0 引言

    随着无线通信系统的快速发展，对如何进一步提高电路性能、减轻电子器件的体积以及提高工作频率等提出了更高的要求。滤波器作为通信系统重要的器件之一，其性能优劣对系统有着很大影响。消失模波导滤波器以其结构紧凑、带外抑制度高、损耗低及可靠性高等优点而广泛应用于卫星通信、电子对抗等领域^[1-3]。消失模波导滤波器较传统腔体滤波器最显著的特点是具有宽阻带和体积小，其阻带宽度和消失模波导尺寸有着紧密联系。SOTO P^[4]对消失模波导滤波器中各参数尺寸对滤波器各项性能影响做了比较系统的分析，并提出了消失模波导带通滤波器的权衡设计方法。

    本文工作主要是在消失模波导带通滤波器基础上研究进一步展宽其阻带宽度。首先简单介绍了消失模波导的基本特性以及通过加载容性柱设计了Ku波段窄带滤波器，最后通过电磁仿真软件HFSS（High Frequency Structure Simulator）着重分析了在空载段波导加载微扰金属柱对滤波器阻带性能的影响。

1 消失模波导带通滤波器设计

1.1 消失模波导特性分析

    消失模波导是指工作在截止频率以下的波导，根据波导的基本理论可以得到，在理想情况下，在截止频率以下，波导内只有能量的存储，没有能量传输。这里理想情况指：波导壁的电导率无穷大、填充介质无损耗、波导无穷长或终端匹配。但在现实中这种理想情况是不存在的，因此，尽管电磁场在波导内处于消失态，但仍具有波动性，可以传输有功功率。

    对于TE模，消失模波导的波特性阻抗是电抗性，如果在波导内加载适当的电容结构，可以形成单个谐振器。如果加载多个电容结构可形成带通滤波器。其中，加载电容端为谐振单位，空载段的截止波导为耦合结构。图1给出了一端消失模波导加载电容结构TE模的等效电路图。

1.2 五阶消失模波导带通滤波器设计

    通过在消失模波导中加载具有电容性质的金属块设计了一款带通滤波器，中心频率为12.5 GHz，相对带宽4%。滤波器结构如图2所示，中间消失模波导加载了5个相同金属柱，两端连接输入输出耦合波导，耦合波导与消失模波导等高，这样减少波导端面不连续带来的反射，使信号更好地过渡到消失模波导中，采用同轴探针方式馈电，金属柱的中心和同轴探针在滤波器的水平中心轴线上。

    在滤波器设计过程中，首先要确定消失模波导的宽边we和窄边 h，宽边越小，波导的截止频率越高，这里消失模波导尺寸可根据文献[5]中的设计步骤确定，本例中取宽边w_e=9 mm，h=5 mm。然后在HFSS仿真软件中建立图3模型，利用其本征求解模式计算谐振频率，通过调节金属柱的尺寸使谐振频率为滤波器的中心频率。根据切比雪夫滤波器耦合矩阵的综合方法[6]确定五阶切比雪夫滤波器的归一化耦合矩阵M，如下所示。

    谐振器之间的耦合系数k_ij可由式(1)求得：

其中FBW为滤波器的相对带宽，m_ij为归一化耦合矩阵中对应的元素。在HFSS软件中建立求两个谐振器之间耦合系数的模型，使仿真计算的耦合系数值等于理论计算值k_ij。最终的仿真优化结果如图4所示，从图中可以看出设计的滤波器在14 GHz～20 GHz的S₂₁在-70 dB以下，在21 GHz、21.75 GHz和22.7 GHz处突起。

2 加载微扰金属柱的消失模波导带通滤波器设计

    消失模波导加载容性金属柱可以作为一个谐振器单元，而加载容性金属柱之间的空载波导作为谐振器之间的耦合结构，由上面的等效电路可知，谐振器之间的耦合为电感耦合。

    如图5所示，通过在空载波导加载小金属柱改变谐振器之间的耦合结构，使原来的电感耦合变成具有电感电容的混合耦合。加载的微扰金属块对每个谐振器单元谐振频率几乎没有影响，只是改变了相邻谐振器单元之间的耦合结构，为了使带内特性与未加载微扰金属柱的滤波器一致，只需调节相邻金属柱之间的距离使耦合强度保持不变。

    图6给出了微扰金属柱加载在柱2和柱4之间的滤波器的结构参数，滤波器关于柱3中心线对称，增大柱2和柱3之间的距离d_23来平衡微扰金属柱加载带来的耦合强度的变化。微扰金属柱的加载位置也可以在柱1和柱2之间、柱4和柱5之间。

    通过HFSS软件仿真优化，比较这两种不同加载位置对滤波器阻带的影响，滤波器的S参数仿真结果如图7所示，滤波器Ⅰ：图5所示的滤波器；滤波器Ⅱ：在柱1和柱2、柱4和柱5之间加载微扰金属柱的滤波器。从仿真结果可以看出，滤波器Ⅰ在带外19 GHz附近S₂₁有突起，S₂₁值为-16 dB，而滤波器Ⅱ在带外18.5 GHz附近和22.5 GHz处S₂₁突起，但其值仍可达到-22 dB以下。和图2所示的未加载微扰金属柱滤波器相比可知，虽然加载微扰金属柱使滤波器在18.5 GHz附近S₂₁略有突起，但此法有效抑制了原始的第一寄生通带内21 GHz、21.75 GHz和22.7 GHz处的突起，从而起到了宽展阻带的效果。

3 测量与分析

    为了验证设计的准确性，对图5所示的滤波器进行了加工测量，滤波器的参数尺寸在表1列出。

    滤波器的测量结果如图8(a)、图8(b)所示，带内插损为0.5 dB左右，带内 S₁₁在-16 dB以下。滤波器在14 GHz～18 GHz抑制可达60 dB以下，在14 GHz～36 GHz抑制均在20 dB以下，实测结果与仿真结果一致。

4 结论

    本文研究了如何提高消失模波导带通滤波器的阻带性能，通过在空载段波导加载微扰金属柱可以优化滤波器的带外性能。最后，设计了一个Ku波段的五阶消失模波导带通滤波器，测量结果表明采用加载微扰金属柱的方法有效地抑制了第一寄生通带内的毛刺突起，并且阻带至三倍频内抑制均在20 dB以下。

参考文献

[1] SNYDER R.New application of evanescent mode waveguide to filter design，IEEE Trans-MTT，1977，25(12)：1013-1021.

[2] Zhu Wei，Jia Baofu，Zhang Xiaoqin.The novel design of wide-band evanescent mode waveguide bandpass Filter，ICECC 2011：2940-2943.

[3] 杜勇.消失模波导滤波器及正交耦合模的设计[D].西安：电子科技大学，2008.

[4] SOTO P，LLANOS D D，BORIA V E，et al.Performance analysis and comparison of symmetrical and asymmetrical configurations of evanescent mode ridge waveguide filters，Radio Science，2009，44(6)：1-16.

[5] SOTO P，LLANOS D D，BORIA V E，et al.Efficient analysis and design strategies for evanescent mode ridge waveguide filters，Proceedings of 36th European Microwave Conference，2006：1095-1098.

[6] RICHARD J CAMERON.General coupling matrix synthesis methods for chebyshev filtering functions，IEEE Trans-MTT，1999，47(4)：433-442.

作者信息：

李  坤，屈德新，钟兴建，陈  正

（解放军理工大学 通信工程学院，江苏 南京210007）