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　　本文用模式匹配和網(wǎng)絡(luò)級聯(lián)的方法對矩形波導(dǎo)E面金屬膜片濾波器進行分析，并通過軟件進行綜合設(shè)計和仿真驗證，給出了設(shè)計實例。

　　1 基本原理

　　如圖1所示就是E面金屬膜片濾波器的結(jié)構(gòu)圖。它的基本外形是每隔一段空波導(dǎo)，在矩形波導(dǎo)中央的E面插入一塊與E面平行的金屬膜片，膜片的個數(shù)，每個膜片的長度還有所隔空波導(dǎo)的長度都是根據(jù)實際指標要求來計算完成的。其中，膜片起耦合作用，相鄰膜片之間構(gòu)成諧振腔，通過諧振腔的耦合構(gòu)成波導(dǎo)帶通濾波器。

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　　由圖可以看出，不連續(xù)性結(jié)構(gòu)只發(fā)生在x方向上，由于波導(dǎo)一般都是主模傳輸，而TE10在不連續(xù)性附近只能激勵起TEm0模，不能激勵起TEmn(n≠0)模和TMmm模。

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　　此時膜片可以等效成一個T型網(wǎng)絡(luò)，如圖2所示。當(dāng)?shù)确聪嗟腡E10波自左右同時入射時，由于結(jié)構(gòu)的對稱性，中心平面T0相當(dāng)于一個電壁，T1平面上的歸一化輸入導(dǎo)納y(1)=1/jXs;當(dāng)?shù)确嗟腡E10波自左右同時入射時，中心平面T0相當(dāng)于一個磁壁，T1平面上的歸一化輸入導(dǎo)納y(2)=1/(jXs+2jXp)。于是有

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　　其中y(1)和y(2)可以用模式匹配法求出。

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　　其中，i=1，2分別對應(yīng)于Z=W/2處的電壁和磁壁。

　　由于在Z=0平面，切向場必須滿足連續(xù)性條件，所以有：

　　Ey(0-)=Ey(0+) (4)

　　Hx(0-)=Hx(0+)

　　把(2)(3)式的場分量代入(4)式，就可以得到待求的Z=0平面的歸一化輸入導(dǎo)納：

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　　運用Rayleigh-Ritz方法，便可以求出y(1)和y(2)。把結(jié)果代入(1)式就可得到E面膜片對應(yīng)的等效參量Xs和Xp。由于上述計算量太大，所以可以借助計算機編程來實現(xiàn)。

　　3 具體設(shè)計

　　E面膜片帶通濾波器的設(shè)計，關(guān)鍵就是圖1中w1，w2，w3……l1，l2……長度的選取。

　　這里我們用Lr表示濾波器的插入損耗，Ls表示阻帶衰減，濾波器的級數(shù)N以及原型參數(shù)g就可以算出，要進行的K變換為

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　　其中，Wr是濾波器的相對帶寬。

　　圖2所示的T形等效網(wǎng)絡(luò)相應(yīng)的K阻抗變換器為：

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　　由于阻抗變換器的負電長度可以并入單個諧振腔的電長度，所以得出半波長諧振腔的電長度為：

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　　這樣，精確的濾波器各個耦合段，諧振腔的長度就已經(jīng)求出，這些值可以作為在mwave中綜合優(yōu)化的初始值。

　　4 工程實例

　　在某發(fā)射系統(tǒng)中，需要設(shè)計一個34.5-35.5GHz的帶通濾波器，在38GHz時，要求衰減小于-40dB，帶內(nèi)波紋1dB內(nèi)，膜片厚度為0.2mm。

　　這里我們采用標準波導(dǎo)BJ320，通過使用本文的分析方法，得到初始值，再在mwave wizard 5.6軟件中綜合優(yōu)化，最終設(shè)計結(jié)果如下：

　　級數(shù)：n=6

　　膜片長度：w1=w7=0.643mm

　　w2=w6=2.9815mm

　　w3=w5=3.6715mm

　　w4=3.7781mm

　　諧振腔長度為：L1=L6=3.729mm

　　L2=L5=3.72687mm

　　L3=L4=3.7262mm

　　為了進一步驗證此設(shè)計的正確性。我們把上述結(jié)果在HFSS中建立模型并仿真，模型圖及仿真結(jié)果如下所示：

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　　在HFSS中仿真時，需在膜片兩端各留一段空波導(dǎo)才可仿真，否則無法進行，經(jīng)過反復(fù)調(diào)整及對比，兩端各取3mm的空波導(dǎo)時，濾波器整體性能最好。設(shè)計出的濾波器尺寸為：金屬膜片總長41mm，加上兩端3mm的空波導(dǎo)，最終得到的總長為47mm。

　　考慮到膜片長度的加工精度，又在各膜片長度為±0.05mm范圍內(nèi)進行了誤差仿真。仿真結(jié)果如下：

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　　由上圖可知，在加工誤差為±0.05 mm時，該濾波器的中心頻率，通帶波紋，阻帶衰減都與設(shè)計要求良好吻合，且在38 G的衰減達到-60 dB，完全滿足指標需求且留有一定余量。

　　5 結(jié)束語

　　本文首先采用模式匹配法對波導(dǎo)濾波器中的E面金屬膜片進行嚴格的場分析，得到了其相應(yīng)的等效電路參數(shù)，然后運用此方法結(jié)合軟件設(shè)計出一個濾波器，在HFSS中建模仿真并進行了誤差仿真，驗證了此設(shè)計方法的正確性與可靠性。