加载周期性脊波导的E面滤波器

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                1  引言

                         E面插片波导滤波器由于损耗小、高Q值，成本低，加工方便，适合批量生产从而得到广泛的应用。尽管有很多优点，但是也存在着带外衰减缓慢，阻带较窄，有时尺寸过大等缺点，限制了它在很多地方的应用。为了克服E面插片波导滤波器的缺点，本文提出了一种新型的具有高度选择性的滤波器结构，即将E面插片波导和脊波导结合起来，在E面插片滤波器的谐振器中嵌入周期性的脊波导结构，实现了带外衰减快，尺寸小的特点。
                          
                         不同类型的周期性结构具有不同的特性，一直以来都是热点研究课题。在滤波器中加入周期性结构就可以使得滤波器具有尺寸减小，提高带外衰减的效果。这是由于周期性结构的慢波效应引起的：相对于在均匀传输线中传播的波，慢波的相速和波导波长明显的减小了，因此半波长谐振器的长度也相应的减小。同时由于慢波的散射关系，实现了带外衰减特性的提高。
                          
                         E面插片波导和脊波导组成的周期性结构是一种很容易实现的结构，如图1所示，在E面插片滤波器的谐振器中级联具有等间隙的脊波导，用这种周期性结构代替矩形波导中的谐振器。本文提出的新结构和标准E面插片滤波器很相似，除了具有E面插片滤波器的一般优点外，还具有带外衰减快，尺寸小的优点。
                          
       

               

       

               

       

                图1  加载脊波导的E面滤波器

                          
                        2  理论分析

                         对于本文的新滤波器结构，将其分成两个模块进行分析，E面插片模块和矩形波导-双脊波导模块，主要的分析方法是模式匹配法。E面插片结构的模型如图2所示，膜片的厚度为t，长度为w，横截面为a*b，插片平面与波导窄边平行。
                          
       

               

       

                图2  E面插片结构

                          
                         由于不连续性在x方向，y方向上是连续的，所以受TE10模激励时，在不连续处只会激励TEm0模式。将各区域中沿+Z和-Z方向传播的所有模式考虑在内，当 和 时，I区和II区、I区和III区在分界面Z=0处的横向电场和磁场满足边界条件的连续性，从而通过模式展开求解膜片结构的散射参数，具体计算过程可参考相关文献。
                          
                         脊波导结构的模型如图3所示，脊波导中TE和TM模式都存在，其最低模式的场结构与矩形波导中的主模很相似，只是在凸出部分的电场更为集中，棱角处有不均匀的电场，而在脊的两侧磁场也更为集中。由于凸缘的作用，相当于将矩形波导的宽边加大，因此其最低模的截止波长更长，与次低模的截止波长相差也就更大，因此单模工作的频带更宽，即在同一频率的情况下，脊波导的尺寸更小。
                          
       

               

       

                图3  脊波导结构

                          
                         在分析脊波导时，首先采用横向谐振法求得截止波数Kc及本征函数，确定基模和高次模的场分布，接着应用模式匹配法计算出脊波导结构的散射参数。这些方法都是经典方法，这里不给出具体的表达式。
                         将脊波导的分析结果应用到矩形波导-脊波导结构中，矩形波导-双脊波导的结构如图4所示，Z＜0的区域为矩形波导，Z＞0的区域为脊波导区域，对该不连续性结构的分析可参照前面E面插片模型的分析方法，应用双端口网络的模式匹配法计算出该结构的散射参数。
                          
       

               

       

                图4  矩形波导-双脊波导模型

                          
                         周期性结构是由矩形波导-双脊波导模块等间隙组成的，整个滤波器结构可以看成是E面插片模块和周期性结构级联而成。
                 
                        3  数值结果与比较

                         本文给出了几组3阶新型滤波器结构的设计实例，并和相对应的标准E面插片波导滤波器进行了比较。在用模式匹配法对E面插片波导滤波器进行分析时，取20个 模式，对于加载周期性结构的新型滤波器分析时，取25个TE和TM的奇数模式，用Matlab编程进行分析计算。表1为K波段宽带波导带通滤波器的数据，表2为X-波段宽带波导带通滤波器的数据。所有插片和脊的厚度都是0.25mm，在新结构滤波器中，lr1=lr2。
                          
                         由模式匹配法分别得到表1和表2两组滤波器的S参数曲线如图5和图6所示。
                          
       

                表1  K波段宽带带通滤波器（单位：mm）

       

	E面滤波器	新结构滤波器
a	15.799	15.799
b	7.899	7.899
w1	1.3	0.44
w2	4.44	3
lr1	6.16	4
lr2	5.99	s1=7.899
		s2=2.5
		d1=0.5
		d2=0.25
总长度	39.12	18.92
	尺寸减小了50%

       

                表2  X波段宽带带通滤波器（单位：mm）

       

	E面滤波器	新结构滤波器
a	22.86	22.86
b	10.16	10.16
w1	0.34	0.2
w2	3.14	3
lr1	9.36	8
lr2	9.26	s1=10.16
		s2=5
		d1=1
		d2=0.5
总长度	34.94	30.4
	尺寸减小了15%

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