一种Ka波段腔体滤波器的设计

摘要：文章介绍了如何设计实现一个波导腔插片式Ka波段毫米波带通滤波器，通过在波导腔内对称插入不同长度的有限厚度金属膜片，形成矩形波导的不连续过渡从而实现带通特性。腔体滤波器的HFSS仿真结果和矢量网络分析仪的测试结果基本吻合，能够满足实际需要的技术指标。滤波器中心频率36.2GHz，通带宽度800MHz带，带外衰减大于30dB。

关键词：腔体滤波器；HFSS；波导；带通滤波器；电磁场仿真模型

中图分类号：TN713 文献标识码：A 文章编号：1009-2374（2011）33-0044-02

在毫米波系统中由于波导的传输特性优良，在系统体积要求不太严格的情况下，都优先考虑使用波导器件。尤其是在滤波器，功分器以及耦合器等方面，波导器件具有损耗小，功率容量大等电气性能。因此本文的毫米波段混频后的边带抑制滤波器采用矩形波导插片带通腔体滤波器。

一、腔体滤波器的原理

和其它无源器件一样，波导腔体滤波器也是一个双端口网络，可以用S参数来描述它的传输特性。对于一个理想的波导腔体滤波器网络来说，其传输函数的幅平方可以由公式（1）来确定：

（1）

在式（1）中，ε是滤波器的纹波系数，是滤波器的特征函数，是角频率。如果令为归一化低通原型滤波器的角频率，当时，在处存在截止频率。对于线性时不变网络，滤波器的传输函数可以表示为：

（2）

公式（2）中N（p）和D（p）均为在复平面内以p=σ+jΩ为自变量的多项式，理想的无源网络中σ=0，p=jΩ。可以通过逼近法找到一个有理的传输函数表达式实现所需的响应特性。通常采用如公式（3）所示的有理传输函数表达式，它是由传输函数的幅平方函数式（2）来构建的。

波导腔体滤波器的插入损耗可以表示为：

（3）

对于无耗无源双端口网络，存在，其回波损耗可以表示为：

（4）

二、腔体滤波器的结构

本文采用波导腔插片式腔体滤波器结构，其结构如图1所示，即在波导腔内对称插入不同长度的有限厚度金属膜片。

图2是构成腔体滤波器的基本单元，因为金属膜片的厚度为t，可以将II区看作一段矩形波导，因此I和II区形成矩形波导的不连续过渡。因为I和II区的边界上电场及磁场的切向分量分别相等，求解边界面s上散射矩阵即可得到基本单元的传输特性。

由电磁场的基本理论可知，I和II区边界面s上横向场分量相等，即：

经计算可以得到I和II区入波幅度和出波幅度的矩阵表达式：

其中为I和II区相对界面S的入波幅度，为I和II区相对界面S的出波幅度。将所有基本单元及基本单元间的波导段按图1方式级联后便可得到整个滤波器的散射矩阵，在文献[4][5]中给出了详细的推导过程。

三、腔体滤波器方针

根据参数要求建立的仿真模型和仿真结果如图3和4所示。滤波器采用标准W-28矩形波导，金属片厚度为0.1mm，长度分别为3.85mm，4.81mm，4.81mm，3.85mm。插片间腔长分别为4.66mm，4.93mm，4.66mm。

由于仿真结果和加工精度等的影响，实际制作滤波器时还必须增加调谐结构以满足设计要求，腔体滤波器的实物及测试结果如图5和图6所示：

四、结论

仿真和实测结果表明，本文设计的波导腔插片式腔体滤波器能够满足一般毫米波前端的需求。当中心频率为36.2GHz，通带宽度800MHz时，具有2dB带内插损、小于1.5dB的驻波系数和中心频率1000MHz外小于30dB的带外衰减。

参考文献

[1] 吕文中，孙建，梁飞，刘坚．低插损同轴型微波介质滤波器的设计[J]．电子元件与材料，2004，（5）．

[2] 刘渝．波导E面金属膜片的分析及其在滤波器设计中的应用[J]．电子科技，2005，（9）.

[3] 熊莹霞，尹秋艳，张洪刚．一种可调带通腔体滤波器的设计[J]．舰船电子工程，2005，25（5）．

[4] Yu Rong，Kawthar A.Zaki，Full-wave Analysis of Coupling Between Cylindrical Combline Resonator，IEEE Transaction on Microwave Theory and Techniques，vol.47，no.9，PP.1721-1729，Sep.1999.

[5] Smain Amari，Uwe Rosenberg，Jens Bornemann，Adaptive Synthesis and Deign of Resonator Filters With Source/Load-Multiresonator Coupling，IEEE Transctions of Theory and Techniques，vol.50，no.8，pp.1969-1978，Aug.2002.

作者简介：李克有（1972-），男，吉林长邮通信建设有限公司工程师，硕士，研究方向：通信工程设计。