一种FSS电容加载紧凑型带通滤波器

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                1  引言

                         滤波器是通讯系统、雷达系统和电子对抗系统等不可缺少的重要部件。其性能的优劣往往会直接影响整个系统的质量。近年来随着微波、毫米波技术的迅速发展，这类器件在微波、毫米波通信、微波导航、制导、遥测遥控、卫星通信以及军事电子对抗领域的需求量不断增大。特别是由于无线电通信频谱资源的日益紧张，分配到各类通信系统的频率间隔越来越密，这对无源器件，尤其是微波、毫米波收发机中前端无源器件的性能指标提出了更高的要求。体积小、性能高、成本低、加工简单且更易于大量生产是现在滤波器发展的趋势。凑型波导滤波器是微波技术领域的一个经典而又活跃的研究课题。Vlad和John Ness在2003年报告了一种采用高度减小的紧凑型波导滤波器。Rauscher也报告了一种采用介质填充和脊波导加载的紧凑型波导滤波器。本文将介绍一种采用频率选择膜片和电容柱子构成的紧凑型滤波器。
                          
                        2  凹型FSS和电容柱子加载滤的结构与设计

                         2005年Monorchio, A.; Manara, G报道了一种直接采用频率选择膜片构成的波导滤波器。工字型和其他形势的FSS结构在滤波器中也有采用。本文图1给出了一个6腔的FSS和电容柱子加载滤波器的结构示意图。该滤波器由7个凹型FSS和6个金属凸台组合而成。从左到右看柱子的长度与高度依次是lp1~lp6和h1～h6；凹型FSS膜片缝隙的宽度依次是w1~w7；整个金属柱子的宽度为24.2mm，每个长度为li的单元中包括一个电容加载金属柱和两个凹型FSS。
                          
       

               

       

                图1  滤波器的结构示意图

       

               

       

                图2  凹型膜片的结构

                          
                         作为例子，我们将设计指标规定为：滤波器的中心频率为7.8GHz，带宽为600MHz，通带内的驻波比小于1.25。通带外600MHz处抑制为45dB。根据技术指标由参考文献[6]采用切比雪夫型，计算得到该滤波器的阶数n = 6 ，其低通原型数值，g0=1, g1=0.9958, g2=1.4131, g3=1.8950, g4=1.5505, g5=1.7272, g6=0.8147, g7=1.2222。按照以上结构，我们用CST计算模拟出了一个常规的波导滤波器和凹型FSS与电容柱子加载的滤波器，其参数如表一所示。
                          
                         从表中可以看出，采用FSS与电容柱子加载后结构更加紧凑，长度减少了47.8%。
                          
                         另外在只改变（b-b1）值和金属柱高度h的情况下，利用CST计算仿真得到3种不同情况的滤波器。它们的S参数图如下图3所示。从图3中我们可以看出，在凹型FSS与金属柱子组成的电容加载滤波器中，随着凹型槽的高度b-b1值的增加，滤波器在通带内的S参数曲线改变很少，但是在通带外的抑制却逐渐变陡峭且抑制更深。在b-b1=2时可以达到-190dB。
       

                 

       

                表1  模拟得到的一个常规滤波器和
                FSS与电容柱子加载滤波器尺寸参数

       

               

       

                 

       

               

       

                图3  滤波器S参数仿真结果比较

                 
                        3  滤波器的实现与测试结果

                         图4为按照表1的参数，在b-b1=1时设计加工的实物图。两端采用法兰盘联接，中间采用一排螺钉调节谐振和耦合。
       

               

       

                图4  滤波器实物图

                          
                         下面的图5为实际测试得到的S参数曲线图。
                          
       

               

       

                图5  实际测试的S曲线

                          
                        4  结论

                         从模拟和实际加工的一款FSS和电容柱子加载的腔体滤波器可以看出，其结构紧凑。从测试的S参数图上可以看到包括联接两端法兰盘的同轴波导转接器时曲线的插损小于0.25dB。测试结果与仿真结果相吻合。这样就提供了一款结构简单、加工容易、性能良好的滤波器。