一種FSS電容加載緊湊型帶通濾波器

1 引言

濾波器是通訊系統、雷達系統和電子對抗系統等不可缺少的重要部件。其性能的優劣往往會直接影響整個系統的質量。近年來隨著微波、毫米波技術的迅速發展，這類器件在微波、毫米波通信、微波導航、制導、遙測遙控、衛星通信以及軍事電子對抗領域的需求量不斷增大。特別是由于無線電通信頻譜資源的日益緊張，分配到各類通信系統的頻率間隔越來越密，這對無源器件，尤其是微波、毫米波收發機中前端無源器件的性能指標提出了更高的要求。體積小、性能高、成本低、加工簡單且更易于大量生產是現在濾波器發展的趨勢。湊型波導濾波器是微波技術領域的一個經典而又活躍的研究課題。Vlad和John Ness在2003年報告了一種采用高度減小的緊湊型波導濾波器。Rauscher也報告了一種采用介質填充和脊波導加載的緊湊型波導濾波器。本文將介紹一種采用頻率選擇膜片和電容柱子構成的緊湊型濾波器。

2 凹型FSS和電容柱子加載濾的結構與設計

2005年Monorchio, A.; Manara, G報道了一種直接采用頻率選擇膜片構成的波導濾波器。工字型和其他形勢的FSS結構在濾波器中也有采用。本文圖1給出了一個6腔的FSS和電容柱子加載濾波器的結構示意圖。該濾波器由7個凹型FSS和6個金屬凸臺組合而成。從左到右看柱子的長度與高度依次是lp1~lp6和h1～h6；凹型FSS膜片縫隙的寬度依次是w1~w7；整個金屬柱子的寬度為24.2mm，每個長度為li的單元中包括一個電容加載金屬柱和兩個凹型FSS。

圖1 濾波器的結構示意圖

圖2 凹型膜片的結構

作為例子，我們將設計指標規定為：濾波器的中心頻率為7.8GHz，帶寬為600MHz，通帶內的駐波比小于1.25。通帶外600MHz處抑制為45dB。根據技術指標由參考文獻[6]采用切比雪夫型，計算得到該濾波器的階數n = 6 ，其低通原型數值，g0=1, g1=0.9958, g2=1.4131, g3=1.8950, g4=1.5505, g5=1.7272, g6=0.8147, g7=1.2222。按照以上結構，我們用CST計算模擬出了一個常規的波導濾波器和凹型FSS與電容柱子加載的濾波器，其參數如表一所示。

從表中可以看出，采用FSS與電容柱子加載后結構更加緊湊，長度減少了47.8%。

另外在只改變（b-b1）值和金屬柱高度h的情況下，利用CST計算仿真得到3種不同情況的濾波器。它們的S參數圖如下圖3所示。從圖3中我們可以看出，在凹型FSS與金屬柱子組成的電容加載濾波器中，隨著凹型槽的高度b-b1值的增加，濾波器在通帶內的S參數曲線改變很少，但是在通帶外的抑制卻逐漸變陡峭且抑制更深。在b-b1=2時可以達到-190dB。

表1 模擬得到的一個常規濾波器和
FSS與電容柱子加載濾波器尺寸參數

圖3 濾波器S參數仿真結果比較

3 濾波器的實現與測試結果

圖4為按照表1的參數，在b-b1=1時設計加工的實物圖。兩端采用法蘭盤聯接，中間采用一排螺釘調節諧振和耦合。

圖4 濾波器實物圖

下面的圖5為實際測試得到的S參數曲線圖。

圖5 實際測試的S曲線

4 結論

從模擬和實際加工的一款FSS和電容柱子加載的腔體濾波器可以看出，其結構緊湊。從測試的S參數圖上可以看到包括聯接兩端法蘭盤的同軸波導轉接器時曲線的插損小于0.25dB。測試結果與仿真結果相吻合。這樣就提供了一款結構簡單、加工容易、性能良好的濾波器。