范如东 万开奇 陈永任 袁杰
摘 要 利用波导具有传播多种模式的特性实现波导滤波器的小型化。本文中双模腔体中的谐振块由两个呈十字型排列的矩形脊构成，其中一个直角通过倒角变为45°。通过这种结构，两种简并模式可以沿着正交方向产生耦合。据此，利用简并模式及交叉耦合的特点，设计了一种结构新颖的四阶双模脊波导带通滤波器，中心频率在13GHz，仿真结果达到理想要求，证明了这种设计的有效性。
关键词 双模滤波器;交叉耦合;脊波导
中图分类号： TN713文献标识码： A
DOI：10.19694/j.cnki.issn2095-2457.2020.02.015
0 引言
波滤波器在现代通信系统中占据着重要的位置，是用来分离需要频率信号的重要器件。波导滤波器具有插入损耗低、功率容量大和容易批量生产的特点，由于其工作频率可以达到毫米波波段，主要用于卫星通讯、电子对抗和雷达系统。所以，波导滤波器的尺寸及重量成为其主要缺点，常利用在一个波导腔的多个谐振模式的多模滤波器[1]来解决这类问题。
谐振腔在对称条件下，简并模式之间不存在耦合。简并模式可以独立存在。如果通过微扰改变谐振腔的对称性，谐振腔中简并模之间将会产生耦合（能量的传递）。原来的简并模式变成两个频率接近的谐振模式，这两个模式不一定相互独立存在。使用这种概念的双（多）模滤波器结构已经被提出[2]。可以通过加载一块矩形脊并旋转其方向[3]来达到破坏腔体对称性使简并模式之间产生耦合，亦可通过加载一个类方形脊[4]的方法。
与相同尺寸的标准矩形波导相比较，脊波导具有更低的主模截止频率。据此提出了一种结构新颖的紧凑型双模矩形脊波导滤波器。首先介绍了该双模滤波器的基本结构，简单分析了放置方法所产生的场分布情况，给出此滤波器结构得到的拓扑图及耦合矩阵，利用HFSS软件建模仿真，得出的仿真结果达到要求。
1 双模滤波器介绍
1.1 基本结构介绍
该双模滤波器的基本结构如图1所示，主要结构呈十字型，其中一个角通过倒45°角破坏对称性，使简并模式之间产生耦合。
其谐振模的频率基本可以用如下公式来近似计算：
c为空间中的光速，l表示谐振块的横向长度。由于谐振块厚度及电磁环境中边缘效应等因素，实际频率与公式计算的频率有一定的偏差。
在双模滤波器中，谐振块通常用于实现水平极化和垂直极化。图1中的45°斜块就是用来破坏对称结构，达到使两个简并模式之间产生耦合的目的。为了方便观察电场，运用HFSS仿真软件产生的两个模的电场如图（3.a）所示。若谐振块没有斜角，如图（2）所示，就不能激励起另一个模式，即不存在双模状态，其电场分布如图（3.b）所示。比较两图，可以发现，在十字谐振模块上倒一个45°的角，能很好地实现一腔双模。
1.2 耦合拓扑结构分析
十字交叉型谐振模块，根据不同的放置方式，也可以使简并模式产生耦合，图4和图5分别画出了两种放置模式的结构图及拓扑图。图中S和L分别代表源和负载，1，2代表两个正交的准TEM模。从耦合拓扑结构图5可以看出，图4（a）这种结构，源和负载分别与1、2产生耦合，图4（b）这种结构，源和负载都与1、2发生了耦合，但是，在后期调试的时候，这种结构调试起来十分的麻烦，所以用图4（a）结构的更具优势。
然而，不同的输入输出结构也会影响到频率响应情况。若根据图4（a）这种输入输出结构，则其频率响应曲线如图7（a）所示;若根据图6所示结构，其频率响应如图7（b）所示。显然，若要实现带通滤波器频率响应，应采用图4（a）这种输入输出结构。图6这种结构所产生的频率响应类似于阻带或者一个双通带。
2 设计实例
根据前面提出的分析方法及結构，设计了一个四阶双模滤波器，其指标要求如下：
（1）中心频率：13GHz
（2）带 宽：155MHz
（3）带内回波：≥18dB
（4）带内插损：≤0.60dB
（5）带外抑制：f0±200M，L≥25dB
（6）输入输出：BJ140标准波导
由于中心频率两边都要求带外抑制，宜采用CQ结构，取归一化传输零点为-2和2，回波损耗取为-22dB，根据cameron经典耦合矩阵提取理论[5]，很容易求得归一化耦合矩阵为：
根据此耦合矩阵，建立的仿真模型如图8所示，其耦合拓扑结构如图9所示。模型中，两臂长分别为11.8mm和11.75mm，高度为6.65mm，谐振块厚度取2mm。不计输入输出波导，模型总的大小为16.8mm×37.4mm×7.9mm。仿真结果如图10所示，S11在带宽范围内均≤-20dB，抑制也达到要求。
3 结论
本文研究了十字交叉型谐振块放置方式对耦合的影响及输入输出结构的影响，采用了既能产生交叉耦合又易于调试的结构。该种结构所设计出的双模滤波器，比传统双模滤波器具有更高的Q值，插损更小，也满足了小型化设计的需求，比传统的双模滤波器小接近25%。仿真结果也比较理想，证明了该方法的有效性。
参考文献
[1]R. J. Cameron， C. M. Kudsia， and R. R. Mansour， Microwave Filters for Communication Systems. Hoboken， NJ： Wiley， 2007.
[2]M. Guglielmi， P. Jarry， E. Keherve， O.Roquebrun and D.Schmitt， A new family of all-inductive dual-mode filters. IEEE Trans. Microwave Theory Tech.， 2001，49：1764-1769.
[3]S. Amari.， F. Seyfert， Design of Dual-Mode Ridge Cavity Filters. Microwave Symposium Digest，2009：1625-1628.
[4]S. Bastioli， L. Marcarcciolli and R. Sorrentino， A novel class of compact dual-mode rectangular waveguide filters using square ridge resonators. Eur. Micro. Conf. Digest， 2008，38：626-629.
[5]R.J. Cameron， Advanced coupling matrix synthesis techniques for microwave filters. IEEE Trans. Microwave Theory Tech.， 2003，51：1-10.
