应用截止波导的Ka波段宽带带通滤波器

摘要

本发明涉及一种应用截止波导的Ka波段宽带带通滤波器，应用截止波导理论、低通滤波理论和波导渐变理论相结合的设计方法，以及应用此种设计方法设计了一种Ka波段32-40GHz波导宽带滤波器，在波导端口宽边选择时，在长度一定时，既要保证截止频率小于滤波器通带低频点，又需保证低频带外抑制。在波导宽窄边线性渐变过渡上，在频率高于并接近波导截止频率时，波导波长接近无限长，波导阻抗与标准波导口阻抗比值接近无限大。本发明实现电子对抗中宽带发射机及宽带收发组件中的滤波性能。

说明书

技术领域

本发明属于电子对抗技术领域，具体涉及一种应用截止波导的Ka波段宽带带通滤 波器。

背景技术

在毫米波对抗设备中，宽带毫米波发射信号的产生来自于低频信号的倍频及混频， 因此附带了各种杂散信号，在宽带发射机、宽带收发组件里，我们需要采用宽带滤波 器对谐波和杂散信号进行抑制。在毫米波频段，滤波器有微带、SIW、波导等结构。 微带滤波器和SIW滤波器(基片集成波导滤波器)由于损耗过大，不适用于毫米波宽 带发射机、宽带收发组件的输出滤波；波导滤波器具有功率容量大、损耗小、通带宽 等优点，适合于毫米波宽带发射机、宽带收发组件的宽带滤波应用。在波导带通滤波 器中，传统结构为波导谐振器和耦合结构相结合的方式，这种结构带宽最大达15％左 右，带宽过宽时，由于加工难度过大将很难实现。为了设计带宽22％的波导宽带带通 滤波器，我们提出应用截止波导理论、低通滤波理论和波导渐变理论相结合的设计方 法设计毫米波宽带波导滤波器。

发明内容

要解决的技术问题

为了避免现有技术的不足之处，本发明提出一种应用截止波导的Ka波段宽带带通 滤波器，实现电子对抗中宽带发射机及宽带收发组件中的滤波性能。

技术方案

一种应用截止波导的Ka波段宽带带通滤波器，其特征在于包括波导低通滤波器和 波导渐变线；在波导低通滤波器的两端连接波导渐变线，连接端口的宽边尺寸选择必 须满足一下条件：基模TE₁₀模截止频率小于滤波器通带低频点，且基模TE₁₀模截止 频率高于带外低频抑制点；且高次模TE₂₀模截止频率高于带通高频点，基模TE₁₀模 截止频率低于滤波器通带低频点；连接端口的窄边尺寸选择必须满足一下条件：高次 模TE₁₁模截止频率高于带通带高频抑制点，且满足加工能力的要求；波导渐变线的另 一个端口的尺寸与相连接的标准波导的口径相吻合。

所述波导渐变线的宽边尺寸和窄边尺寸同时变换，波导宽窄边线性渐变公式如下：

${\Gamma }_{f_0}=\frac{1}{2}\underset{z=0}{\overset{z=L_0}{\int }}{e}^{-2\mathrm{jz}\left(\frac{2\pi }{\lambda }\sqrt{1-{\left(\frac{\lambda }{2(a_0+z\frac{{a-a}_0}{L_0})}\right)}^2}\right)}\frac{d}{\mathrm{dz}}\ln (\frac{1}{Z_0}\times \frac{b_0+z\frac{b-b_0}{L_0}}{a_0+z\frac{{a-a}_0}{L_0}}\times \frac{1}{\sqrt{1-{\left(\frac{\lambda }{2(a_0+z\frac{{a-a}_0}{L_0})}\right)}^2}})\mathrm{dz}$

其中：a,b,为变换前的波导端口，a₀,b₀,为变换后的波导端口，L₀为波导渐变线的长度， λ为频率f₀处的空气波长。

所述波导渐变线与波导低通滤波器连接部位设有一个倒角r。

所述倒角r为0.5mm。

所述滤波器通带低频点为32GHz。

所述外低频抑制点30GHz。

所述带通带高频抑制点40GHz。

所述波导渐变线的长度为25mm。

有益效果

本发明提出的一种应用截止波导的Ka波段宽带带通滤波器，提出结合截止波导理 论、低通滤波理论和波导渐变理论的新型滤波器设计方法。在应用截止波导理论时， 控制非标波导端口的尺寸，应用低通滤波理论设计了波导低通滤波器，并通过波导宽 窄边线性渐变结构变换到标准波导口。本发明在波导端口宽边选择时，在长度一定时， 既要保证截止频率小于滤波器通带低频点，又需保证低频带外抑制。在波导宽窄边线 性渐变过渡上，在频率高于并接近波导截止频率时，波导波长接近无限长，波导阻抗 与标准波导口阻抗比值接近无限大。本发明一种Ka波段32-40GHz波导宽带滤波器， 实现电子对抗中宽带发射机及宽带收发组件中的滤波性能。

附图说明

图1：波导宽带带通滤波器结构图

1-标准波导，2-波导渐变线，3-波导低通滤波器。

图2：波导宽窄边线性渐变结构图

图3：波导低通滤波结构图

图4：波导宽带带通滤波器仿真结果图

具体实施方式

现结合实施例、附图对本发明作进一步描述：

在本发明中，波导宽带带通滤波器包括波导端口选择、波导渐变线过渡、波导低 通滤波结构三个方面。波导端口要保证带通滤波器带外低频抑制，因此应用截止波导 理论，设计波导口宽边尺寸时保证波导的截止频率高于并远离带外低频抑制点；当信 号进入与波导端口宽边相同的波导段时，高于截止频率信号将顺利通过，低于截止频 率信号，波导将表现出强电抗性即有严重的失配，反射很大造成大部分功率不能传输 而衰减。而衰减大小与传播常数虚部的大小和截止波导的长度相关。传播常数虚部越 大、波导长度越长，在固定频率上衰减越大。当波导端口宽边越小，传播常数虚部越 大；波导端口宽边越小，波导截止频率越大。因此，在波导端口宽边选择时，在长度 一定时，既要保证截止频率小于滤波器通带低频点，又需保证低频带外抑制。

在波导宽窄边线性渐变过渡上，在频率高于并接近波导截止频率时，波导波长接 近无限长，波导阻抗与标准波导口阻抗比值接近无限大。因此在此方面，波导截止频 率需远离滤波器通带内低频点。波导端口宽边设计要综合考虑以上三方面。在波导宽 窄边线性渐变过渡中，波导过渡时波导宽窄边同时变换，波导宽窄边线性渐变公式如 下：

${\Gamma }_{f_0}=\frac{1}{2}\underset{z=0}{\overset{z=L_0}{\int }}{e}^{-2\mathrm{jz}\left(\frac{2\pi }{\lambda }\sqrt{1-{\left(\frac{\lambda }{2(a_0+z\frac{{a-a}_0}{L_0})}\right)}^2}\right)}\frac{d}{\mathrm{dz}}\ln (\frac{1}{Z_0}\times \frac{b_0+z\frac{b-b_0}{L_0}}{a_0+z\frac{{a-a}_0}{L_0}}\times \frac{1}{\sqrt{1-{\left(\frac{\lambda }{2(a_0+z\frac{{a-a}_0}{L_0})}\right)}^2}})\mathrm{dz}$

其中：a,b,为变换前的波导端口，a₀,b₀,为变换后的波导端口，L₀为波导渐变线的 长度，λ为频率f₀处的空气波长。

通过理论推导极点位置和仿真优化相结合设计过渡长度，保证了过渡的可行性。

在根据低通滤波器理论设计低通滤波器时，可通过电感电容实现。在波导低通滤 波器中这些可通过波导高低阻抗线近似设计出波导低通滤波器。此时在低通滤波器波 导高低阻抗近似时，是应用基模的阻抗近似电抗元件，因此波导窄边的最大，最小尺 寸要合适，要保证高次模的影响不至于各种数值远偏离应用波导基模时计算数值，又 要保证加工要求。因此在电抗原价数值确定下，波导端口阻抗作为归一化阻抗值，波 导端口窄边选择需保证以上两方面。在端口合适下，设计出适合的波导低通滤波器。

具体实施例：

如图1为Ka波段波导宽带带通滤波器结构。其结构包括两端的Ka波段标准波导 口，尺寸为a×b，通过此标准波导口与外部实现互联。通过长度为L₀的波导宽窄边线 性变换实现标准波导口变换到非标波导口，尺寸为a₀×b₀，如图2所示。以此非标波 导口设计截止频率为40GHz的波导低通滤波器，如图3所示。

非标波导口宽边a₀设计综合考虑了以下方面：

1根据截止波导理论，基模TE₁₀模截止频率小于滤波器通带低频点，即在此为小 于32GHz。

2根据截止波导理论，基模TE₁₀模截止频率高于带外低频抑制点30GHz，并且TE₁₀模截止频率选择需保证低频抑制指标要求。截至频率越高，低频抑制效果越好。

3根据截止波导理论，高次模TE₂₀模截止频率高于带通带高频点40GHz，保证通 带内为单模模式。并且高次模TE₂₀模截止频率越高，单模传输频带越宽，效果越好。

4根据波导宽窄边线性渐变过渡，由于工作频率越靠近截至频率，波导波长越接 近无限长，波导阻抗越接近无限大。为保证过渡顺利，基模TE₁₀模截止频率需小于滤 波器通带低频点，即在此为小于32GHz，并且截止频率越小，通带内过渡效果越好。

非标波导口窄边b₀设计综合考虑了以下方面：

1根据单模传输要求，任何波导段窄边保证高次模TE₁₁模截止频率高于并远离带 通带高频抑制点40GHz。

2任何波导段窄边满足加工能力。

在波导宽窄边线性变换中，通过理论推导极点位置和仿真优化相结合设计过渡长 度L₀，保证了过渡的可行性。

在此非标波导口a₀×b₀设计截止频率为40GHz的波导低通滤波器中，根据 chebyshev综合结合高低阻抗电抗等效原理，具体尺寸为17阶。每阶的尺寸如图3所 示。

利用Ansoft HFSS电磁仿真软件，采用图1所示波导宽带带通滤波器形式对各项 参数进行仿真优化，参数优化结果如表1所示。

如图4，仿真结果表明：滤波器通带带宽32-40GHz，通带带内回波S11<-20dB， f＝30GHz时，抑制度≥38dB，f＝42GHz时，抑制度≥23dB。

表1 Ka波段宽带滤波器参数

a b a₀b₀L₀r b₁b₂b₃b₄b₅b₆7.112 3.556 4.85 1 25 0.5 0.74 2.5 0.4 2.5 0.4 2.5 b₇b₈b₉l₁l₂l₃l₄l₅l₆l₇l₈l₉0.4 2.5 0.4 0.77 1.02 0.82 1.35 0.98 1.40 1.04 1.39 1.06

单位为mm。