加載周期性脊波導(dǎo)的E面濾波器

1 引言

E面插片波導(dǎo)濾波器由于損耗小、高Q值，成本低，加工方便，適合批量生產(chǎn)從而得到廣泛的應(yīng)用。盡管有很多優(yōu)點，但是也存在著帶外衰減緩慢，阻帶較窄，有時尺寸過大等缺點，限制了它在很多地方的應(yīng)用。為了克服E面插片波導(dǎo)濾波器的缺點，本文提出了一種新型的具有高度選擇性的濾波器結(jié)構(gòu)，即將E面插片波導(dǎo)和脊波導(dǎo)結(jié)合起來，在E面插片濾波器的諧振器中嵌入周期性的脊波導(dǎo)結(jié)構(gòu)，實現(xiàn)了帶外衰減快，尺寸小的特點。

不同類型的周期性結(jié)構(gòu)具有不同的特性，一直以來都是熱點研究課題。在濾波器中加入周期性結(jié)構(gòu)就可以使得濾波器具有尺寸減小，提高帶外衰減的效果。這是由于周期性結(jié)構(gòu)的慢波效應(yīng)引起的：相對于在均勻傳輸線中傳播的波，慢波的相速和波導(dǎo)波長明顯的減小了，因此半波長諧振器的長度也相應(yīng)的減小。同時由于慢波的散射關(guān)系，實現(xiàn)了帶外衰減特性的提高。

E面插片波導(dǎo)和脊波導(dǎo)組成的周期性結(jié)構(gòu)是一種很容易實現(xiàn)的結(jié)構(gòu)，如圖1所示，在E面插片濾波器的諧振器中級聯(lián)具有等間隙的脊波導(dǎo)，用這種周期性結(jié)構(gòu)代替矩形波導(dǎo)中的諧振器。本文提出的新結(jié)構(gòu)和標(biāo)準(zhǔn)E面插片濾波器很相似，除了具有E面插片濾波器的一般優(yōu)點外，還具有帶外衰減快，尺寸小的優(yōu)點。

圖1 加載脊波導(dǎo)的E面濾波器

2 理論分析

對于本文的新濾波器結(jié)構(gòu)，將其分成兩個模塊進行分析，E面插片模塊和矩形波導(dǎo)-雙脊波導(dǎo)模塊，主要的分析方法是模式匹配法。E面插片結(jié)構(gòu)的模型如圖2所示，膜片的厚度為t，長度為w，橫截面為a*b，插片平面與波導(dǎo)窄邊平行。

圖2 E面插片結(jié)構(gòu)

由于不連續(xù)性在x方向，y方向上是連續(xù)的，所以受TE10模激勵時，在不連續(xù)處只會激勵TEm0模式。將各區(qū)域中沿+Z和-Z方向傳播的所有模式考慮在內(nèi)，當(dāng)和時，I區(qū)和II區(qū)、I區(qū)和III區(qū)在分界面Z=0處的橫向電場和磁場滿足邊界條件的連續(xù)性，從而通過模式展開求解膜片結(jié)構(gòu)的散射參數(shù)，具體計算過程可參考相關(guān)文獻。

脊波導(dǎo)結(jié)構(gòu)的模型如圖3所示，脊波導(dǎo)中TE和TM模式都存在，其最低模式的場結(jié)構(gòu)與矩形波導(dǎo)中的主模很相似，只是在凸出部分的電場更為集中，棱角處有不均勻的電場，而在脊的兩側(cè)磁場也更為集中。由于凸緣的作用，相當(dāng)于將矩形波導(dǎo)的寬邊加大，因此其最低模的截止波長更長，與次低模的截止波長相差也就更大，因此單模工作的頻帶更寬，即在同一頻率的情況下，脊波導(dǎo)的尺寸更小。

圖3 脊波導(dǎo)結(jié)構(gòu)

在分析脊波導(dǎo)時，首先采用橫向諧振法求得截止波數(shù)Kc及本征函數(shù)，確定基模和高次模的場分布，接著應(yīng)用模式匹配法計算出脊波導(dǎo)結(jié)構(gòu)的散射參數(shù)。這些方法都是經(jīng)典方法，這里不給出具體的表達(dá)式。

將脊波導(dǎo)的分析結(jié)果應(yīng)用到矩形波導(dǎo)-脊波導(dǎo)結(jié)構(gòu)中，矩形波導(dǎo)-雙脊波導(dǎo)的結(jié)構(gòu)如圖4所示，Z＜0的區(qū)域為矩形波導(dǎo)，Z＞0的區(qū)域為脊波導(dǎo)區(qū)域，對該不連續(xù)性結(jié)構(gòu)的分析可參照前面E面插片模型的分析方法，應(yīng)用雙端口網(wǎng)絡(luò)的模式匹配法計算出該結(jié)構(gòu)的散射參數(shù)。

圖4 矩形波導(dǎo)-雙脊波導(dǎo)模型

周期性結(jié)構(gòu)是由矩形波導(dǎo)-雙脊波導(dǎo)模塊等間隙組成的，整個濾波器結(jié)構(gòu)可以看成是E面插片模塊和周期性結(jié)構(gòu)級聯(lián)而成。

3 數(shù)值結(jié)果與比較

本文給出了幾組3階新型濾波器結(jié)構(gòu)的設(shè)計實例，并和相對應(yīng)的標(biāo)準(zhǔn)E面插片波導(dǎo)濾波器進行了比較。在用模式匹配法對E面插片波導(dǎo)濾波器進行分析時，取20個模式，對于加載周期性結(jié)構(gòu)的新型濾波器分析時，取25個TE和TM的奇數(shù)模式，用Matlab編程進行分析計算。表1為K波段寬帶波導(dǎo)帶通濾波器的數(shù)據(jù)，表2為X-波段寬帶波導(dǎo)帶通濾波器的數(shù)據(jù)。所有插片和脊的厚度都是0.25mm，在新結(jié)構(gòu)濾波器中，lr1=lr2。

由模式匹配法分別得到表1和表2兩組濾波器的S參數(shù)曲線如圖5和圖6所示。

表1 K波段寬帶帶通濾波器（單位：mm）

表2 X波段寬帶帶通濾波器（單位：mm）

圖5 K波段寬帶濾波器

由圖5和圖6可以看出，本文提出的加載脊波導(dǎo)的E面濾波器能夠改善標(biāo)準(zhǔn)E面插片波導(dǎo)濾波器的阻帶特性，大大提高了帶外的衰減特性，并且尺寸上比標(biāo)準(zhǔn)E面插片濾波器小很多，實現(xiàn)了小型化。

圖6 X波段寬帶濾波器

4 結(jié)束語

本文基于E面插片波導(dǎo)濾波器，提出了一種改進的結(jié)構(gòu)，在E面波導(dǎo)諧振器中加入周期性的脊結(jié)構(gòu)，在保留了標(biāo)準(zhǔn)E面插片波導(dǎo)濾波器的優(yōu)點的同時，還克服了E面波導(dǎo)濾波器阻帶窄，帶外衰減慢的缺點，大大減小了濾波器的尺寸，實驗結(jié)果驗證了該方法的正確性。