第8节和16节 | 1.864 | 1.024 |
| 第9节和15节 | 0.2 | 0.56 |
| 第10节和14节 | 1.4 | 1 |
| 第11节和13节 | 0.2 | 0.76 |
| 第12节 | 1 | 1 |
其中，第9、15、11和13节滤波器节段的最小高度为0.2mm，尺寸过小难以加工和保持精度。另外，该结构的毫米波滤波器的最大高度（2.888mm）与最小高度（0.2mm）的比值（b变幅度变化比=b（max）/b(min)）为14.4，会产生较大的阶跃电容，并引入相对较大的误差。
实用新型内容
针对35GHz毫米波的波导皱褶滤波器在依据R.Levy理论设计时，存在难以加工和精度难以保证的技术问题，本实用新型提供一种宽阻带毫米波波导皱褶滤波器，其具体结构如下：一种宽阻带毫米波波导皱褶滤波器，包括一对波导口1和滤波器组件。在波导口1之间串联有滤波器组件。所述滤波器组件由滤波器节段构成。且在每个滤波器节段的上、下表面设有成对的高阻抗突台或低阻抗凹槽。滤波器组件由17节滤波器节段串联而成。
所述的17节滤波器节段均为等长的单位元，且依次记为第1滤波器节段201、第2滤波器节段202、……、第16滤波器节段216和第17滤波器节段217。
第1滤波器节段201至第8滤波器节段208的轮廓与第10滤波器节段210至第17滤波器节段217的轮廓相对于第9滤波器节段209的竖直中心面镜面左右对称。
第1滤波器节段201至第17滤波器节段217的轮廓沿波导口1的水平中心面镜面上下对称。
有益的技术效果
本实用新型解决了采用R.Levy设计方法在毫米波频段遇到结构最小尺寸工程上难以实现和阶跃电容引起的特性恶化的难题。同时，本实用新型Ka波段35GHz带内的传输和反射特性良好，在W波段94.5GHz处谐波抑制50分贝。本实用新型由21节缩至17节，极大地减小了结构的复杂度，减轻了加工的负担与精度控制的难度，进而降低了加工成本并缩短了加工周期；
其次，本实用新型对每一节滤波器节段的尺寸进行了改进，使得改进后的滤波器节段的最小高度为0.8mm，尺寸是原有结构的4倍，加工难度大大降低，尺寸精度也易于控制；
最后，本实用新型的最大高度（2.65mm）与最小高度（0.8mm）的比值（即b变幅度变化比=b（max）/b(min)）为3.3，其变化幅度仅为严格按照R.Levy理论设计的产品的0.3，阶跃电容被极大的降低，从而将因制造工艺导致的误差限定在较小的范围内。
本实用新型还具有如下的结构优点：
第一点：本实用新型是由一系列单位元件（滤波器节段）级联而成，慎重选择该单位元件的电长度θ，电长度越短谐波越远，阻带越宽，但电长度θ太短一方面会使高低阻抗的波导结构中，单元节两边的边缘场互相影响。另一方面电长度θ太短，会使结构加工精度难以实现。如果电长度θ取值太大，会使谐波很快出现，减小阻带带宽。本专利中电长度θ取值范围为40º-50⁰，经过仿真最终确定物理长度（即第2滤波器节段至第16滤波器节段的每节段的长度）均为0.5mm至10.0mm，优选的尺寸为1mm。既可满足机加可保证精度，在一定程度减小阶跃电容的相互影响，阻带带宽在2.5倍频以外；
第二点：谐波一般是由波导腔里的高次模引起的，而高次模是由基模在波导结构的不连续处转换而来。波导口1对波导腔高度的选择是抑制谐波的关键，所有内部尺寸（第1滤波器节段至第17滤波器节段的每节段的高度）均参考这个高度。选择合适波导口（1）的波导阻抗，可以减小高低阻抗在b边尺寸的剧烈变化，从而减小这种传输线的不连续性引起的阶跃电容。经过反复实验及比对，滤波器的波导口1的波导阻抗越大，b边尺寸变化越剧烈，选择150欧姆较为适中。35GHz频段的波导口1的尺寸为宽5.88mm*高2.04mm*长3mm，阻抗为235欧姆，通过相邻的台阶式阻抗变换将标准的波导口1的尺寸变换到150欧姆，与滤波器相连，此时端口匹配良好。以上两步通过减小波导b边高低阻抗的变化幅度进一步减小了阶跃电容的影响，改善了滤波器谐波抑制的能力；
第三点：信号工作于Ka波段的35GHz，需抑制94.5GHz的谐波，为了使阻带带宽到达100GHz，还可以将低通截止频率向高频推移至45GHz，阻带也就随之向高频推移。同时截止频率的推高，使得滤波器单位元件的值变小，使得波导b边尺寸变化减小，又一次减小传输线的不连续性引起的阶跃电容。
通过上述创新设计，不但很好的实现了在W波段94.5GHz处50dB以上的阻带抑制，更重要的是使b边实现低阻抗的凹槽结构的最小尺寸从原来的0.2mm提高到现在的0.8mm，保证了在现有结构工艺技术水平下的可实现性，减小工程误差对技术指标的影响。b边幅度变化比值（=b（max）/b(min)）从14.4减小到3.3，减小了阶跃电容对谐波抑制的影响。
附图说明
图1是本实用新型的立体示意图。
图2是图1的主视图。
图3是本实用新型的电路原理图。
图4是本实用新型在30-100GHz的S21和S11仿真曲线。
图5是本实用新型在93-100GHz的S21仿真曲线。
图中的序号为：波导口1、第1滤波器节段201、第2滤波器节段202、第3滤波器节段203、第4滤波器节段204、第5滤波器节段205、第6滤波器节段206、第7滤波器节段207、第8滤波器节段208、第9滤波器节段209、第10滤波器节段210、第11滤波器节段211、第12滤波器节段212、第13滤波器节段213、第14滤波器节段214、第15滤波器节段215、第16滤波器节段216、第17滤波器节段217。
具体实施方式
下面结合附图对本实用新型做进一步说明。
参见图1，一种宽阻带毫米波波导皱褶滤波器，包括一对波导口1和滤波器组件。在波导口1之间串联有滤波器组件。所述滤波器组件由滤波器节段构成。且。在每个滤波器节段的上、下表面设有成对的高阻抗突台或低阻抗凹槽。滤波器组件由17节滤波器节段串联而成。
所述的17节滤波器节段均为等宽的矩形块，且依次记为第1滤波器节段201、第2滤波器节段202、第3滤波器节段203、第4滤波器节段204、第5滤波器节段205、第6滤波器节段206、第7滤波器节段207、第8滤波器节段208、第9滤波器节段209、第10滤波器节段210、第11滤波器节段211、第12滤波器节段212、第13滤波器节段213、第14滤波器节段214、第15滤波器节段215、第16滤波器节段216和第17滤波器节段217。
第1滤波器节段201至第8滤波器节段208与第10滤波器节段210至第17滤波器节段217相对于第9滤波器节段209的竖直中心面镜面对称。
第1滤波器节段201至第17滤波器节段217沿波导口1的水平中心面上下对称。
参见图2，进一步说，第1滤波器节段201、第2滤波器节段202、第4滤波器节段204、第6滤波器节段206、第8滤波器节段208、第10滤波器节段210、第12滤波器节段212、第14滤波器节段214、第16滤波器节段216和第17滤波器节段217的顶面低于波导口1的顶面，构成一组低阻抗凹槽。
第1滤波器节段201、第2滤波器节段202、第4滤波器节段204、第6滤波器节段206、第8滤波器节段208、第10滤波器节段210、第12滤波器节段212、第14滤波器节段214、第16滤波器节段216和第17滤波器节段217的底面高于波导口1的底面，构成另一组低阻抗凹槽。
第3滤波器节段203、第5滤波器节段205、第7滤波器节段207、第9滤波器节段209、第11滤波器节段211、第13滤波器节段213和第15滤波器节段215的顶面高于波导口1的顶面，构成一组高阻抗突台。
参见图2，进一步说，第1滤波器节段201和第17滤波器节段217的高度b1均为1.88mm。第2滤波器节段202和第16滤波器节段216的高度b2均为1.48mm。第3滤波器节段203和第15滤波器节段215的高度b3均为2.4mm。第4滤波器节段204和第14滤波器节段214的高度b4均为1.12mm。第5滤波器节段205和第13滤波器节段213的高度b5均为2.55mm。第6滤波器节段206和第12滤波器节段212的高度b6均为0.88mm。第7滤波器节段207和第11滤波器节段211的高度b7均为2.65mm。第8滤波器节段208和第10滤波器节段210的高度b8均为0.8mm。第9滤波器节段209的高度b9为2.68mm。第1滤波器节段201和第17滤波器节段217的长度L1均为2.94mm。第2滤波器节段至第16滤波器节段的长度L2均为1mm。
参见图2，进一步说，波导口1的高度b0为2.04mm，长度L0均为3mm。
参见图2，和严格遵照R.Levy理论模型设计的产品相比较，本实用新型的节数降低至17节，且为左右对称结构。本实用新型通过改变波导窄边b的尺寸实现分布式低通原型的各高低阻抗，用高 b 边波导段表示串联电感，低 b 边波导段表示并联电容。
本实用新型与改进前R.Levy设计方法所有参数比较见下表：(单位：mm)
从上表可以看出，R.Levy的设计参数里b边最小结构尺寸b’9，b’11为0.2mm，而本实用新型改进后的最小尺寸b8为0.8mm（高低阻抗位置不同），在现有机加条件下，是可以保证0.8mm的加工精度。同时，b边幅度变化比值（=b（max）/b(min)）从14.4减小到3.3，减小了阶跃电容对谐波抑制的影响。
图3是该波导皱褶滤波器的电路原理图，利用波导的特征阻抗和其 b 边成正比，因此用高 b 边波导段实现高阻抗等效串联电感，低 b 边波导段实现低阻抗等效并联电容。
图4是本实用新型波导皱褶滤波器在30-100GHz的S21和S11仿真曲线。该曲线是用离散扫频法，在30-100GHz扫频，保证了在如此宽频域电磁计算的准确性。从S21曲线上可以看出该低通滤波器的截止频率为46GHz，35GHz的信号频率在通带内，且S11回波损耗大于-25dB。需抑制频点95GHz的衰减达到65dB，最近的谐波在98GHz出现，满足了谐波抑制要求。
图5是实用新型波导皱褶滤波器在93-100GHz的S21仿真曲线。为保证电磁仿真的结果更接近真实情况，用分频扫描的方法在93-100GHz较窄的频域再用离散扫描，扫频步进更小，得到结果如图4与图5结果比较，95GHz处抑制64dB，最近的谐波在98.2GHz出现。
Claims (4)
1.一种宽阻带毫米波波导皱褶滤波器，包括一对波导口（1）和滤波器组件；在波导口（1）之间串联有滤波器组件；所述滤波器组件由滤波器节段构成；且在每个滤波器节段的上、下表面均设有高阻抗突台或低阻抗凹槽；其特征在于：滤波器组件由17节滤波器节段串联而成；所述的17节滤波器节段均为等宽的矩形块，且依次记为第1滤波器节段（201）、第2滤波器节段（202）、第3滤波器节段（203）、……、第16滤波器节段（216）和第17滤波器节段（217）；第1滤波器节段（201）至第8滤波器节段（208）的轮廓与第10滤波器节段（210）至第17滤波器节段（217）的轮廓相对于第9滤波器节段（209）的竖直中心面镜面对称；第1滤波器节段（201）至第17滤波器节段（217）的轮廓沿波导口（1）的水平中心面镜面对称。
2.如权利要求1所述的一种宽阻带毫米波波导皱褶滤波器，其特征在于：第1滤波器节段（201）、第2滤波器节段（202）、第4滤波器节段（204）、第6滤波器节段（206）、第8滤波器节段（208）、第10滤波器节段（210）、第12滤波器节段（212）、第14滤波器节段（214）、第16滤波器节段（216）和第17滤波器节段（217）的顶面低于波导口（1）的顶面，构成一组低阻抗凹槽；第1滤波器节段（201）、第2滤波器节段（202）、第4滤波器节段（204）、第6滤波器节段（206）、第8滤波器节段（208）、第10滤波器节段（210）、第12滤波器节段（212）、第14滤波器节段（214）、第16滤波器节段（216）和第17滤波器节段（217）的底面高于波导口（1）的底面，构成另一组低阻抗凹槽；第3滤波器节段（203）、第5滤波器节段（205）、第7滤波器节段（207）、第9滤波器节段（209）、第11滤波器节段（211）、第13滤波器节段（213）和第15滤波器节段（215）的顶面高于波导口（1）的顶面，构成一组高阻抗突台；第3滤波器节段（203）、第5滤波器节段（205）、第7滤波器节段（207）、第9滤波器节段（209）、第11滤波器节段（211）、第13滤波器节段（213）和第15滤波器节段（215）的底面低于波导口（1）的底面，构成另一组高阻抗突台。
3.如权利要求1所述的一种宽阻带毫米波波导皱褶滤波器，其特征在于：第1滤波器节段（201）和第17滤波器节段（217）的高度b1均为1.88mm；第2滤波器节段（202）和第16滤波器节段（216）的高度b2均为1.48mm；第3滤波器节段（203）和第15滤波器节段（215）的高度b3均为2.4mm；第4滤波器节段（204）和第14滤波器节段（214）的高度b4均为1.12mm；第5滤波器节段（205）和第13滤波器节段（213）的高度b5均为2.55mm；第6滤波器节段（206）和第12滤波器节段（212）的高度b6均为0.88mm；第7滤波器节段（207）和第11滤波器节段（211）的高度b7均为2.65mm；第8滤波器节段（208）和第10滤波器节段（210）的高度b8均为0.8mm；第9滤波器节段（209）的高度b9为2.68mm；第1滤波器节段（201）和第17滤波器节段（217）的长度L1均为2.94mm；第2滤波器节段至第16滤波器节段的长度L2均为1mm。
4.如权利要求1所述的一种宽阻带毫米波波导皱褶滤波器，其特征在于：波导口（1）的高度b0为2.04mm，长度L0均为3mm。
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| C14 | Grant of patent or utility model | ||
| GR01 | Patent grant | ||
| CF01 | Termination of patent right due to non-payment of annual fee | ||
| CF01 | Termination of patent right due to non-payment of annual fee |
Granted publication date: 20150225 Termination date: 20200916 |