1、第 卷第期杭 州 电 子 科 技 大 学 学 报（自然科学版）年月 （）：一种圆波导 模 滤波器张治强，胡随，侯恩东，王明才，丁一杰，张忠海（西北核技术研究所，陕西 西安 ；杭州电子科技大学电子信息学院，浙江 杭州 ）收稿日期：基金项目：国家电磁环境重点实验室资助项目（）作者简介：张治强（），副研究员，研究方向：高功率微波技术。：。摘要：设计了一种基于环形波导耦合结构的圆波导 模高功率微波（，）滤波器，主要由圆波导半波长谐振器以及半径更大的圆波导耦合窗组成。根据耦合谐振理论得出目标 模滤波器的外部值以及谐振腔之间的耦合系数，再根据波导结构尺寸和谐振频率、耦合系数、外部值三者之间的映射关系得到滤
2、波器尺寸初值，仿真优化确定最终滤波器尺寸，有效提高了圆波导高次模滤波器的设计速度。设计了一款工作频率在 的 模滤波器，并进行数值模拟实验，结果表明，采用 直径圆波导实现的 模圆波导滤波器具有 的功率容量。关键词：高功率微波；模；滤波器；圆波导中图分类号：文献标志码：文章编号：（）引言高功率微波（，）技术广泛应用于雷达以及探测等领域。为了满足高功率传输的需求，一般采用波导实现其中的滤波器。圆波导的主模为 模，模式是其高次模，圆波导工作于 模时，其电场分布呈轴对称形式。当工作频率较高时，由于电场与波导内壁平行，圆波导 模长距离传输具有较低的损耗，常用于回旋行波管的输出。圆波导 模滤波器为圆波导 模
3、传输系统中的关键部件，不仅要有优异的通带传输性能，还要有较高的功率容量。现有公开文献中，对圆波导 模 滤波器的研究较少，一般有种方法可实现圆波导 模滤波器。第种为经典的 模滤波器结构，采用二分之一波长波导谐振腔，并在圆波导谐振腔之间引入金属圆环膜片用于实现谐振腔间的耦合。由于圆环金属膜片的孔直径小于圆波导直径，因此实现的功率容量偏低。第种采用在圆波导中插入介质片的形式实现圆波导 模滤波器。由于介质片的存在，降低了 模滤波器的容量。第种方法与第种方法类似，采用半径更大的圆形波导耦合窗实现谐振腔之间的耦合。这种方法除了具有良好的通带特性外，还具有较高的功率容量。采用第种方法实现的圆波导 模滤波器中
4、，一般通过模式匹配等方法推导出 模滤波器的尺寸初值，再对滤波器进行整体尺寸优化从而获得符合要求的滤波器。该方法比较适合处理规则形状的圆波导构成的 模滤波器。为了调节耦合系数等参数采用非标准结构圆波导，或者添加调谐柱等结构时，采用该方法会给模式匹配法带来非常大的困难。为此，本文设计了一种圆波导 模 滤波器。运用 模滤波器设计中使用的谐振耦合理论，通过建立滤波器的耦合系数和值与波导尺寸之间的映射关系得到 模圆波导滤波器的尺寸初值，再经过优化得到最终的滤波器尺寸，避免了复杂的公式推导，提高了圆波导 模滤波器的设计效率。谐振耦合滤波器谐振耦合模型一般应用于 模滤波器的设计，其电路模型如图所示。图谐振耦
5、合滤波器的电路模型图中，串联谐振器决定整个滤波器的工作频率，表示等效电感，表示等效电容，和分别表示输入和输出负载电阻，变换器实现谐振器之间的耦合。谐振器一般为同轴腔、波导腔以及微带线等分布式结构。其中的变换器即代表耦合系数，（），（）（）式中，为第和第个谐振腔之间的耦合系数，为输入输出的外部值信息；为第个和第个谐振腔间的耦合电抗；为阻抗，下标 表示输入端，即为输入阻抗；为根据滤波器性能指标计算出来的滤波器归一化低通原型值，一般可通过查询低通原型表获得；和分别表示工作带宽和中心频率，表示相对带宽。采用谐振耦合模型实现滤波器时，一般是先根据滤波器的指标要求来确定滤波器的中心频率，再根据带宽和中心频
6、率确定变换器的参数值，最后确定各谐振器之间的耦合系数。使用场仿真电磁软件建立滤波器结构模型时，计算不同波导结构尺寸与外部值、谐振频率以及耦合系数这个参数的关系。根据滤波器的工作中心频率确定谐振器的尺寸，根据耦合系数确定耦合结构的尺寸，得到尺寸初值，并对尺寸初值进行优化，实现符合指标要求的滤波器。圆波导 模 滤波器本文设计的圆波导 模滤波器的结构如图（）所示，根据 模的传输特点，电磁波在滤波器内传输时，滤波器不同截面的 模电场强度分布如图（）所示。图圆波导 模滤波器结构及场型图第期张治强，等：一种圆波导 模 滤波器图 段不同厚度下，半径与输入输出值之间的关系图中，模滤波器的结构左右对称，尺寸单位
7、为。和 为滤波器的输入和输出端口，以及 段为耦合结构，和 段为谐振腔，长度为二分之一波导波长。段圆波导的尺寸决定了滤波器与外界耦合量的大小，因此，提取 之间的单 耦合腔结构，使用场仿真软件改变 段的厚度和半径，计算得到不同尺寸下的 段结构对应的输入输出值。设定中心频率为 时，计算得到 段耦合结构的尺寸和输入输出值之间的关系如图所示，其中为 段圆波导的厚度，为 段圆波导的半径。从图可以看出，增大 段耦合腔的半径和厚度都会导致值增加，此时的输入输出值在 图 段不同厚度下，半径与耦合系数之间的关系之间变化，同一个值可以对应不同的 段尺寸。如果继续加大尺寸的变化范围，预计值会有更大的变化范围。同理，段
8、圆波导的尺寸决定了滤波器谐振腔之间耦合量的大小。提取 之间的单 谐振腔结构，使用场仿真软件改变 段的厚度和半径，计算得到不同尺寸下的 段结构对应的腔间耦合系数。设定中心频率为 时，计算得到 段耦合结构的尺寸和谐振腔之间耦合系数的关系如图所示，其中为 段圆波导的厚度，为 段圆波导的半径。从图可以看出，增大 段厚度或者半径都会导致耦合系数减小，耦合系数在 之间变化。如果继续加大尺寸的变化范围，预计耦合系数会有更大的变化范围。数值模拟与分析本文设计了一款工作于 的 模滤波器，具有个谐振器。根据谐振耦合模型计算得到输入输出值为 ，谐振腔间的耦合系数为 ，谐振腔长度为二分之一波导波长。图 段不同尺寸下，
9、频率和传输系数的关系由图可以看出，值为 时，段圆波导的厚度应为 ；由图可以看出，谐振腔耦合系数为 时，段圆波导厚度应为 。结合图的数据，初步选择 段 ，。因为 段 选 择 范 围 较 广，所 以 初 步 选 择 ，同时以 步进减小，以步进增大，得到组耦合系数接近的不同尺寸数据，在 仿真软件中，采用频域求解器对这组尺寸数据进行数值模拟，结果如图所示。从图可以看出，虽然这组 段尺寸所产生的传输系数的频率都在 ，但带宽和最高点效率不同，在此基础上，选择其中最优数据（，杭州电子科技大学学报（自然科学版）年 ）的结果，并对半径进行微调，进一步匹配耦合系数，优化传输效率，得到波导滤波器最终尺寸如图标注所示
10、，其中最大直径为 。其传输特性如图所示。图圆波导 模滤波器的传输特性从图可以看出，通带频率范围为 时，本文设计的圆波导 模 滤波器的传输系数大于 。通过模拟仿真得到本文设计的结构圆波导 模滤波器的电场分布，输入输出端口的电场矢量分布如图所示。图圆波导 模滤波器端口电场矢量分布从图可以看出，圆波导 模 滤波器的端口电场矢量指向圆周方向，且只有个周期，可见滤波器工作在 模式。当输入功率为 时，本文设计的圆波导 模 滤波器的内部场强分布如图所示。图圆波导 模滤波器内部场强分布从图可以看出，当滤波器端口注入功率为 时，其内部最大场强为 。功率容量的计算公式如下：第期张治强，等：一种圆波导 模 滤波器
11、（）（）式中，为功率容量，为击穿场强，为内部最大场强，为注入功率。按照真空中的击穿场强 计算，得出圆波导 模 滤波器的功率容量为 。结束语本文根据高功率微波系统的特性要求，基于二分之一圆波导谐振腔以及环形耦合结构，采用谐振耦合模型设计了一种工作于波段的圆波导 模 滤波器，实现了较高的功率容量以及优异的传输系数。本文设计中，避免了复杂的公式推导，方法简单，可推广到 模滤波器的设计中。但是，本文的结构设计在 以上的相对带宽上，并没有特别突出的表现，后续将针对如何增加带宽展开系统性研究。参考文献王强，郭凯，杨春，等 弯头切比雪夫设计方法太赫兹科学与电子信息学报，（）：，（）：，（）：李佳伟高功率微波脉冲合成技术研究合肥：中国科学技术大学，高美丽，赵永久，翟阳文矩形波导谐振膜片的分析及其应用 第十三届全国微波能应用学术会议论文集，：，（）：，（）：甘本祓，吴万春现代微波滤波器的结构与设计（上册）北京：科学出版社，：王乾高效率弯曲圆波导模式变换器的研究成都：电子科技大学，（.，；.，）：（），：；杭州电子科技大学学报（自然科学版）年