一种新型双模波导滤波器的设计

柳浩，李胜先

（中国空间技术研究院西安分院 陕西 西安 710000）

一种新型双模波导滤波器的设计

柳浩，李胜先

（中国空间技术研究院西安分院 陕西 西安 710000）

基于非谐振节点理论，提出了一种结构紧凑的波导滤波器。通过非谐振节点级联TM双模方腔，利用谐振和非谐振模式使每个腔可产生两个反射和两个传输零点，进而滤波器整体实现N阶N个有限传输零点，而不需要源和负载的直接耦合。据此设计了一个Ku波段波导滤波器，HFSS仿真结果表明，在保证良好性能的情况下，结构设计更为紧凑，体积减小到传统矩形TE双模波导滤波器的1/4。

波导滤波器；非谐振节点；TM模；非谐振模式

波导滤波器在插入损耗和功率容量方面性能优良，但其体积较大，重量较重。双模技术有效地缓解了这个问题，广泛应用于卫星。传统的双模结构采用圆波导中的正交极化简并TE11n模[1]和矩形波导中的简并TE011模[2]，传输零点数受限于滤波器的阶数，尤其对于高阶。与TE模式相比，TM模式更能有效地利用谐振腔容积[3]，并且克服传输零点数目的限制。

文中结合双模技术和TM模式的优点，采用方腔结构，提取高次模作为谐振模式，次高次模作为非谐振模式[4]，选取合适的结构级联相邻谐振腔，实现类椭圆函数滤波响应。与传统TE双模波导滤波器相比，进一步缩小了尺寸，并且实现了N阶N个有限传输零点，提高了选择性。传输零点受各个级联单元独立控制，便于设计和调试。

1　TM双模方腔特性

1.1TM传输模特性

TM模的磁场分量[5]如式（1），

1.2TM双模方腔的特性

选择适当的工作频率，高次模TM模也能成为能量的传输载体。文中采用方形谐振腔，如图1。

图1　TM双模方腔

使用简并的和谐振模式，其谐振频率如式（2）：

由式知谐振频率与腔体厚度无关，厚度选择小于四分之一波导波长有效的避免TE模在通带的谐振即可[6]。输入输出分别与TM120和TM210耦合，切角微扰使原本正交的TM120和TM210相互耦合。同时非谐振模式TM110也会被激励起来，额外开辟一条传播电磁能量的路径，即输入和输出的旁路直接耦合[7]。磁场耦合如图2。

图2　磁场耦合

2　TM双模方腔谐振器与级联结构分析

本节通过分析和仿真结果，说明方腔谐振器和级联结构对滤波性能的影响。

2.1方腔结构尺寸参数对性能的影响

方腔结构如图1，膜片耦合缝隙的尺寸Ia和Ib，控制腔体输入输出耦合系数的大小，进而主要影响通带带宽。

当输入输出处在谐振腔相接面的中心位置处，即Sx=Sy= 0，不会激励起非谐振模式TM110，响应曲线如图3虚线；当输入输出偏离中心位置时，即Sx=Sy≠0，响应曲线如图3实线。输入输出相对谐振腔中心的偏移量Sx和Sy控制产生全极点响应或类椭圆函数响应。输入输出相对切角的不同位置控制着输入输出耦合的正负（相对于其他耦合），为负时产生一对有限传输零点，为正时产生一对改善群时延的虚数零点。

图3　全极点型和椭圆函数型谐振腔HFSS仿真

偏移量Sx=Sy≠0大小控制着零点相对于通带的距离，如图4，Sx=Sy增大，零点靠近通带；当Sx=Sy>L/4，继续增大时，零点远离通带。

图4　不同Sx/Sy的TM双模谐振腔HFSS仿真

如2.2所述，谐振腔体的厚度Rc不影响中心频率，Rc减小有利于滤波器整体体积减小和抑制TE模式的谐振，但是Rc减小时，谐振腔的无载Qu值减小，如图5，本文选用Rc= 4mm，此时Qu=5 200，Qu较传统TE双模波导谐振腔减小了1/2（较传统TE101单模波导谐振腔减小了1/4），而腔体厚度较TE单/双模减小了3/4。

图5　不同谐振腔厚度Rc的Qu值仿真

2.2级联结构分析

文中选用四分之波导波长腔级联相邻谐振腔[8]，如图6（a）中间部分，级联腔作归一化变换器，其两侧与耦合缝相邻的平面作为非谐振节点[9]，拓扑如图6（b），矩形和圆圈分别表示谐振节点和非谐振节点。

图6　4阶TM双模方腔滤波器的结构和拓扑

膜片不连续处有一个感性的效果，因其随频率变化慢，所以在窄带情况下可以看作非谐振节点，特点是：每一个谐振腔可以独立控制其自身产生的零点位置，有利于降低对加工精度的敏感性。

3　TM双模波导滤波器设计

设计了一个Ku四阶带通波导滤波器，结构如图，中心频率12 GHz，带宽100 MHz，回波损耗-20 dB，归一化有限传输零点j*[2.4，-2.4，3.6，-3.6]。耦合矩阵综合[10]如式（3），将级联部分的耦合M45归一化为1，与实际结构对应，简化设计。耦合矩阵响应如图7虚线。

首先由耦合矩阵设计每个TM双模方腔，使其所产生传输零点在预期位置，然后通过四分之波导波长和膜片级联各个谐振腔，级联波导的长度要考虑耦合缝隙的负载效应，有助于滤波器整体的优化。输入输出接口为BJ100波导。HFSS仿真结果如图8实线。

图7　4阶TM双模方腔滤波器HFSS仿真

对比图7中的耦合矩阵响应和HFSS仿真曲线，带宽和两对传输零点位置有待进一步整体优化。所设计滤波器整体尺寸为28.5 mm*28.5 mm*24 mm，长度缩减到传统TE双模波导滤波器的1/4。

4　结束语

文中提出了一种新型的滤波器结构，将TM双模方腔应用于滤波器的设计中。由于波导的TM模式具有波型指数可以为零的特点，其谐振频率不受谐振腔体厚度的限制，可以有效减小波导滤波器体积和重量。单个谐振腔利用非谐振模式开辟额外的电磁能量传输路径，实现一对有限传输零点，提高了滤波选择性。非谐振节点方式级联相邻谐振腔实现了N阶N个传输零点而不需要源和负载的直接耦合。最后设计了一个4阶Ku波段TM双模方腔波导滤波器，HFSS仿真验证了其实用性和有效性。

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Design of a novel dual-mode waveguide filter

LIU Hao，LI Sheng-xian
（China Academy of Space Technology（Xi'an），Xi’an 710000，China）

A compact waveguide filter is introduced in this paper，that is based on the theory of nonresonating nodes.TM dualmode quadrate cavities are cascaded by nonresonating nodes.Such a cavity employs both resonant and nonresonating modes so as to provide two reflection and two transmission zeros.Then the Nth-order filter provides N transmission zeros without the direct coupling between the source and load.A Ku band waveguide filter is designed.The HFSS simulation results indicate that the structure is more compact and the size is the quarter of the rectangle TE dual-mode waveguide filters with excellent performance.

waveguide filter；nonresonating node；TM mode；nonresonating mode

TN713

A

1674－6236（2016）21-0135-03

2015-10-13稿件编号：201510076

柳 浩（1990—），男，陕西西安人，硕士研究生。研究方向：空间微波无源技术。