E面金属膜片波导滤波器的设计

性能优良的E 面双金属膜片波导滤波器

马敏1 黄健1 喻志远2 甘体国1

(1.中国西南电子技术研究所，四川 成都 610036)

(2. 电子科技大学物理电子学院应用所，四川 成都 610054)

〔摘要〕本文采用复功率守恒技术[1]分析E面双金属膜片波导滤波器，并考虑到膜片端面的电壁条件的修正，得到了准确的分析结果。这种分析方法易于编程，有助于工程设计。最后还设计了一个Ka波段双金属膜片波导滤波器。测试结果和理论分析吻合较好。 关键词：E面金属膜片、波导滤波器、高阻带特性滤波器、复功率守恒技术

一、引 言

E面结构波导滤波器自1974年Konishi[2]提出以来，经过长期的发展，已成为毫米波段广泛使用的滤波器形式。但这种结构滤波器的阻带特性并不令人满意，很难得到陡峭的带外特性。为了有效地改善阻带特性，F.Arndt[3]等人于1984年首次提出了E面双金属膜片结构。这种结构具有很好的带外特性，矩形特性较好。本文以模式匹配法为基础，考虑到膜片端面电壁条件的修正[1]，对E面双金属膜片结构做了全面的分析，给出了简明的计算公式，最后还设计了一只具有高阻带特性的Ka波段E面波导滤波器，测试结果与分析结果吻合良好。

二、E面双金属膜片结构的理论分析

E面双金属膜片滤波器的结构如图一所示。在矩形波导的Ｅ面等距离地插入与Ｅ面平行的两个金属膜片构成，金属片每相隔一定长度被挖去一部分，两金属片结构完全一样，相对应的膜片端面处于同一平面上。其中，膜片起耦合作用，相邻膜片之间则构成谐振腔。E面双金属膜片的波导基本结构尺寸如图二，它可以用如图三所示的T形网络来等效。

图一 Ｅ面双金属膜片波导滤波器及其膜片结构

由于膜片关于T0面对称，采用奇偶模分析可以由T0面开路及短路时从z=0面看入的单口网络归一化输入导纳yoc及ysc求解等效网络中的xs、xp值，计算公式如下：

jxs?1y， jx111p?sc2(y?) (1)

ocyscyoc－－T0面短路时z=0面归一化输入导纳;xs－－等效网络归一化串联电抗 ysc－－T0面开路时z=0面归一化输入导纳;xp－－等效网络归一化并联电抗

1

X T0 II III jxs I Z

jxp jxs 0

II w/2 w 图二 波导E面双金属膜片结构 图三 波导E面双金属膜片的T形等效网络

由上面分析可知，问题关键在于计算T0面短路及开路时的z=0面输入导纳。参照图二,由于入射波为TE10波时各不连续面只激发TEn0高次模，所以I、II、III区的场量可展开为TEn0模场量的叠加。由亥姆霍兹方程和边界条件在z=0面上可分别求出靠近I、II、III区一侧的切向场量En、Hn、En、Hn、En、Hn。

IIIIIIIIIIII?I?III?I?II因在z=0面上，有Et?Et， Et?Et 所以：

II3n?n??nwIIIIa(1?e)sinx?(a?b)sinx （2）??nnna?2tannIII3n?a?tn??nwIIIIIa(1?e)sin(x?)?(a?b)sinx （3） ??nnna?2t3annIIIIII其中：an为I区入射波；bnI 为II 、III区反射波；an为II区入射波；an为III 区

n2?2III入射波。??? ??2?0?0 ＝?na?2t2()3??*1?zdxdy，I、II、III区的输入复功率也很由于输入复功率P???(Et?Ht)?a2IIn易求得。根据功率无损耗，有P1=2PII+PIII，所以：

IIII*a?2t?nw?nIIII*II*[2?an?an?n(1?e)(?ew)?3an?anIIInaI1III*n?III*n(1?e2III?nw)(1?eIII?nw*III?bnI)*?n(an?bnI) （4） )]??(ann*n2?22其中：???j??0?0?2 ， ??????0?0 （ n=2l+1,l=0,1,2,…） 2aa以下的矩阵运算过程与文献〔1〕相同，计算后得到TE10模的反射系数：

In?2?1,2?[3aM5?(a?2t)(U1?U2)]?1[3aM5?(a?2t)(U1?U2)] （5）

若z=w/2面插入电壁，则取U1、U2中?号或?号上面的符号，若插入磁壁则取下面的

符号。相应的TE10模反射系数为?1 、?2 ，由此可计算出z＝0面的归一化输入导纳：

ysc?1??11??2 （6） ;yoc?1??11??2然后，考虑两个膜片端面电壁条件的修正。修正的方法也与文献[1]相同。

2

三、E面双膜片结构与单膜片结构比较

图四所示为采用所编CAD软件包所设计的中心频率同为35.5GHZ，且插入膜片厚度均为0.2mm的E面双膜片结构和单膜片结构滤波器的频率响应曲线的比较。两种结构均采用BJ-320波导（波导口径7.112mm?3.556mm）,两者带宽同为1.2GHZ，都采用五腔结构。

从图中我们可以看出，双膜片结构具有很好的高端阻带特性，带外衰减在所计算频率范围内可达89.16dB，而相应的单膜片结构仅为67dB。在阻带高端，单膜片结构在40.72GHz处出现衰减最大值，频率高于40.72GHz后阻带衰减便开始减小。而双膜片结构滤波器在42GHz处的仍可达89.16dB的衰减，并且还未出现阻带衰减减小的趋势。虽然由于程序计算频率范围的限制我们看不到两种滤波器的衰减零点，但显然双膜片结构滤波器的阻带宽度比单膜片结构的阻带宽度宽得多，矩形度更佳。

虚线为单膜片结构滤波器 实线为双膜片结构滤波器 膜片宽度(mm): 膜片宽度(mm): w1＝w6=0.99 w1＝w6=0.18 w2=w5=3.61 w2=w5=1.36 w3=w4=4.13 w3=w4=1.54

谐振腔长度(mm): 谐振腔长度(mm): L1=L5=3.59 L1=L5=4.30 L2=L4=3.57 L2=L4=4.40 L3= 3.57 L3= 4.40

图四 单、双膜片滤波器频率响应比较

E面双金属膜片滤波器的这种优越性是很容易理解的。因为波导中的工作波长必须满足a≤λ≤2a的条件，我们将膜片分隔成的区域称为子波导，子波导宽度越小，截止频率也越高，对应截止频率以下某一频率的输入波其衰减便越大。所以E面双金属膜片滤波器的阻带性能高于单膜片结构。

四 实验结果

膜片宽度(mm): w1＝w6=0.32 w2=w5=1.92 w3=w4=2.18

谐振腔长度(mm): L1=L5=4.33 L2=L4=4.41 L3= 4.41

虚线为实测曲线，实线为计算曲线

图五 双金属膜片实测曲线与分析曲线的比较

图五所示为根据工程需要设计的一只E面双金属膜片波导滤波器的分析结果与实测结

3

果的比较。设计中心频率仍为35.5GHz，3dB带宽为0.5GHz。由于实验仪器的动态范围有限，只能测到60dB左右的衰减，所以只能描出2GHz范围的频率响应曲线。

从图中可以看出，实测结果与分析结果的频率响应曲线形状吻合良好。实测带宽为0.45GHz，带内最小衰减为1.35dB，中心频率为35.73GHz，在偏离边带0.5GHz处两边阻带均可达45dB以上的衰减，显示了双膜片滤波器优良的带外特性。

实测中滤波器的中心频率比设计中心频率往高端偏了0.23GHz，这主要地由于机械加工误差带来的。经仔细测量后发现滤波器的谐振腔长度普遍略为偏短，另一方面，若安装时两个金属膜片端面没有对齐也会造成一些影响。

五、结 论

本文对E面双膜片结构波导滤波器进行了全面的分析，给出了矩阵计算公式，在理论证明了此种结构的优越性。同时还设计了一只Ka波段E面双金属膜片结构波导滤波器，实测结果与分析结果吻合较好，显示了其优良的阻带特性。

主要参考文献

[1]黄建 甘体国：波导E面金属膜片滤波器的分析 ， 微波学报 1999,15(3):257~261。 [2]Y.Konishi,K.Venakada.The design of a bandpass filter with inductive strip-planar circuit mounted in waveguide ,IEEE Trans. MTT,1974;22(10):869~878. [3]Fritz Arndt,E-Plane integrated circuit filters with improved stopband attenuation,IEEE Trans.MTT,1984;32(10):1391~1394.

附录：

在(2)-（5）式中I区求和式中取P项，II、III区求和式中取Q项，并定义矩阵

IIITIIIIT…aP) ; BI?(b1,b2,b3 …bP); AI?(a1I,a2,a3IIITIITIIIIIIIIII…aQ…aQ) AII?(a1II,a2,a3,a3) ; AIII?(a1III,a2IIIIINII?(Nmn)Q?P , NIII?(Nmn)Q?P ;二者均为矩阵运算中出现的系数矩阵，定义方

式同文献〔1〕。

M1?diag(1?eII?1w,1?eII?2w…1?eII?QwIII?Qw); M2?diag(1?eII?1w,1?eII?2w…1?eII?Qw) )

M3?diag(1?eIII?1w,1?eIII?2w…1?e)； M4?diag(1?e*III?1w,1?eIII?2w…1?eIII?QwIIIIIIIIIII)；M7?diag(?1III,?2M5?diag(?1I,?2,…?IP)；M6?diag(?1II,?2,…?Q) ,…?Q**MI?M6M2,1M1,2?1?diag(?1II*1?e1?e?1IIw?1IIw*II,?2*1?e1?e*II?2wII?2w***,…) ,…)

**MII?M7M4?diag(?1III,3M4,3?11?e1?eT*?1IIIw*?1IIIwIII,?21?e1?eIII?2wIII?2w*NIIMINII?U1 ， NIIIMIINIII?U2

题号：4 ；

通信地址：四川成都94信箱10分箱 马敏（收） 610036； 电话：028--87555449

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