圓波導(dǎo)雙模濾波器的工作原理及性能

圓波導(dǎo)雙模濾波器Q值高，結(jié)構(gòu)緊湊，可以高可靠的實(shí)現(xiàn)復(fù)雜的濾波器函數(shù)特性（無需探針或耦合環(huán)等結(jié)構(gòu)），當(dāng)采用殷鋼材質(zhì)時(shí)可以實(shí)現(xiàn)超高的溫度穩(wěn)定性。所以廣泛的應(yīng)用在衛(wèi)星系統(tǒng)中。

1、圓波導(dǎo)雙模濾波器的工作原理

帶通濾波器的核心工作原理時(shí)通過適當(dāng)?shù)哪芰拷粨Q結(jié)構(gòu)（耦合）實(shí)現(xiàn)幾個(gè)互不相關(guān)的諧振器（能量儲(chǔ)存）間的能量傳遞，從而實(shí)現(xiàn)濾波功能。圓波導(dǎo)工作的主模是TE11模，由于圓波導(dǎo)的對(duì)稱性，當(dāng)利用圓波導(dǎo)作為諧振器時(shí)，在一個(gè)圓波導(dǎo)的腔體內(nèi)包含兩個(gè)相互正交（無能量交換）的極化簡(jiǎn)并模如圖 1所示，這就類似于兩個(gè)無能量交換的同頻率諧振器，這樣就可以用一節(jié)諧振器的體積實(shí)現(xiàn)兩個(gè)諧振器的功能，從而可以減小波導(dǎo)濾波器的體積。

圖1 圓波導(dǎo)中兩個(gè)相互正交的簡(jiǎn)并模

一個(gè)雙模帶通濾波器的工作原理見圖 2所示，一個(gè)矩形波導(dǎo)饋入一個(gè)垂直極化的電場(chǎng)。

圖2 雙模帶通濾波器的工作原理

進(jìn)入圓波導(dǎo)諧振器后，激起模式1的垂直極化場(chǎng)，通過一個(gè)45°的螺釘使垂直極化場(chǎng)產(chǎn)生了水平極化分量，激勵(lì)起模式2的水平極化場(chǎng)，從而實(shí)現(xiàn)了垂直極化場(chǎng)和水平極化場(chǎng)的耦合。模式2的水平極化能量可以通過一個(gè)垂直的M23耦合小窗實(shí)現(xiàn)兩個(gè)圓波導(dǎo)諧振器間水平極化場(chǎng)的耦合，依次類推便實(shí)現(xiàn)了能量在波導(dǎo)管中的儲(chǔ)存?zhèn)鬟f，實(shí)現(xiàn)濾波。

2、圓波導(dǎo)雙模濾波器的設(shè)計(jì)步驟

波導(dǎo)濾波器的設(shè)計(jì)步驟和《如何設(shè)計(jì)一個(gè)帶通濾波器》里的梳線濾波器設(shè)計(jì)步驟基本一樣，這里對(duì)設(shè)計(jì)過程就盡量簡(jiǎn)化。實(shí)例采用一個(gè)4階11.5GHz 100MHz帶寬的切比雪夫?yàn)V波器作為實(shí)例，鏈接：https://pan.baidu.com/s/1JO_0eEG25d4rXMsws7XFTQ 密碼：xmfy

設(shè)計(jì)過程如下：

1) 本征模式確定諧振器尺寸

2) 輸入耦合窗尺寸確定

3) 12兩個(gè)極化簡(jiǎn)并模式間的耦合螺釘深度計(jì)算（34和12對(duì)稱）

4) 23兩個(gè)波導(dǎo)腔間耦合窗口計(jì)算

5) 濾波器整體仿真

本征模式確定諧振器尺寸

建立圖 3所示的圓波導(dǎo)本征模式仿真模型，確定諧振在11.5GHz的TE11模式圓波導(dǎo)尺寸，由于圓波導(dǎo)中模式復(fù)雜，可以通過場(chǎng)型觀察確認(rèn)模式選擇是否正確。通過仿真，諧振器尺寸大概為半徑R=9.5mm，長度L=22.3mm。

圖3 本征模式確定諧振器尺寸

輸入耦合窗尺寸確定

通過excel時(shí)延計(jì)算工具（前期分享）得到，該濾波器的輸入時(shí)延需要4.8ns,在HFSS中建立圖圖 4的模型，通過計(jì)算可以的得到耦合窗口的尺寸為LM01=11.5mm。諧振器由于耦合窗的作用尺寸偏長，可適當(dāng)縮短至22mm。

圖4 輸入耦合窗口計(jì)算

12兩個(gè)極化簡(jiǎn)并模式間的耦合螺釘深度計(jì)算（34和12對(duì)稱）

12間極化簡(jiǎn)并模式的耦合是通過兩個(gè)模式間一顆45°的螺釘實(shí)現(xiàn)的，時(shí)延需要7.8ns，在HFSS中建立圖 5所示的模型，通過仿真，找出M12耦合螺釘?shù)拈L度M12=1.6mm。（小技巧：雙諧振器仿真時(shí)先任意指定一個(gè)耦合值，稍微大一些。先調(diào)諧2諧振器的頻率，將時(shí)延諧振峰值找對(duì)稱，之后在精確確定耦合尺寸。）

圖5 M12耦合螺釘尺寸確定

23兩個(gè)波導(dǎo)腔間耦合窗口計(jì)算

23耦合屬于兩個(gè)波導(dǎo)腔中同極化模式的耦合，群時(shí)延大小需要14ns，可以用圖 6所示的模型來確定23耦合窗口的大小，經(jīng)過計(jì)算M23=8.3mm。

圖6 窗口耦合尺寸確認(rèn)模型

濾波器整體仿真

經(jīng)過上述步驟的仿真后關(guān)鍵尺寸確定如表 1所示。在HFSS中建立完整的雙模濾波器仿真模型，大部分的尺寸都由前面幾步的仿真確定了，但模式2的頻率由于23窗口耦合因素沒有考慮，螺釘深度不確定，現(xiàn)階段S2深度是影響濾波器性能的關(guān)鍵參數(shù)。

表1 雙模濾波器關(guān)鍵尺寸表

修正S2的方法有很多，這里由于模型較簡(jiǎn)單可以通過掃描方式直接準(zhǔn)確找出S2的深度，經(jīng)過一次掃描可以發(fā)現(xiàn)S2深度在2.3mm時(shí)雙模濾波器性能已經(jīng)很不錯(cuò)了見圖 7所示。如果追求完美可以通過調(diào)諧，優(yōu)化，或者參考之前的《參數(shù)提取法設(shè)計(jì)帶通濾波器》對(duì)濾波器性能進(jìn)行精確調(diào)諧。實(shí)際上由于腔體濾波器的調(diào)諧范圍非常大，到這個(gè)階段后就沒有必要精確仿真了。

通過結(jié)果可以看到，我們通過兩節(jié)波導(dǎo)腔實(shí)現(xiàn)了4階的濾波器。如果感興趣可以適當(dāng)修改下腔體里的簡(jiǎn)并模耦合螺釘位置，把腔體間的窗口改成十字槽，可以發(fā)現(xiàn)這種濾波器很容易實(shí)現(xiàn)CQ式的廣義切比雪夫?yàn)V波器。文章中為了節(jié)省時(shí)間仿真時(shí)采用了很多近似，精確仿真時(shí)可能存在誤差，但不影響對(duì)雙模濾波器設(shè)計(jì)方法的了解。