电感膜片对矩形波导滤波器散射参数的影响

樊琼星　刘含　黄路

【摘要】：运用微波等效电路理论，分析了内置一组电感膜片的矩形波导滤波器的转移参量。用Matlab 编程计算发现内置膜片的宽度会影响散射参数的相位和振幅，而膜片放置的位置对散射参数没有影响。并借助三维电磁场仿真软件Ansoft HFSS建模分析，对比发现等效电路理论计算结果与软件仿真的结果相符。

【关键词】：电感膜片 矩形波导 转移矩阵 散射参数

引言

速调管的瞬时工作带宽对提高通信、雷达和电子对抗等微波电子系统的抗干扰性能十分重要。它由群聚段的带宽和输出段的带宽两部分决定，而展宽输出段的带宽是实现宽带速调管的关键。输出段的作用是保证速调管产生的高功率微波通过，传输到天线等负载。改善其带宽的主要方法是在输出传输线中设计滤波器结构。

常用的大功率宽带速调管滤波器结构通常采用矩形金属波导作为传输线，因其具有传输损耗小，功率容量大，工作频带窄和工作频率高等优点。并在波导中放置横向电感膜片作为滤波电抗元件以改善传输带宽。

本文利用微波等效电路理论，将内置膜片的矩形波导滤波器等效成微波二端口网络，计算得到二端口网络的转移参量。根据网络参量间的转换关系式，得到反映传输特性的散射参数S21的计算式。并对其进行编程计算，可以得到电感膜片的大小和放置位置对散射参数的影响。

1 等效电路理论分析法

为了保证能量均匀传输，本文选择在波导的对称位置插入大小相等的膜片。其结构如图1所示。其中l为两组膜片的间距，d为两膜片之间的窗口宽度，a和b分别为矩形波导横截面的宽边与窄边尺寸。

对比图7和图8：在窗口宽度一定的情况下，改变波导长度，散射参数S21的模值不变但相位变化。即膜片两边波导的长度选取对S21幅度没有什么影响，只会影响其相位。这些仿真分析结果与理论计算结果相符。

结论

运用微波等效电路的近似方法，分析了电感膜片的大小和放置位置对散射参数S21的影响。由HFSS仿真分析得到波导长度的变化不会影响散射参数S21的模值，但波导部分长度的变化会引起入射波相位的改变，所以S21的相位会发生变化。而窗口宽度的变化会使散射参数的模值和相位发生改变。软件仿真分析的结果与等效电路理论计算结果基本一致。本文的研究结果对高频、高功率微波真空器件所用矩形波导的设计具有一定的参考意义。

在X波段内，圆弧膜片的电纳比相等面积的直膜片的电纳小的多，其电纳随频率的变化也比直膜片小的多[9]。相对于电感直膜片，圆弧膜片比直膜片更容易实现宽频带。后续会在本文的研究基础上分析圆弧膜片的位置和大小对滤波器带宽的影响。

【参考文献】

【1】廖复疆.真空电子技术（第二版）_信息化武器装备的心脏[M].北京，国防工业出版社，2008：45-47

【2】丁耀根.大功率速调管的理论与计算模拟[M].北京，国防工业出版社，2008：283-294，388-396

【3】李艳华，丁耀根.速调管矩形波导窗的研究[J].强激光与粒子束，2006，18（12）：2061-2064

【4】高美丽， 赵永久， 翟阳文. 矩形波導谐振膜片的分析及其应用[J].微波学报，2007，23（10）：98-102

【5】沈致远.微波技术[M].北京，国防工业出版社，1980：119-128

【6】顾继慧.微波技术[M].北京，科学出版社，2004：252

【7】董玉和.微波圆柱和同轴高阶横磁模式及其输出耦合[D].北京，中国科学院电子学研究所，2006：82-83，73

【8】N.Marcuvitz.Waveguide Handbook[M].New York，Peter Peregrinus Ltd.1986：221-227

【9】唐敬贤.计算矩形波导中任意感性膜片电纳的新方法[J].电子学报，1994，12（12）：85-86

基金项目：安徽省2017年国家级大学生创新训练项目（201711305016）：带电感膜片的矩形波导滤波器的传输特性