毫米波E面金屬膜片窄帶濾波器的研究與設計

摘要：傳統波導濾波器是由普通電抗元件組成，其結構復雜，調試困難，成本高，不利于大批量生產。而平面電路濾波器可以在完成同等電性能的同時，克服以上缺點。本文用模式匹配和網絡級聯的方法對其進行了詳細的分析，闡述了E面膜片波導濾波器的工作原理，給出了具體設計方法。最后用這種方法設計出一款工作于Ka波導的波導帶通濾波器，并加工了實物進行測試。
關鍵詞：E面膜片波導濾波器；帶通濾波器；毫米波

微波濾波器是微波系統中用來分離或組合各種不同頻率信號的重要元件，在微波毫米波通信，衛星通信，雷達，導航等各個領域都有著廣泛的應用。它的性能直接決定了其所在微波系統的質量。波導型濾波器是它的一個重要分支。最常見的也是文獻中寫的最多的波導型濾波器是并聯電感耦合型帶通濾波器和E面膜片濾波器，但是由于并聯電感耦合型帶通濾波器分離的結構太多，膜片在加工精度上難以保證，抗振性能差，膜片調節起來也不方便；而E面膜片濾波器結構簡單，能獲得較高的Q值和較好的濾波特性，設計精度高，易于批量生產。所以本文最終選擇了E面金屬膜片波導帶通濾波器。
國外在80年代開始就使用模式匹配法來計算E面膜片的S參數，利用網絡級聯的方法將E面膜片和波導段的S參數級聯起來，得到總的濾波器的S參數，進行優化得到濾波器的尺寸。模式匹配法是一種高精度的數值解法，它通過考慮不連續性附近的高次模和金屬膜片厚度對散射參數的影響，從而更準確地分析波導不連續性結構。它的計算量相當大，但在如今計算機迅猛發展，這都已經不是問題。
本文用模式匹配和網絡級聯的方法對矩形波導E面金屬膜片濾波器進行分析，并通過軟件進行綜合設計和仿真驗證，給出了設計實例。

1 基本原理
如圖1所示就是E面金屬膜片濾波器的結構圖。它的基本外形是每隔一段空波導，在矩形波導中央的E面插入一塊與E面平行的金屬膜片，膜片的個數，每個膜片的長度還有所隔空波導的長度都是根據實際指標要求來計算完成的。其中，膜片起耦合作用，相鄰膜片之間構成諧振腔，通過諧振腔的耦合構成波導帶通濾波器。

由圖可以看出，不連續性結構只發生在x方向上，由于波導一般都是主模傳輸，而TE10在不連續性附近只能激勵起TEm0模，不能激勵起TEmn(n≠0)模和TMmm模。