關于425 GHz波導帶通濾波器的性能分析和應用

本文基于電抗耦合半波長濾波器理論，研制了一款425 GHz帶通濾波器。該濾波器選用矩形諧振腔結構，采用精密金屬加工技術進行濾波器加工。本文利用羅德與施瓦茨公司的太赫茲矢量網(wǎng)絡分析儀 (ZVA-Z500) 對研制的濾波器進行測試。測試數(shù)據(jù)顯示，在416-440 GHz的通帶內(nèi)，該濾波器插損小于1.5 dB，回波損耗大于10 dB。

Abstract: A 425GHz bandpass filter based on Reactance coupled half wavelength filter theory is proposed. The filter is designed with the structure of rectangular resonant cavity and carried out with precise metal processing technology. In this paper, the filter is measured with R&S advanced vector network analyzer (ZVA-Z500). The pass-band insertion loss of the filter is less than 1.5 dB from 416GHz to 440GHz, the return loss is better than -10dB in the pass-band.

Key words: Reactance coupled half wavelength filter; Cavity waveguide filter; Terahertz network analyzer(ZVA-Z500)

1. 引言

太赫茲波的頻譜位于毫米波和紅外線頻譜之間，其憑借獨特的性質(zhì)廣泛地應用于通信、遙感、成像等領域。太赫茲濾波器可用于選擇頻率，在接收機中濾除工作帶寬外的環(huán)境噪聲和干擾頻率；在發(fā)射機中抑制帶外功率，提高系統(tǒng)的電磁兼容特性，是太赫茲系統(tǒng)最重要的無源器件之一。本文研究的濾波器工作在425 GHz (一個氧分子吸收窗口頻率)，可用于氣象探測系統(tǒng)和雷達成像系統(tǒng)等關鍵電路中。

近年來羅德與施瓦茨等公司陸續(xù)推出的太赫茲擴頻模塊極大改善了國內(nèi)太赫茲器件的測試條件，保障了太赫茲器件測試的準確性，有力地推動了太赫茲器件的研究和發(fā)展。

2. 波導濾波器理論

波導濾波器的常見設計方法有：模式匹配法、等效電路法以及散射參數(shù)法。本文采用等效電路法，利用半波長濾波器原型，結合太赫茲濾波器的指標計算出濾波器的階數(shù)和粗略尺寸，再通過數(shù)值算法優(yōu)化，得出準確的濾波器尺寸。

半波長濾波器是一種利用階梯阻抗不連續(xù)性所構成的微波濾波器的低通原型。半波長濾波器的阻抗階梯是在輸入端阻抗上交替變化的，由于各阻抗節(jié)長度等于其中心頻率上波長的二分之一[1]。

（圖1 半波長濾波器符號定義）

其中端口電壓駐波比和反射系數(shù)定義為：

(公式1)

其相對帶寬 定義為：

λg1和λg2分別為半波長濾波器通帶內(nèi)最長和最短的波導波長， λg0為中心頻率上的波導波長，λg為任意頻率變量的波導波長。

圖2展示了利用并聯(lián)電感耦合形式實現(xiàn)半波長濾波器的等效電路。每個諧振器近似為半波長，由并聯(lián)電感耦合而成。此種形式的濾波器的優(yōu)點在于結構簡單、易于實現(xiàn)。

（圖2 并聯(lián)電感耦合形式帶通濾波器等效電路）

太赫茲濾波器通常采用矩形波導加載電感膜片的形式實現(xiàn)并聯(lián)電感。由于太赫茲波長短，加工難度大，通常是采用諧振腔結構等效電感膜片。

3. 濾波器仿真優(yōu)化

425 GHz太赫茲濾波器中仍然采用半波長電抗耦合形式，通過諧振腔濾波器的形式實現(xiàn)。先根據(jù)既定指標和濾波器原型初步計算出濾波器的階數(shù)和粗略尺寸，再利用電磁仿真軟件HFSS進行優(yōu)化設計。濾波器三維仿真模型如圖3所示：

（圖3 425 GHz波導濾波器電磁仿真模型）

（圖4 425 GHz波導濾波器S參數(shù)仿真結果）

濾波器仿真結果如圖4所示，在設計通帶414 GHz-436 GHz內(nèi)，濾波器的插入損耗均優(yōu)于1 dB，回波損耗大于12 dB。

4. 濾波器加工工藝

425 GHz濾波器采用精密機械加工技術加工而成，腔體材料為黃銅，沿標準矩形波導E面剖分為左右兩個腔體，左右腔體單獨進行機械加工。實物圖及內(nèi)部結構圖如圖5所示。

（圖5（a）425 GHz濾波器實物圖 ）

（圖5（b）425 GHz濾波器內(nèi)部結構圖）

5. 濾波器測試

太赫茲無源器件一直存在測試難的問題，羅德與施瓦茨公司推出的新一代太赫茲矢網(wǎng)擴頻模塊很好地解決了客戶的測試困難。本文中425 GHz濾波器采用羅德與施瓦茨公司的300-500 GHz矢量網(wǎng)絡分析儀進行S參數(shù)測試。300-500 GHz矢量網(wǎng)絡分析儀由較低頻率矢量網(wǎng)絡分析儀 (ZVA40) 和兩個當前最先進的矢網(wǎng)擴頻模塊ZVA-Z500搭配組成。太赫茲濾波器的測試平臺如圖6所示：

（圖6425 GHz波導濾波器測試平臺）

在如圖所示搭建好矢網(wǎng)測試平臺后，使用矢網(wǎng)擴頻模塊配件中的校準件對矢網(wǎng)進行校準，從而保證測試結果的準確性，然后將待測件接入測試平臺并進行相關測試。

利用羅德與施瓦茨公司的太赫茲矢網(wǎng)測試平臺得到的濾波器S參數(shù)測試結果如圖7所示。測試結果顯示該濾波器在416-440 GHz的通帶內(nèi)，插入損耗小于1.5 dB，回波損耗大于 10 dB。測試結果較好，與仿真結果基本一致。

（圖7 425 GHz濾波器S參數(shù)測試結果）

5. 結束語

本文介紹了太赫茲波導濾波器的設計原理，研制出一款425 GHz波導帶通濾波器，并使用羅德與施瓦茨公司的太赫茲矢量網(wǎng)絡分析儀對波導濾波器進行了測試。濾波器測試結果較好，驗證了設計方法的準確性，為未來太赫茲濾波器的研究積累了寶貴的經(jīng)驗。