一种W波段超宽带波导滤波器

一种w波段超宽带波导滤波器
技术领域
1.本发明属于微波技术领域，具体涉及一种w波段超宽带波导滤波器。


背景技术：

2.随着微波技术的快速发展，频谱的使用日益拥挤，人们将研究转向于高频段的开发，已上升至太赫兹波段。当今各种通信系统必须共存于有限的电磁(em)频谱内，该频谱分配给微波频段的许多商业应用。在这种拥挤的环境中，特别是随着容量需求的增加，系统与相邻频带的干扰成为一个关键问题。为了合理利用频带资源，相关部门出台了详细频谱划分标准。其中w波段指的是频率范围在75ghz-110 ghz的电磁信号，由于该波段的信号具有超宽带未被开发的频带资源，已成为科研人员高度重视的研究方向。
3.滤波器的作用是选择性地传输特定频率信号并抑制其他频率信号。在w波段信号源扩频系统关键组件的设计中，用于频率扩展的倍频器可将37.5ghz-55ghz的基波信号倍频至75ghz-110 ghz，为了进一步提高系统的频谱特性，还需要设计出拥有良好通带特性和带外抑制特性的宽带带通滤波器，将滤波器级联在倍频源之后，可使目标信号通过，并且防止基波以及带外谐波频率的泄露。
4.目前现有的滤波器包括十阶切比雪夫响应滤波器，该滤波器采用电铸加工工艺实现低插损特性，该滤波器采用直接磁耦合的方式，通过增加滤波器阶数实现了21％的带宽，且获得了0.4db低插损；但是由于波导的结构特性，滤波器整体结构所占体积较大。一种电容加载宽带波导滤波器，通带为17.4ghz～21.6ghz，带内s11小于-20db，16.5ghz处的抑制大于56db，22.5ghz处的抑制大于46db，在24.3～35ghz之间抑制大于91db；该滤波器在膜片波导滤波器的基础上加载电容，电容加载的谐振腔的长度大大缩短，有效缩小了滤波器的体积，提高了带外抑制；但该滤波器带宽较窄，且参数较多，建模仿真时工作量较大。


技术实现要素：

5.为解决以上现有技术存在的问题，本发明提出了一种w波段超宽带波导滤波器，该滤波器结构包括腔体，所述腔体前端设置有下行滤波器端口和上行滤波器端口；腔体内部设置有谐振单元，谐振单元由九个谐振腔体组成，相邻的两个谐振腔体通过直接耦合的方式进行连接；在每个谐振腔的h面插入金属柱，实现电容加载。
6.优选的，相邻的两个谐振腔体通过直接耦合进行连接包括：每个谐振腔通过与相邻谐振腔的耦合窗口错位偏移来实现磁耦合。
7.优选的，谐振单元为关于中间第5个谐振腔的左右对称结构。
8.优选的，超宽带滤波器高度为标准的wr-10矩形波导口的高度，输入输出端口设置为标准的wr-10矩形波导口。
9.本发明的有益效果：
10.本发明采用偏移磁耦合结构加载金属柱的方式实现滤波器的设计，使得滤波器的通带范围能够覆盖整个w波段，且具有良好的矩形系数；本发明的结构由9个矩形谐振腔偏
移耦合组成，谐振腔内部插入圆形金属，且整体结构关于第5个谐振腔对称；该结构在仿真优化时参数较少，减少了设计时间，提高了设计效率。
附图说明
11.图1为本发明的w波段超宽带波导滤波器的三维结构图；
12.图2为本发明的w波段超宽带波导滤波器的平面结构图。
13.图3为本发明的w波段超宽带波导滤波器的仿真波形图。
具体实施方式
14.下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
15.本发明提出的w波段超宽带波导滤波器基于传统的耦合波导滤波器结构，改变了其耦合方式，并在次基础上加载电容，使得在低损耗的前提下，使滤波器达到44％的相对带宽，且具有小体积和良好的矩形系数。
16.一种w波段超宽带波导滤波器该结构包括耦合谐振腔和金属加载电容柱；滤波器输入输出端口为标准矩形波导wr-10，通过切比雪夫响应公式计算得出，该滤波器是一个九阶的滤波器，为了简化设计，采用了h面偏移磁耦合结构，故该结构由九个谐振腔以直接耦合分方式连接而成。为了实现滤波器的超宽带、高带外抑制和小型化，利用电容加载技术，在每个谐振腔的h面插入了不同直径的金属柱。
17.具体的，本发明中的w波段超宽带波导滤波器是基于偏移磁耦合结构，在每个谐振腔中插入金属柱实现加载电容的方式实现目标。如图1～2所示。该宽带波导滤波器由9个谐振腔组成，通过直接耦合的方式实现了切比雪夫响应。其中，每个谐振腔都工作在te101模式，且每个谐振腔通过与相邻谐振腔的耦合窗口错位偏移来实现磁耦合的。通过在每个谐振腔的h面插入金属柱实现电容的加载，金属柱的半径为r，长度为所在谐振腔的宽边长度。
18.为了便于以后的仿真设计与实际加工，该滤波器结构关于中间第5个谐振腔左右对称，且该滤波器整体高度为标准的wr-10矩形波导口的高度。其输入输出端口被设置为标准的wr-10矩形波导口尺寸(2.54mm
×
1.27mm)。
19.波导是一种具有低损耗、高带宽、低干扰等优点的传输介质，广泛应用于微波、毫米波等领域的射频电路设计中。在波导中，电磁波通过金属外壳内的反射来传输，因此波导具有低损耗和高带宽的优点。波导带通滤波器是一种选择性地传输特定频率信号并抑制其他频率信号的器件，通常由多个级联滤波器单元组成，每个滤波器单元都可以实现特定的频率响应。本发明的输入输出端口采用了适用于w波段的wr-10标准矩形波导，其尺寸为2.54mm*1.27mm，能有效通过70ghz-110 ghz的电磁波。根据切比雪夫响应函数带入指标得出，本发明的滤波器是一个9阶的滤波器，故该滤波器由9个谐振腔组成。根据算得的耦合系数调整相邻两个谐振腔的偏移量，使得仿真波形出现通带的效果。直接耦合的波导滤波器高频段的带外抑制较差，为了提高带外抑制并且减小滤波器的整体尺寸，本发明以直接耦合滤波器为原型，在波导e面插入金属柱的方式实现加载电容。这个电容的作用是让高频信
号在某个频率上被短路，从而实现带外抑制。在波导中，金属柱的作用就相当于电容，通过调整金属柱的大小和位置，可以控制金属柱与波导e面的电容值，进而实现带外抑制的效果。此外，加载电容可以减小传输线的长度，所以金属柱还可以起到减小滤波器整体尺寸的作用。
20.本发明结合了偏移磁耦合结构和加载电容技术，对滤波器整体结构进行了改进，将传统的矩形膜片加载电容改为圆柱形。在商用电磁仿真软件high frequency structure simulator(hfss)中进行电磁仿真，得出仿真波形，如图3所示，w波段超宽带波导滤波器的中心频率为90ghz，带宽可达44％，60ghz的带外抑制为78db，120ghz的带外抑制为33db，通带内回波损耗大于15db，传输系数小于0.1db。
21.以上所举实施例，对本发明的目的、技术方案和优点进行了进一步的详细说明，所应理解的是，以上所举实施例仅为本发明的优选实施方式而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内对本发明所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

技术特征：
1.一种w波段超宽带波导滤波器，包括腔体，所述腔体前端设置有下行滤波器端口和上行滤波器端口；其特征在于，滤波器为九阶滤波器，该滤波器采用h面偏移磁耦合结构，且滤波器输入输出端口为标准矩形波导wr-10；h面偏移磁耦合结构包括九个谐振腔，相邻的两个谐振腔体通过窗口错位的方式进行直接耦合；采用电容加载技术在每个谐振腔的h面插入了不同直径的金属柱。2.根据权利要求1所述的一种w波段超宽带波导滤波器，其特征在于，滤波器在工作时，每个谐振腔体均处于te101模式。3.根据权利要求1所述的一种w波段超宽带波导滤波器，其特征在于，谐振单元为关于中间第5个谐振腔的左右对称结构。4.根据权利要求1所述的一种w波段超宽带波导滤波器，其特征在于，金属柱的直径包括：第一金属柱的直径为r1＝0.1mm，第二金属柱的直径为r2＝0.158mm，第三金属柱的直径为r3＝0.17mm，第四金属柱的直径为r4＝0.2mm，第五金属柱的直径为r5＝0.238mm。

技术总结
本发明属于微波技术领域，具体涉及一种W波段超宽带波导滤波器，该滤波器结构包括谐振腔和金属加载电容，所述腔体前端设置有下行滤波器端口和上行滤波器端口；谐振单元由九个谐振腔体组成，相邻的两个谐振腔体通过直接耦合的方式进行连接；利用电容加载技术在每个谐振腔的H面插入金属柱，实现超宽带、高带外抑制和小型化；本发明的结构由9个矩形谐振腔偏移耦合组成，谐振腔内部插入圆形金属，且整体结构关于第5个谐振腔对称；该结构在仿真优化时参数较少，减少了设计时间，提高了设计效率。提高了设计效率。提高了设计效率。


技术研发人员：张波 方西 牛中乾 温渊博 王磊 周攀 曾欣然 昝林虓
受保护的技术使用者：电子科技大学重庆微电子产业技术研究院
技术研发日：2023.07.11
技术公布日：2023/8/28