关于W波段矩形波导滤波器的设计.doc
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1、关于W波段矩形波导滤波器的设计引言随着现代通信技术的发展,对通信系统容量的需求逐渐增大。最近几年,由于低频波段和中频波段的迅速饱和,越来越多的人开始对高频波段尤其是W波段进行了相关的电磁研究1。W波段指的是频率从75 GHz110 GHz的电磁信号,在此频率波段,波导器件的研究日益成熟。研究者们已经设计了一些工作于W波段的射频器件2-4,具有一定的实用价值。微波滤波器作为电磁通信系统中的重要组件,其性能好坏直接决定了电磁通信设备与系统的性能与价值。矩形波导因其低损耗、高功率容量等优点而被广泛应用于高频电磁通信系统中,并且其尺寸在毫米波频段甚至更高频段内随着频率的增大会急剧减小5。高频滤波器尺寸
2、小,矩形波导结构简单且易于加工,因此高频矩形波导滤波器深受人们青睐。因此,开展滤波器尺寸参数与其性能指标(如总心频率、带宽、回波损耗、插入损耗、矩形系数等)之间的内在关系研究是必不可少的。基于上述需求,本文设计了一款W波段矩形波导滤波器,并使用电磁仿真软件HFSS对其结构参数进行了参数优化与仿真,研究了滤波器的性能指标与其各个结构参数之间的内在关系,为矩形波导滤波器的设计提供了新的思路,也方便了滤波器的设计与仿真,有一定的实际意义。1 结构设计1.1 整体结构设计本文设计的滤波器模型整体结构及其相关参数如图1所示。滤波器四周封闭,仅保留输入与输出接口。考虑到滤波器的中心频率,滤波器的输入输出接
3、口采用标准矩形波导端口WR-10(2.54 mm1.27 mm)连接来实现信号的传输。为便与仿真与加工,滤波器整体结构高度与WR-10矩形波导口德高度保持一致。1.2交叉耦合结构研究者已经提出了多种能实现相邻谐振腔之间能量交换的交叉耦合结构,例如CT结构、CQ结构等。交叉耦合结构的使用能在通带两侧各产生一个传输零点,提高带外抑制。CQ交叉耦合结构简单易仿真,且对本文设计的模型而言,便与加工实现。本文设计的四腔矩形波导滤波器通过使用CQ交叉耦合结构实现第1谐振腔与第4谐振腔之间的能量交换,其交叉耦合模型如图2所示。谐振腔可以等效电容或电感用来存储电场或磁场能量。电容的阻抗计算公式为:式中,C为电
4、容,当其两端加载电压U时,电流为:此时,电容的电流相位超前电压相位90。电感的阻抗计算公式为:式中,L为电感,当其两端加载电压U时,电流为:此时,电感的电流相位滞后电压相位90。故电耦合是阻抗为负纯虚数的耦合,具有+90相位差;磁耦合为阻抗为正纯虚数的耦合,具有-90相位差。滤波器可以等效为电容电感的串联,其阻抗为:易知,=0时,Z=0;0时,Z为正纯虚数;0时,Z为负纯虚数。因此,当谐振腔处于高频端时,其阻抗为正,相位差为-90,相当于电感;当谐振腔处于低频端时,其阻抗为负,相位差为+90,相当于电容。结合图2对本文设计的滤波器模型进行分析。若主耦合为容性耦合(电耦合),交叉耦合为感性耦合(
5、磁耦合),通带低端的主耦合相位差为+90-90+90-90+90-90+90=+90,通带低端的交叉耦合相位差为+90+90+90=-90+360,通带高端的主耦合相位差为-90-90-90-90-90-90-90=+90-360-360,通带高端的交叉耦合相位差为-90+90-90=-90,因此若信号幅度相等,相互抵消,会在通带低端和通带高端各产生一个传输零点。同理,若主耦合为磁耦合,交叉耦合为电耦合,通带低端的主耦合相位差为+90+90+90+90+90+90+90=-90+360+360,通带低端的交叉耦合相位差为+90-90+90=+90,通带高端的主耦合相位差为-90+90-90+9
6、0-90+90-90=-90,通带高端的交叉耦合相位差为-90-90-90=+90,因此若信号幅度相等,互相抵消,会在通带低端和通带高端各产生一个传输零点。但是当主耦合和交叉耦合都为电耦合或都为磁耦合时,主耦合和交叉耦合相位差相同,无法抵消,不会在通带两侧产生传输零点。1.3 有无交叉耦合结构仿真对比使用HFSS仿真软件对无交叉耦合结构的滤波器模型和有交叉耦合结构的模型分别进行了仿真和优化。无交叉耦合结构的滤波器模型和其S参数最终仿真结果如图3所示,含交叉耦合结构的滤波器模型及其S参数最终仿真优化结果如图4所示。通过对比图3(b)和图4(b)可以发现,加载交叉耦合结构后在通带两侧分别产生了一个
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