一種FSS電容加載緊湊型帶通濾波器

1 引言

濾波器是通訊系統(tǒng)、雷達(dá)系統(tǒng)和電子對抗系統(tǒng)等不可缺少的重要部件。其性能的優(yōu)劣往往會(huì)直接影響整個(gè)系統(tǒng)的質(zhì)量。近年來隨著微波、毫米波技術(shù)的迅速發(fā)展，這類器件在微波、毫米波通信、微波導(dǎo)航、制導(dǎo)、遙測遙控、衛(wèi)星通信以及軍事電子對抗領(lǐng)域的需求量不斷增大。特別是由于無線電通信頻譜資源的日益緊張，分配到各類通信系統(tǒng)的頻率間隔越來越密，這對無源器件，尤其是微波、毫米波收發(fā)機(jī)中前端無源器件的性能指標(biāo)提出了更高的要求。體積小、性能高、成本低、加工簡單且更易于大量生產(chǎn)是現(xiàn)在濾波器發(fā)展的趨勢。湊型波導(dǎo)濾波器是微波技術(shù)領(lǐng)域的一個(gè)經(jīng)典而又活躍的研究課題。Vlad和John Ness在2003年報(bào)告了一種采用高度減小的緊湊型波導(dǎo)濾波器。Rauscher也報(bào)告了一種采用介質(zhì)填充和脊波導(dǎo)加載的緊湊型波導(dǎo)濾波器。本文將介紹一種采用頻率選擇膜片和電容柱子構(gòu)成的緊湊型濾波器。

2 凹型FSS和電容柱子加載濾的結(jié)構(gòu)與設(shè)計(jì)

2005年Monorchio, A.; Manara, G報(bào)道了一種直接采用頻率選擇膜片構(gòu)成的波導(dǎo)濾波器。工字型和其他形勢的FSS結(jié)構(gòu)在濾波器中也有采用。本文圖1給出了一個(gè)6腔的FSS和電容柱子加載濾波器的結(jié)構(gòu)示意圖。該濾波器由7個(gè)凹型FSS和6個(gè)金屬凸臺組合而成。從左到右看柱子的長度與高度依次是lp1~lp6和h1～h6；凹型FSS膜片縫隙的寬度依次是w1~w7；整個(gè)金屬柱子的寬度為24.2mm，每個(gè)長度為li的單元中包括一個(gè)電容加載金屬柱和兩個(gè)凹型FSS。

圖1 濾波器的結(jié)構(gòu)示意圖

圖2 凹型膜片的結(jié)構(gòu)

作為例子，我們將設(shè)計(jì)指標(biāo)規(guī)定為：濾波器的中心頻率為7.8GHz，帶寬為600MHz，通帶內(nèi)的駐波比小于1.25。通帶外600MHz處抑制為45dB。根據(jù)技術(shù)指標(biāo)由參考文獻(xiàn)[6]采用切比雪夫型，計(jì)算得到該濾波器的階數(shù)n = 6 ，其低通原型數(shù)值，g0=1, g1=0.9958, g2=1.4131, g3=1.8950, g4=1.5505, g5=1.7272, g6=0.8147, g7=1.2222。按照以上結(jié)構(gòu)，我們用CST計(jì)算模擬出了一個(gè)常規(guī)的波導(dǎo)濾波器和凹型FSS與電容柱子加載的濾波器，其參數(shù)如表一所示。

從表中可以看出，采用FSS與電容柱子加載后結(jié)構(gòu)更加緊湊，長度減少了47.8%。

另外在只改變（b-b1）值和金屬柱高度h的情況下，利用CST計(jì)算仿真得到3種不同情況的濾波器。它們的S參數(shù)圖如下圖3所示。從圖3中我們可以看出，在凹型FSS與金屬柱子組成的電容加載濾波器中，隨著凹型槽的高度b-b1值的增加，濾波器在通帶內(nèi)的S參數(shù)曲線改變很少，但是在通帶外的抑制卻逐漸變陡峭且抑制更深。在b-b1=2時(shí)可以達(dá)到-190dB。

表1 模擬得到的一個(gè)常規(guī)濾波器和
FSS與電容柱子加載濾波器尺寸參數(shù)

圖3 濾波器S參數(shù)仿真結(jié)果比較

3 濾波器的實(shí)現(xiàn)與測試結(jié)果

圖4為按照表1的參數(shù)，在b-b1=1時(shí)設(shè)計(jì)加工的實(shí)物圖。兩端采用法蘭盤聯(lián)接，中間采用一排螺釘調(diào)節(jié)諧振和耦合。

圖4 濾波器實(shí)物圖

下面的圖5為實(shí)際測試得到的S參數(shù)曲線圖。

圖5 實(shí)際測試的S曲線

4 結(jié)論

從模擬和實(shí)際加工的一款FSS和電容柱子加載的腔體濾波器可以看出，其結(jié)構(gòu)緊湊。從測試的S參數(shù)圖上可以看到包括聯(lián)接兩端法蘭盤的同軸波導(dǎo)轉(zhuǎn)接器時(shí)曲線的插損小于0.25dB。測試結(jié)果與仿真結(jié)果相吻合。這樣就提供了一款結(jié)構(gòu)簡單、加工容易、性能良好的濾波器。