ku波段波導(dǎo)廣義切比雪夫?yàn)V波器研制

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1、第一章引言1．1波導(dǎo)廣義切比雪夫?yàn)V波器的研究意義在微波毫米波通信、衛(wèi)星通信、雷達(dá)和遙感技術(shù)等系統(tǒng)中，微波濾波器的選頻、分頻和隔離信號等作用有著舉足輕重的地位，其性能的優(yōu)劣將直接影響整個通信系統(tǒng)。由于信息產(chǎn)業(yè)和無線通信系統(tǒng)的蓬勃發(fā)展，微波頻帶出現(xiàn)相對擁擠的狀態(tài)，為了合理利用頻帶資源，相關(guān)部門出臺了更詳細(xì)規(guī)定，分配到各類通信系統(tǒng)的頻率間隔越來越密，這對微波、毫米波收發(fā)信機(jī)中前端無源器件的性能指標(biāo)提出了更高的要求，比如更小的插入損耗降低系統(tǒng)對信號的衰減，更好的矩形系數(shù)以抑制各種干擾信號等。波導(dǎo)濾波器由于其插入損耗小，功率容量大，工作

2、頻段高，容易大批量生產(chǎn)等特點(diǎn)，在通信系統(tǒng)中得到廣泛的應(yīng)用。傳統(tǒng)的微波波導(dǎo)濾波器設(shè)計(jì)中，提高濾波器矩形系數(shù)的有效方法是增加濾波器的級數(shù)，采取這種方法設(shè)計(jì)有一定的缺陷：一個是濾波器的插入損耗相應(yīng)的增加，會影響系統(tǒng)的整體；另外在特定的系統(tǒng)中還要求濾波器重量，級數(shù)增加了，濾波器的重量也隨著增加，給設(shè)計(jì)帶來了難度。所以按照傳統(tǒng)的方法設(shè)計(jì)，就要在這幾個方面采取折中的考慮，這也成為波導(dǎo)濾波器設(shè)計(jì)難點(diǎn)之一。為了克服傳統(tǒng)設(shè)計(jì)方法的不足，橢圓函數(shù)和廣義切比雪夫?yàn)V波器原型應(yīng)用到波導(dǎo)濾波器設(shè)計(jì)中。橢圓函數(shù)濾波器有很陡的帶外抑制，即好的矩形系數(shù)，但是其

3、帶外零點(diǎn)位置是由其級數(shù)決定的，同時橢圓函數(shù)波導(dǎo)濾波器的加工調(diào)試也非常困難。廣義切比雪夫?yàn)V波器能在一定程度上解決這些問題，比如能有很好的矩形系數(shù)，帶外傳輸零點(diǎn)可以隨意設(shè)置，這樣可以減小濾波器的體積。但用傳統(tǒng)的設(shè)計(jì)方法，其耦合系數(shù)的提取相當(dāng)困難，需要很好的專業(yè)知識和數(shù)學(xué)基礎(chǔ)；采用非相鄰腔的耦合結(jié)構(gòu)比較復(fù)雜，在現(xiàn)有的計(jì)算機(jī)設(shè)備下用軟件仿真也很困難，這樣就增加了濾波器的設(shè)計(jì)周期；這種結(jié)構(gòu)的波導(dǎo)濾波器與一般的波導(dǎo)濾波器相比，調(diào)試難度增加，影響批量生產(chǎn)。波導(dǎo)廣義切比雪夫銷釘濾波器利用銷釘濾波器的結(jié)構(gòu)，在源、負(fù)載兩端引入可調(diào)的半銷釘，通過改

4、變半銷釘高度、半徑和對波導(dǎo)中心線的偏移量，使其在帶外特定頻率處產(chǎn)生傳輸零點(diǎn)。這種結(jié)構(gòu)不采用非相鄰諧振腔間的耦合，就具有優(yōu)電子科技大學(xué)碩士學(xué)位論文良的矩形系數(shù)，降低了加工難度，調(diào)試也比交叉耦合濾波器簡單，容易大批量生產(chǎn)。另外，其帶內(nèi)插入損耗與同階數(shù)的切比雪夫波導(dǎo)銷釘濾波器相比，基本相同。由于高頻電磁仿真軟件的發(fā)展，大大降低了設(shè)計(jì)難度，縮短設(shè)計(jì)周期，對設(shè)計(jì)高性能的廣義切比雪夫波導(dǎo)濾波器有著非常重要的意義。1．2國內(nèi)外研究狀況上個世紀(jì)60年代，G．L．Matthaeitl】對濾波器的設(shè)計(jì)進(jìn)行了比較系統(tǒng)的描述，其中對波導(dǎo)濾波器的設(shè)計(jì)描

5、述也較為詳盡，主要是切比雪夫型，其結(jié)構(gòu)有膜片、銷釘和小孔耦合等，并給濾波器設(shè)計(jì)者提供了大量的、相當(dāng)精確的實(shí)驗(yàn)測試曲線。G．L．Matthaei還對波導(dǎo)線性相位濾波器做了詳細(xì)的設(shè)計(jì)原理分析，在波導(dǎo)濾波器中引入了交叉耦合。上世紀(jì)70年代，AlbertE．Willi鋤s【2】設(shè)計(jì)了一個四腔的橢圓函數(shù)波導(dǎo)濾波器，文獻(xiàn)中給出了詳細(xì)的理論設(shè)計(jì)，在波導(dǎo)濾波器中實(shí)現(xiàn)傳輸零點(diǎn)。Aria和Williamst3】最早提出了交叉耦合濾波器的通用理論，并以一個波導(dǎo)廣義切比雪夫?yàn)V波器為例，驗(yàn)證了其可行性。但是這個時期主要研究對象為10GHz以下的波導(dǎo)濾波

6、器。上世紀(jì)80年代初期，J．D．Rhodes和R．J．Cameron【4】給出了零點(diǎn)提取(extractedpole)濾波器的綜合過程，提出一種新型的波導(dǎo)濾波器的結(jié)構(gòu)和設(shè)計(jì)方法，設(shè)計(jì)出了Ku波段的傳輸零點(diǎn)對稱與不對稱的波導(dǎo)濾波器。這個研究給波導(dǎo)廣義切比雪夫?yàn)V波器的設(shè)計(jì)提供了理論依據(jù)，各種新型結(jié)構(gòu)的波導(dǎo)廣義切比雪夫?yàn)V波器被設(shè)計(jì)出來【51。1992年，ThomasSieverding和FritzAmdt16j提出一種采取抑制諧振器的波導(dǎo)濾波器的設(shè)計(jì)方法，顯著的改善了波導(dǎo)濾波器的帶外抑制。1999年，R．J．Cameron【7J提出

7、了用循環(huán)遞歸的方法來構(gòu)成廣義切比雪夫的傳輸函數(shù)和反射函數(shù)多項(xiàng)式，用倒納矩陣和局部分式展開方法給出了耦合矩陣的綜合過程。2003年，l乙J．Cameron嬋J在此基礎(chǔ)上研究了源與負(fù)載直接耦合結(jié)構(gòu)的耦合矩陣綜合，從此這種結(jié)構(gòu)在濾波器的設(shè)計(jì)中被廣泛應(yīng)用。廣義切比雪夫?yàn)V波器耦合系數(shù)就可以根據(jù)矩陣消元方法獲得，也給波導(dǎo)廣義切比雪夫?yàn)V波器的設(shè)計(jì)帶來了方便。2000年后，Am撕【9'2卜221在波導(dǎo)濾波器設(shè)計(jì)中引入非諧振節(jié)點(diǎn)，文中給出了詳細(xì)的理論分析、計(jì)算過程，并以波導(dǎo)濾波器為例，顯示了這種結(jié)構(gòu)濾波器優(yōu)良的帶外抑制能力以及便捷的加工。此后，

8、Amaritl044】發(fā)表一系列帶傳輸零點(diǎn)的波導(dǎo)濾波器設(shè)計(jì)的文章，主要采取引入非諧振節(jié)點(diǎn)、雙模的方式，產(chǎn)生帶外傳輸零點(diǎn)，2第一章引言改善濾波器的帶外抑制。國內(nèi)對濾波器的研究起步稍晚，七十年代初，我國的老一輩微波專家甘本祓、吳萬春、林為干【15．161等在國外研究成果的基礎(chǔ)上，