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圓波導雙模濾波器的工作原理及性能

iIeQ_mwrfnet ? 來源:未知 ? 作者:伍文輝 ? 2018-04-02 09:51 ? 次閱讀

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

1、圓波導雙模濾波器的工作原理

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

圖1 圓波導中兩個相互正交的簡并模

一個雙模帶通濾波器的工作原理見圖 2所示,一個矩形波導饋入一個垂直極化的電場。

圖2 雙模帶通濾波器的工作原理

進入圓波導諧振器后,激起模式1的垂直極化場,通過一個45°的螺釘使垂直極化場產(chǎn)生了水平極化分量,激勵起模式2的水平極化場,從而實現(xiàn)了垂直極化場和水平極化場的耦合。模式2的水平極化能量可以通過一個垂直的M23耦合小窗實現(xiàn)兩個圓波導諧振器間水平極化場的耦合,依次類推便實現(xiàn)了能量在波導管中的儲存?zhèn)鬟f,實現(xiàn)濾波。

2、圓波導雙模濾波器的設計步驟

波導濾波器的設計步驟和《如何設計一個帶通濾波器》里的梳線濾波器設計步驟基本一樣,這里對設計過程就盡量簡化。實例采用一個4階11.5GHz 100MHz帶寬的切比雪夫濾波器作為實例,鏈接:https://pan.baidu.com/s/1JO_0eEG25d4rXMsws7XFTQ 密碼:xmfy

設計過程如下:

1) 本征模式確定諧振器尺寸

2) 輸入耦合窗尺寸確定

3) 12兩個極化簡并模式間的耦合螺釘深度計算(34和12對稱)

4) 23兩個波導腔間耦合窗口計算

5) 濾波器整體仿真

本征模式確定諧振器尺寸

建立圖 3所示的圓波導本征模式仿真模型,確定諧振在11.5GHz的TE11模式圓波導尺寸,由于圓波導中模式復雜,可以通過場型觀察確認模式選擇是否正確。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時延計算工具(前期分享)得到,該濾波器的輸入時延需要4.8ns,在HFSS中建立圖圖 4的模型,通過計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,可適當縮短至22mm。

圖4 輸入耦合窗口計算

12兩個極化簡并模式間的耦合螺釘深度計算(34和12對稱)

12間極化簡并模式的耦合是通過兩個模式間一顆45°的螺釘實現(xiàn)的,時延需要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:雙諧振器仿真時先任意指定一個耦合值,稍微大一些。先調(diào)諧2諧振器的頻率,將時延諧振峰值找對稱,之后在精確確定耦合尺寸。)

圖5 M12耦合螺釘尺寸確定

23兩個波導腔間耦合窗口計算

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

圖6 窗口耦合尺寸確認模型

濾波器整體仿真

經(jīng)過上述步驟的仿真后關鍵尺寸確定如表 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鍵參數(shù)。

表1 雙模濾波器關鍵尺寸表

修正S2的方法有很多,這里由于模型較簡單可以通過掃描方式直接準確找出S2的深度,經(jīng)過一次掃描可以發(fā)現(xiàn)S2深度在2.3mm時雙模濾波器性能已經(jīng)很不錯了見圖 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)提取法設計帶通濾波器》對濾波器性能進行精確調(diào)諧。實際上由于腔體濾波器的調(diào)諧范圍非常大,到這個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)波導腔實現(xiàn)了4階的濾波器。如果感興趣可以適當修改下腔體里的簡并模耦合螺釘位置,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現(xiàn)CQ式的廣義切比雪夫濾波器。文章中為了節(jié)省時間仿真時采用了很多近似,精確仿真時可能存在誤差,但不影響對雙模濾波器設計方法的了解。

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原文標題:微波筆記·圓波導雙模濾波器的設計

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