摘 要:介紹了一種小型化的P波段腔體濾波器,通過(guò)對(duì)濾波器中諧振器的優(yōu)化設(shè)計(jì),減小了腔體濾波器的物理尺寸,滿足了四次以上諧波要求。同時(shí)通過(guò)對(duì)諧振器的變形設(shè)計(jì)大大減小同軸腔體的電容加載尺寸,使濾波器耐功率能力和自身散熱能力得到極大提高。在P波段實(shí)現(xiàn)了濾波器小損耗、高抑制、大功率,很好地滿足了工程上的苛刻指標(biāo)要求。并介紹了設(shè)計(jì)方法及其設(shè)計(jì)原理,對(duì)其特性進(jìn)行了理論分析,給出了設(shè)計(jì)結(jié)果。大批量流水線生產(chǎn),無(wú)需太多調(diào)試,按首件調(diào)試后的尺寸重復(fù)裝配指標(biāo)一致性好、可靠性高。

0 引言

眾所周知,濾波器是雷達(dá)系統(tǒng)中不可缺少的選頻器件之一。特別是在有源相控陣?yán)走_(dá)系統(tǒng)中,DAM中每一個(gè)收發(fā)通道的后面都需要有一組接收預(yù)選[1]和發(fā)射濾波器。濾波器性能的好壞,直接影響雷達(dá)系統(tǒng)的抗干擾能力、對(duì)外雜散和諧波抑制能力。且一部雷達(dá)系統(tǒng)對(duì)濾波器的用量需求相當(dāng)大,所以對(duì)于P波段雷達(dá)系統(tǒng)來(lái)說(shuō),研制出小體積、重量輕、駐波小、低損耗、高矩形系數(shù)和高次諧波抑制能力的濾波器尤為重要。

1 P波段濾波器的選擇與設(shè)計(jì)原理

由于本濾波器的工作頻率低、功率容量大且技術(shù)指標(biāo)要求苛刻。一般的LC、介質(zhì)、聲表等濾波器可以實(shí)現(xiàn)低頻段的小型化,但很難實(shí)現(xiàn)小損耗和大功率;微帶或帶狀線濾波器可實(shí)現(xiàn)寬帶和系統(tǒng)要求的大功率,但在P波段很難實(shí)現(xiàn)小型化,導(dǎo)致其高次諧波抑制能力差;螺旋腔體濾波器可以實(shí)現(xiàn)小型化和大功率,但很難實(shí)現(xiàn)寬帶;只有同軸梳狀腔體濾波器可以選擇,但常規(guī)的同軸梳狀濾波器也很難實(shí)現(xiàn)高次諧波的抑制。而本文中的接收濾波器要求二次諧波、三次諧波都在80 dB以上;發(fā)射濾波器考慮到有大功率要求,濾波器的階數(shù)不宜過(guò)多,否則功率容量會(huì)受影響。

通常,同軸腔體帶通濾波器中心導(dǎo)體長(zhǎng)度選擇約為λ0/2(λ0為通帶中心頻率對(duì)應(yīng)的波長(zhǎng)),特性阻抗Zc為75Ω[2]可實(shí)現(xiàn)小損耗,接入點(diǎn)位置離短路面高度為L(zhǎng)1。將六腔分解為(1,2),(2,3),(3,4),(4,5),(5,6)五對(duì)耦合腔。用5對(duì)理想耦合線表示,其單線特性阻抗Z0為75Ω?？紤]到實(shí)際腔體中存在損耗,耦合線對(duì)的奇偶模阻抗分別為(Ze12,Zo12),(Ze23,Zo23),(Ze34,Zo34),(Ze45,Zo45),(Ze56,Zo56),輸入輸出線阻抗為ZIO,構(gòu)造結(jié)構(gòu)模型如圖1所示。一對(duì)互相耦合的同軸腔之間的耦合系數(shù)可以用其奇偶模特性阻抗表示為

因此,

奇偶模特性阻抗與特性阻抗Zc之間的關(guān)系為

再采用寬帶濾波器設(shè)計(jì)方法和設(shè)計(jì)思路[2-3],利用Matlab編程可快速綜合出各設(shè)計(jì)參數(shù)。將初始參數(shù)確定后,在高頻設(shè)計(jì)軟件中建立如圖2所示的仿真模型,得到濾波器的最初設(shè)計(jì)曲線。再利用其優(yōu)化功能進(jìn)行圖3中的各參數(shù)優(yōu)化,優(yōu)化后尺寸僅僅是常規(guī)腔體濾波器尺寸的1/3。七階濾波器仿真結(jié)果如圖4所示,七階濾波器實(shí)測(cè)結(jié)果如圖5所示。

七階大功率濾波器大批量生產(chǎn)時(shí)指標(biāo)實(shí)現(xiàn)情況:

● 通帶頻率:P波段26%帶寬

● 通帶內(nèi)插損:≤0.5 dB

● 帶外抑制:≥90 d B@48～223 MHz

≥80 dB@930 MHz～4f0

● 通帶內(nèi)駐波比:≤1.3

● 通帶內(nèi)相位一致性:優(yōu)于±3.0°(大批量)

● 通帶內(nèi)幅度一致性:≤0.4 d B(大批量)

濾波器矩形系數(shù)好,二、三、四次諧波滿足80 dB以上,無(wú)需太多調(diào)試,指標(biāo)重復(fù)性好。

2 P波段大功率腔體濾波器的小型化實(shí)現(xiàn)

圖1 常見(jiàn)的同軸濾波器示意圖

圖2 小型化處理后的濾波器示意圖

圖3 濾波器腔體關(guān)鍵尺寸

圖4 濾波器仿真結(jié)果

圖5 濾波器駐波和幅頻特性實(shí)測(cè)曲線

濾波器的結(jié)構(gòu)比一般無(wú)源器件復(fù)雜,且種類(lèi)繁多,分析起來(lái)較困難。更重要的是,帶通濾波器一般都是諧振結(jié)構(gòu),由于反復(fù)振蕩,諧振器內(nèi)的電磁場(chǎng)和電流比一般無(wú)源器件高許多,隨之造成損耗功率也大得多。尤其在窄帶濾波器的強(qiáng)諧振結(jié)構(gòu)內(nèi)部,場(chǎng)強(qiáng)往往可以達(dá)到端接傳輸線即饋線處的好幾倍。于是,帶通濾波器的功率容量問(wèn)題和其他無(wú)源器件相比變得更為嚴(yán)峻和苛刻。帶通濾波器內(nèi)各諧振器排列順序、擺放位置各不相同,它們所承受的場(chǎng)強(qiáng)和產(chǎn)生的損耗也不均勻,分析帶通濾波器功率容量時(shí)必須找到對(duì)整體性能影響最大的諧振器,然后再作進(jìn)一步分析。諧振器內(nèi)部的電磁波無(wú)例外地處于駐波狀態(tài),即諧振器的場(chǎng)分布及熱分布不像一般傳輸器件那樣沿傳播方向是均勻的。于是,不僅應(yīng)當(dāng)找到對(duì)濾波器性能起最關(guān)鍵作用的諧振器,而且應(yīng)當(dāng)找到該諧振器內(nèi)部的場(chǎng)強(qiáng)最大點(diǎn)、最熱點(diǎn)等關(guān)鍵位置。另一點(diǎn)值得特別注意的是,傳輸器件的功率容量一般僅隨工作頻率緩慢變化,而帶通濾波器的功率容量隨著自身頻率響應(yīng)發(fā)生快速變化,通帶中心、邊帶、阻帶內(nèi)的功率承載能力相差懸殊。因此,在預(yù)測(cè)帶通濾波器功率容量時(shí),不但應(yīng)當(dāng)充分利用相應(yīng)傳輸線結(jié)構(gòu)功率容量評(píng)估理論的現(xiàn)有結(jié)果,而且應(yīng)當(dāng)從帶通濾波器、諧振器本身的特性入手,更有效地抓住濾波器功率容量問(wèn)題的實(shí)質(zhì)。

本濾波器工作對(duì)功率容量要求高,主要考慮的工程因素有:海拔高度,駐波系數(shù),工作環(huán)境的溫度、濕度、物品污染。為確保可靠性,再留余量3 d B。發(fā)射支路上的濾波器,所需耐功率如下:峰功率2103 W,平均功率694.1 W。

從本濾波器的指標(biāo)可以分析出,要實(shí)現(xiàn)濾波器二、三、四次高次諧波必須要進(jìn)行諧振器的小型化設(shè)計(jì)。而P波段的頻率低,諧振器的諧振頻率決定其體積較大,且要滿足2103 W峰功率、694.1 W平均功率要求,所以如何設(shè)計(jì)濾波器的諧振器成為本濾波器設(shè)計(jì)重點(diǎn)和難點(diǎn)。

根據(jù)系統(tǒng)分析出的功率要求,按式(4)初步設(shè)計(jì)出諧振器的腔體尺寸,再采用以下方法來(lái)減小諧振器的尺寸:

(1)濾波器開(kāi)路端進(jìn)行電容加載(功率容量小時(shí)諧振器的長(zhǎng)度可與加載調(diào)諧桿尺寸相當(dāng))。

(2)諧振桿和調(diào)諧釘之間加耐功率的介質(zhì)材料,增加濾波器Q值,減小濾波器體積;同時(shí)減小調(diào)諧釘?shù)募虞d深度;另外諧振桿和調(diào)諧釘之間的距離較小,介質(zhì)加載避免了外因造成的調(diào)諧釘和諧振桿短路。

(3)根據(jù)濾波器的帶寬和階數(shù)選擇諧振器的形式,一般UIR形適合帶寬寬、階數(shù)少的情況,相同帶寬在階數(shù)較多的情況下可采用SIR形式[4-5],SIR形式可靈活控制高次諧波和縮減腔體尺寸。

(4)在方法(1)的基礎(chǔ)上進(jìn)行諧振器的變形,如圖2所示的T形或U形端,T形端面和U形端面與腔體形成大電容,可進(jìn)一步減小諧振器同軸電容加載深度[6],且本身的散熱效果更好。

采用上述方法實(shí)現(xiàn)了P波段濾波器的小型化,從而實(shí)現(xiàn)了高次諧波的抑制,且功率容量滿足雷達(dá)系統(tǒng)提出的苛刻指標(biāo)要求。

有關(guān)文獻(xiàn)給出了擊穿場(chǎng)強(qiáng)的近似計(jì)算公式:

式中:

p為大氣壓強(qiáng);τp為脈沖寬度;Leff為有效擴(kuò)散路徑(≈2倍間隙);擊穿場(chǎng)強(qiáng)Ep=2.26×106V/m。

圖6給出了輸入端用2 800 W功率激勵(lì)時(shí)的強(qiáng)分布結(jié)果。圖7給出了P波段大功率濾波器的實(shí)物圖。

圖6 2 800 W激勵(lì)時(shí)濾波器場(chǎng)強(qiáng)分布仿真結(jié)果

3 結(jié)束語(yǔ)

本文設(shè)計(jì)了一種低頻段的大功率腔體濾波器,經(jīng)過(guò)仿真和實(shí)測(cè)結(jié)果對(duì)比表明,濾波器實(shí)現(xiàn)了結(jié)構(gòu)緊湊、通帶內(nèi)的插入損耗小且?guī)庖种坪透叽沃C波抑制能力強(qiáng)。在P波段實(shí)現(xiàn)了濾波器的小型化,高抑制、大功率,很好地滿足了工程上的苛刻指標(biāo)需求。經(jīng)過(guò)大批量的流水線生產(chǎn)制造,按首件調(diào)試后的尺寸重復(fù)裝配指標(biāo)一致性好、調(diào)試量少、可靠性高,已經(jīng)過(guò)某雷達(dá)系統(tǒng)的充分驗(yàn)證。

審核編輯：湯梓紅