毫米波E面金屬膜片窄帶濾波器的研究與設計

摘要：傳統波導濾波器是由普通電抗元件組成，其結構復雜，調試困難，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(shí)，克服以上缺點(diǎn)。本文用模式匹配和網(wǎng)絡(luò )級聯(lián)的方法對其進(jìn)行了詳細的分析，闡述了E面膜片波導濾波器的工作原理，給出了具體設計方法。最后用這種方法設計出一款工作于Ka波導的波導帶通濾波器，并加工了實(shí)物進(jìn)行測試。
關(guān)鍵詞：E面膜片波導濾波器；帶通濾波器；毫米波

微波濾波器是微波系統中用來(lái)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，衛星通信，雷達，導航等各個(gè)領(lǐng)域都有著(zhù)廣泛的應用。它的性能直接決定了其所在微波系統的質(zhì)量。波導型濾波器是它的一個(gè)重要分支。最常見(jiàn)的也是文獻中寫(xiě)的最多的波導型濾波器是并聯(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構太多，膜片在加工精度上難以保證，抗振性能差，膜片調節起來(lái)也不方便；而E面膜片濾波器結構簡(jiǎn)單，能獲得較高的Q值和較好的濾波特性，設計精度高，易于批量生產(chǎn)。所以本文最終選擇了E面金屬膜片波導帶通濾波器。
國外在80年代開(kāi)始就使用模式匹配法來(lái)計算E面膜片的S參數，利用網(wǎng)絡(luò )級聯(lián)的方法將E面膜片和波導段的S參數級聯(lián)起來(lái)，得到總的濾波器的S參數，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值解法，它通過(guò)考慮不連續性附近的高次模和金屬膜片厚度對散射參數的影響，從而更準確地分析波導不連續性結構。它的計算量相當大，但在如今計算機迅猛發(fā)展，這都已經(jīng)不是問(wèn)題。
本文用模式匹配和網(wǎng)絡(luò )級聯(lián)的方法對矩形波導E面金屬膜片濾波器進(jìn)行分析，并通過(guò)軟件進(jìn)行綜合設計和仿真驗證，給出了設計實(shí)例。

1 基本原理
如圖1所示就是E面金屬膜片濾波器的結構圖。它的基本外形是每隔一段空波導，在矩形波導中央的E面插入一塊與E面平行的金屬膜片，膜片的個(gè)數，每個(gè)膜片的長(cháng)度還有所隔空波導的長(cháng)度都是根據實(shí)際指標要求來(lái)計算完成的。其中，膜片起耦合作用，相鄰膜片之間構成諧振腔，通過(guò)諧振腔的耦合構成波導帶通濾波器。

由圖可以看出，不連續性結構只發(fā)生在x方向上，由于波導一般都是主模傳輸，而TE10在不連續性附近只能激勵起TEm0模，不能激勵起TEmn(n≠0)模和TMmm模。