毫米波E面金屬膜片窄帶濾波器的研究與設(shè)計

摘要：傳統(tǒng)波導(dǎo)濾波器是由普通電抗元件組成，其結(jié)構(gòu)復(fù)雜，調(diào)試?yán)щy，成本高，不利于大批量生產(chǎn)。而平面電路濾波器可以在完成同等電性能的同時，克服以上缺點。本文用模式匹配和網(wǎng)絡(luò)級聯(lián)的方法對其進(jìn)行了詳細(xì)的分析，闡述了E面膜片波導(dǎo)濾波器的工作原理，給出了具體設(shè)計方法。最后用這種方法設(shè)計出一款工作于Ka波導(dǎo)的波導(dǎo)帶通濾波器，并加工了實物進(jìn)行測試。
關(guān)鍵詞：E面膜片波導(dǎo)濾波器；帶通濾波器；毫米波

微波濾波器是微波系統(tǒng)中用來分離或組合各種不同頻率信號的重要元件，在微波毫米波通信，衛(wèi)星通信，雷達(dá)，導(dǎo)航等各個領(lǐng)域都有著廣泛的應(yīng)用。它的性能直接決定了其所在微波系統(tǒng)的質(zhì)量。波導(dǎo)型濾波器是它的一個重要分支。最常見的也是文獻(xiàn)中寫的最多的波導(dǎo)型濾波器是并聯(lián)電感耦合型帶通濾波器和E面膜片濾波器，但是由于并聯(lián)電感耦合型帶通濾波器分離的結(jié)構(gòu)太多，膜片在加工精度上難以保證，抗振性能差，膜片調(diào)節(jié)起來也不方便；而E面膜片濾波器結(jié)構(gòu)簡單，能獲得較高的Q值和較好的濾波特性，設(shè)計精度高，易于批量生產(chǎn)。所以本文最終選擇了E面金屬膜片波導(dǎo)帶通濾波器。
國外在80年代開始就使用模式匹配法來計算E面膜片的S參數(shù)，利用網(wǎng)絡(luò)級聯(lián)的方法將E面膜片和波導(dǎo)段的S參數(shù)級聯(lián)起來，得到總的濾波器的S參數(shù)，進(jìn)行優(yōu)化得到濾波器的尺寸。模式匹配法是一種高精度的數(shù)值解法，它通過考慮不連續(xù)性附近的高次模和金屬膜片厚度對散射參數(shù)的影響，從而更準(zhǔn)確地分析波導(dǎo)不連續(xù)性結(jié)構(gòu)。它的計算量相當(dāng)大，但在如今計算機迅猛發(fā)展，這都已經(jīng)不是問題。
本文用模式匹配和網(wǎng)絡(luò)級聯(lián)的方法對矩形波導(dǎo)E面金屬膜片濾波器進(jìn)行分析，并通過軟件進(jìn)行綜合設(shè)計和仿真驗證，給出了設(shè)計實例。

1 基本原理
如圖1所示就是E面金屬膜片濾波器的結(jié)構(gòu)圖。它的基本外形是每隔一段空波導(dǎo)，在矩形波導(dǎo)中央的E面插入一塊與E面平行的金屬膜片，膜片的個數(shù)，每個膜片的長度還有所隔空波導(dǎo)的長度都是根據(jù)實際指標(biāo)要求來計算完成的。其中，膜片起耦合作用，相鄰膜片之間構(gòu)成諧振腔，通過諧振腔的耦合構(gòu)成波導(dǎo)帶通濾波器。

由圖可以看出，不連續(xù)性結(jié)構(gòu)只發(fā)生在x方向上，由于波導(dǎo)一般都是主模傳輸，而TE10在不連續(xù)性附近只能激勵起TEm0模，不能激勵起TEmn(n≠0)模和TMmm模。