一种新型Ka频段高功率容量二次谐波抑制滤波器

陈冠军，孙振远，王 雷

（1.中国电子科技集团公司第五十四研究所，河北 石家庄 050081；2.中国人民解放军32039部队，北京 102300）

0 引 言

现代雷达和通信系统中为了实现更远的作用距离和更高的通信速率，要求系统发射链路具有更高的输出功率[1]。但是高输出功率必然伴随着过高的谐波功率，为了避免或者降低谐波输出对周围电磁环境的干扰，谐波抑制滤波器已经成为雷达系统和通信系统的重要器件之一[2]。谐波抑制滤波器必须安装于大功率设备输出端，才能起到良好的谐波抑制作用，这就要求滤波器具备较高的功率容量[3]。毫米波频段谐波抑制滤波器为了有效抑制二次谐波需要增加金属加载的等效电容，当通过功率较大时，金属加载附近的电场强度较强，容易导致电场击穿。如何提高毫米波频段谐波抑制滤波器的功率容量成为一个设计难题。

本文提出一种基于波导E-T结和矩形波导滤波器相结合的结构形式，采用功率分配合成原理和谐波抑制滤波器原理，将滤波器的功率容量提升到原滤波器的两倍，并通过了Ka频段连续波60 W的平均功率验证。滤波器功率容量可以根据实际需求通过增加功率分配/合成路数的方式进一步提升。Ka频段谐波抑制滤波器具有插入损耗低、小体积、功率容量高、易于加工调试等优点。

1 理论分析

本文所论述的高功率容量谐波抑制滤波器是通过波导E-T结功率分配/合成结构实现功率容量的扩增，波导E-T结功率分配/合成器由一段信号输入/输出主波导及从该波导宽边延伸出来的分支波导构成，其分支波导的传输方向平行于主波导的TE10模的电场方向，这种串联分支其结构可以看作一种无耗三端口网络。

假设主波导端口为端口1，而两个分支波导端口分别为端口2、3。当射频信号由端口1输入时，信号将从端口2和3等幅反相输出，该结构作为功分器使用；作为合路器使用时，射频信号由端口2和3同幅反相输入时，则在端口1合成输出最大，幅度为两路之和；而当端口2和3输入信号同幅同相时，端口1将无信号输出。由此可得波导E-T结功分器的S参数为[4-7]

从S参数分析可以看出，E-T结是三端口网络无法同时达到完全匹配，两个输出端口之间的隔离度理论值仅有-6 dB，但是其结构简单且完全对称，具有体积小、插损低、合成端口驻波好的优良性能，常用于功率合成。

矩形波导谐振腔与LC回路在微波频段的作用较为类似，但不同于LC回路，矩形波导谐振腔在微波传输过程中存在高次谐波，这是因为谐振腔有无限个谐振频率与无限个振荡模式。而LC回路因其有限的振荡模式与谐振频率，不存在这种问题。为消除高次谐波，需通过调整矩形波导谐振腔的结构来抑制谐波的传输[8,9]。

矩形波导空腔传输有多种模式，实际传输条件下，矩形波导多采用TE10模式单模工作，其模式表达式为[10-12]

截止频率和截止波长的计算公式分别为[13]

通过谐振器尺寸调节可以抑制高次模式，保证单模传输，而采用金属加载结构使其Q值改变，不仅可以使高次模式远离所需的频段或者实现阻带向高频方向延伸，还增大了功率容量，从而设计出工程所需的具有谐波抑制功能的高功率容量滤波器[15]。

2 建模及电磁特性仿真

在上述理论分析的基础上，利用仿真软件HFSS对模型进行建模并仿真。首先建立波导E-T结三维模型，仿真结果在25.25～27.5 GHz频率范围内，回波损耗大于30 dB，两端口信号输出一致性良好，插损小于0.1 dB，可用于功率合成实现功率扩展。

对谐波抑制滤波器三维模型进行电磁性能进行仿真，在通带25.25～27.5 GHz频率范围内插入损耗小于0.1 dB，回波损耗大于18 dB，二次谐波频率范围内的抑制度大于69 dB。

以上两种结构仿真完成后进行级联，可以将功率容量扩展至单滤波器的两倍。对级联后的三维模型进一步优化，高功率容量谐波抑制滤波器三维模型如图1所示。

图1 高功率容量谐波抑制滤波器三维结构

由HFSS仿真结果，在通带25.25～27.5 GHz频率范围内插入损耗有所增加但是仍小于0.3 dB，回波损耗依然保持高于16.5 dB，二次谐波频率范围内的抑制度大于80 dB。

3 实物测试

在理论指导和优良的电磁特性仿真结果支撑下进行实物加工，高功率容量二次谐波抑制滤波器实物如图2所示，测试结果如图3所示。

图2 高功率容量二次谐波抑制滤波器实物图

图3 滤波器谐波抑制测试与传输特性测试结果

从测试结果可以看出，在通带频率范围内，插损低于0.6 dB，回波损耗约为20 dB，在二次谐波频率范围内抑制度约为50 dB，性能指标优良，且经过了连续波60 W长时间功率测试。

4 结 论

本文主要介绍了一种基于波导E-T结功率分配合成网络和滤波器相结合的结构形式，既实现了Ka频段的二次谐波抑制，又扩展了滤波器的功率容量。通过此思路进行二进制波导功率分配/合成网络的级联，可以进一步扩展滤波器的功率容量。这种滤波器结构简单，易加工，最重要的是方便调试，具有良好的工程应用价值。