P波段腔體濾波器的小型化設(shè)計

摘 要:介紹了一種小型化的P波段腔體濾波器,通過對濾波器中諧振器的優(yōu)化設(shè)計,減小了腔體濾波器的物理尺寸,滿足了四次以上諧波要求。同時通過對諧振器的變形設(shè)計大大減小同軸腔體的電容加載尺寸,使濾波器耐功率能力和自身散熱能力得到極大提高。在P波段實現(xiàn)了濾波器小損耗、高抑制、大功率,很好地滿足了工程上的苛刻指標要求。并介紹了設(shè)計方法及其設(shè)計原理,對其特性進行了理論分析,給出了設(shè)計結(jié)果。大批量流水線生產(chǎn),無需太多調(diào)試,按首件調(diào)試后的尺寸重復(fù)裝配指標一致性好、可靠性高。

0 引言

眾所周知,濾波器是雷達系統(tǒng)中不可缺少的選頻器件之一。特別是在有源相控陣雷達系統(tǒng)中,DAM中每一個收發(fā)通道的后面都需要有一組接收預(yù)選[1]和發(fā)射濾波器。濾波器性能的好壞,直接影響雷達系統(tǒng)的抗干擾能力、對外雜散和諧波抑制能力。且一部雷達系統(tǒng)對濾波器的用量需求相當大,所以對于P波段雷達系統(tǒng)來說,研制出小體積、重量輕、駐波小、低損耗、高矩形系數(shù)和高次諧波抑制能力的濾波器尤為重要。

1 P波段濾波器的選擇與設(shè)計原理

由于本濾波器的工作頻率低、功率容量大且技術(shù)指標要求苛刻。一般的LC、介質(zhì)、聲表等濾波器可以實現(xiàn)低頻段的小型化,但很難實現(xiàn)小損耗和大功率;微帶或帶狀線濾波器可實現(xiàn)寬帶和系統(tǒng)要求的大功率,但在P波段很難實現(xiàn)小型化,導致其高次諧波抑制能力差;螺旋腔體濾波器可以實現(xiàn)小型化和大功率,但很難實現(xiàn)寬帶;只有同軸梳狀腔體濾波器可以選擇,但常規(guī)的同軸梳狀濾波器也很難實現(xiàn)高次諧波的抑制。而本文中的接收濾波器要求二次諧波、三次諧波都在80 dB以上;發(fā)射濾波器考慮到有大功率要求,濾波器的階數(shù)不宜過多,否則功率容量會受影響。

通常,同軸腔體帶通濾波器中心導體長度選擇約為λ0/2(λ0為通帶中心頻率對應(yīng)的波長),特性阻抗Zc為75Ω[2]可實現(xiàn)小損耗,接入點位置離短路面高度為L1。將六腔分解為(1,2),(2,3),(3,4),(4,5),(5,6)五對耦合腔。用5對理想耦合線表示,其單線特性阻抗Z0為75Ω。考慮到實際腔體中存在損耗,耦合線對的奇偶模阻抗分別為(Ze12,Zo12),(Ze23,Zo23),(Ze34,Zo34),(Ze45,Zo45),(Ze56,Zo56),輸入輸出線阻抗為ZIO,構(gòu)造結(jié)構(gòu)模型如圖1所示。一對互相耦合的同軸腔之間的耦合系數(shù)可以用其奇偶模特性阻抗表示為

因此,

奇偶模特性阻抗與特性阻抗Zc之間的關(guān)系為

再采用寬帶濾波器設(shè)計方法和設(shè)計思路[2-3],利用Matlab編程可快速綜合出各設(shè)計參數(shù)。將初始參數(shù)確定后,在高頻設(shè)計軟件中建立如圖2所示的仿真模型,得到濾波器的最初設(shè)計曲線。再利用其優(yōu)化功能進行圖3中的各參數(shù)優(yōu)化,優(yōu)化后尺寸僅僅是常規(guī)腔體濾波器尺寸的1/3。七階濾波器仿真結(jié)果如圖4所示,七階濾波器實測結(jié)果如圖5所示。

七階大功率濾波器大批量生產(chǎn)時指標實現(xiàn)情況:

● 通帶頻率:P波段26%帶寬

● 通帶內(nèi)插損:≤0.5 dB

● 帶外抑制:≥90 d B@48～223 MHz

≥80 dB@930 MHz～4f0

● 通帶內(nèi)駐波比:≤1.3

● 通帶內(nèi)相位一致性:優(yōu)于±3.0°(大批量)

● 通帶內(nèi)幅度一致性:≤0.4 d B(大批量)

濾波器矩形系數(shù)好,二、三、四次諧波滿足80 dB以上,無需太多調(diào)試,指標重復(fù)性好。

2 P波段大功率腔體濾波器的小型化實現(xiàn)

圖1 常見的同軸濾波器示意圖

圖2 小型化處理后的濾波器示意圖

圖3 濾波器腔體關(guān)鍵尺寸

圖4 濾波器仿真結(jié)果

圖5 濾波器駐波和幅頻特性實測曲線

濾波器的結(jié)構(gòu)比一般無源器件復(fù)雜,且種類繁多,分析起來較困難。更重要的是,帶通濾波器一般都是諧振結(jié)構(gòu),由于反復(fù)振蕩,諧振器內(nèi)的電磁場和電流比一般無源器件高許多,隨之造成損耗功率也大得多。尤其在窄帶濾波器的強諧振結(jié)構(gòu)內(nèi)部,場強往往可以達到端接傳輸線即饋線處的好幾倍。于是,帶通濾波器的功率容量問題和其他無源器件相比變得更為嚴峻和苛刻。帶通濾波器內(nèi)各諧振器排列順序、擺放位置各不相同,它們所承受的場強和產(chǎn)生的損耗也不均勻,分析帶通濾波器功率容量時必須找到對整體性能影響最大的諧振器,然后再作進一步分析。諧振器內(nèi)部的電磁波無例外地處于駐波狀態(tài),即諧振器的場分布及熱分布不像一般傳輸器件那樣沿傳播方向是均勻的。于是,不僅應(yīng)當找到對濾波器性能起最關(guān)鍵作用的諧振器,而且應(yīng)當找到該諧振器內(nèi)部的場強最大點、最熱點等關(guān)鍵位置。另一點值得特別注意的是,傳輸器件的功率容量一般僅隨工作頻率緩慢變化,而帶通濾波器的功率容量隨著自身頻率響應(yīng)發(fā)生快速變化,通帶中心、邊帶、阻帶內(nèi)的功率承載能力相差懸殊。因此,在預(yù)測帶通濾波器功率容量時,不但應(yīng)當充分利用相應(yīng)傳輸線結(jié)構(gòu)功率容量評估理論的現(xiàn)有結(jié)果,而且應(yīng)當從帶通濾波器、諧振器本身的特性入手,更有效地抓住濾波器功率容量問題的實質(zhì)。

本濾波器工作對功率容量要求高,主要考慮的工程因素有:海拔高度,駐波系數(shù),工作環(huán)境的溫度、濕度、物品污染。為確?？煽啃?再留余量3 d B。發(fā)射支路上的濾波器,所需耐功率如下:峰功率2103 W,平均功率694.1 W。

從本濾波器的指標可以分析出,要實現(xiàn)濾波器二、三、四次高次諧波必須要進行諧振器的小型化設(shè)計。而P波段的頻率低,諧振器的諧振頻率決定其體積較大,且要滿足2103 W峰功率、694.1 W平均功率要求,所以如何設(shè)計濾波器的諧振器成為本濾波器設(shè)計重點和難點。

根據(jù)系統(tǒng)分析出的功率要求,按式(4)初步設(shè)計出諧振器的腔體尺寸,再采用以下方法來減小諧振器的尺寸:

(1)濾波器開路端進行電容加載(功率容量小時諧振器的長度可與加載調(diào)諧桿尺寸相當)。

(2)諧振桿和調(diào)諧釘之間加耐功率的介質(zhì)材料,增加濾波器Q值,減小濾波器體積;同時減小調(diào)諧釘?shù)募虞d深度;另外諧振桿和調(diào)諧釘之間的距離較小,介質(zhì)加載避免了外因造成的調(diào)諧釘和諧振桿短路。

(3)根據(jù)濾波器的帶寬和階數(shù)選擇諧振器的形式,一般UIR形適合帶寬寬、階數(shù)少的情況,相同帶寬在階數(shù)較多的情況下可采用SIR形式[4-5],SIR形式可靈活控制高次諧波和縮減腔體尺寸。

(4)在方法(1)的基礎(chǔ)上進行諧振器的變形,如圖2所示的T形或U形端,T形端面和U形端面與腔體形成大電容,可進一步減小諧振器同軸電容加載深度[6],且本身的散熱效果更好。

采用上述方法實現(xiàn)了P波段濾波器的小型化,從而實現(xiàn)了高次諧波的抑制,且功率容量滿足雷達系統(tǒng)提出的苛刻指標要求。

有關(guān)文獻給出了擊穿場強的近似計算公式:

式中:

p為大氣壓強;τp為脈沖寬度;Leff為有效擴散路徑(≈2倍間隙);擊穿場強Ep=2.26×106V/m。

圖6給出了輸入端用2 800 W功率激勵時的強分布結(jié)果。圖7給出了P波段大功率濾波器的實物圖。

圖6 2 800 W激勵時濾波器場強分布仿真結(jié)果

3 結(jié)束語

本文設(shè)計了一種低頻段的大功率腔體濾波器,經(jīng)過仿真和實測結(jié)果對比表明,濾波器實現(xiàn)了結(jié)構(gòu)緊湊、通帶內(nèi)的插入損耗小且?guī)庖种坪透叽沃C波抑制能力強。在P波段實現(xiàn)了濾波器的小型化,高抑制、大功率,很好地滿足了工程上的苛刻指標需求。經(jīng)過大批量的流水線生產(chǎn)制造,按首件調(diào)試后的尺寸重復(fù)裝配指標一致性好、調(diào)試量少、可靠性高,已經(jīng)過某雷達系統(tǒng)的充分驗證。

審核編輯：湯梓紅