一种基于S波段的小型化波导滤波器及其控制方法

本发明属于波导滤波器，尤其涉及一种基于s波段的小型化波导滤波器及其控制方法。

背景技术：

1、目前，具有高功率、低损耗、大容量的金属波导滤波器在雷达、卫星等大功率微波通信系统中广泛运用，是抑制干扰信号重要的无源器件。而金属波导固有的体积和重量较大的特点，不仅使得成本增高，也会给网络设备制造商带来极大地挑战。目前小型化金属波导技术有：一是基于基片集成波导（siw）技术的等效替代，siw技术极大地缩减了处于中低频段的波导滤波器的体积，但是q值却远低于金属波导；二是加载电路结构，通过在金属波导腔中加载谐振膜片、电容柱等，在有限阶数内提升了滤波器的通带选择性，但是固有的波导结构使得滤波器的重量仍较大；三是采用轻型金属材料或合成材料等，例如石英波导，3d打印介质材料，介质材料的波导滤波器可靠性较低，难以适应严苛的环境。目前在中低频段的直接耦合波导滤波器体积仍然较大，小型化、高性能、可靠性强的金属波导滤波器研究对于可承载功率容量大、轻量化的移动通信系统而言至关重要。

2、文献“zhang y, shang x, zhang f, et al. a 3-d printed ku-bandwaveguide filter based on novel rotary couplingstructure[j]. ieee microwaveand wireless components letters, 2022.”采用3d打印技术设计了工作在ku波段的五阶波导滤波器，旋转耦合结构实现传输零点，减少使用的阶数。整体尺寸为16.65mm*15.15mm*77.84mm，采用光敏树脂材料，重量轻，但是q值仅有800。

3、文献“x. -y. ma, z. -y. pang, g. zhao, g. -l. huang and b. qian, "ametal-stripintegrated filtering waveguide," 2020 international conference onmicrowave and millimeter wave technology (icmmt), 2020, pp. 1-3, doi:10.1109/icmmt49418.2020.9386961.”实现了工作频段为12ghz-15ghz的一种金属带集成滤波波导，整体结构由传统的矩形波导和加载在波导底壁上的金属带表面组成，尺寸为93.5mm*5.3mm*16mm，回波损耗小于-60db，具有良好的滤波性能。

4、文献“q. huang and z. wu, "a compact six-order folded-waveguideresonator filter," 2018 ieee mtt-sinternational wireless symposium (iws),2018, pp. 1-4, doi: 10.1109/ieee-iws.2018.8400906.”设计了工作在3.5ghz的六阶折叠波导（fwg）滤波器，使得低频处金属波导滤波器的结构更为紧凑，滤波器尺寸为7.2cm*5.6cm*6.4cm，但是相比工作在毫米波段的波导滤波器而言，尺寸高了一个数量级。

5、可见，在高频段波导滤波器的尺寸可以保持在毫米级，借助介质材料很容易实现轻量化波导滤波器设计。但是在低频段，金属波导滤波器的尺寸一般在厘米级。为实现具有良好滤波性能的金属波导滤波器，小型化、轻量化是一项艰巨的工作。

6、通过上述分析，现有技术存在的问题及缺陷为：现有的波导滤波器在保持波导滤波器的性能和可靠性的同时，难以实现小型化、轻量化波导滤波器的设计。

技术实现思路

1、针对现有技术存在的问题，本发明提供了一种基于s波段的小型化波导滤波器及其控制方法。

2、本发明是这样实现的，一种基于s波段的小型化波导滤波器，中心频率在2ghz,由两个相同的嵌套波导谐振腔、耦合结构、输入、输出馈线和两个sma-k型抽头构成；

3、所述嵌套波导谐振腔由两个形状相同、尺寸不同的槽型波导单元组成；

4、所述耦合结构置于两个嵌套波导谐振腔中间；

5、所述输入、输出馈线在波导滤波器两侧对称分布，层层馈入嵌套波导谐振腔内壁，与单腔内外层槽型波导单元的内金属壁短接，sma-k型抽头为具有螺纹的公母头，如图3中位置3所示，位于波导滤波器两侧，内含输入、输出馈线，利用此抽头将波导滤波器接入外电路中。

6、进一步，所述耦合结构包括耦合膜片、耦合探针，所述耦合膜片置于两个嵌套波导谐振腔中间，所述耦合膜片开设有供耦合探针穿过的圆形窗，所述耦合探针穿入相邻嵌套波导谐振腔的外金属壁。

7、进一步，所述耦合膜片为一金属薄片，置于两个嵌套波导谐振腔中间，膜片的添加在波导腔之间形成了电壁，避免波导腔的直接耦合对于原来单腔结构内电磁场的干扰。

8、进一步，所述耦合探针的两端连接波导单元r1、r4的外侧波导壁，很好地迎合了基于特殊嵌套结构的波导单元之间所需的耦合方式。

9、进一步，在耦合膜片上开一圆形窗，半径为2.3mm，供耦合探针穿过，使得两个独立的波导腔之间形成耦合。

10、进一步，所述嵌套波导谐振腔的外层槽型波导单元底部厚度为2mm，壁厚5mm。

11、进一步，所述嵌套波导谐振腔的内层槽型波导单元底部厚度为1mm，壁厚3.5mm。

12、进一步，所述嵌套波导谐振腔的两个槽型波导单元间间隔1mm。

13、本发明的另一目的在于提供一种所述的基于s波段的小型化波导滤波器的控制方法，所述基于s波段的小型化波导滤波器的控制方法包括：

14、步骤一，小型化波导单腔设计

15、设计了具有一定槽深的槽型波导，便于波导单元之间上下嵌套复用；相比相同谐振频率下的矩形波导，槽型波导边长尺寸可减小为原来的34.7%，槽型波导单元q值相比传统矩形波导有所下降，但是仍达到2000左右，品质因数较高。槽型波导单元的壁厚变化影响着主模谐振频率和q值，可通过谐振频率和q值确定对应工作频率下单个波导单元的尺寸。折叠厚度每0.5mm的增长，q值可以扩大120左右；谐振频率随折叠厚度的增加而降低，降低幅度较小，每0.5mm的增长谐振频率减小20mhz左右。

16、步骤二，耦合结构

17、两个相同嵌套波导腔通过耦合探针级联形成一个四阶高选择性带通滤波器。由于电场集中在嵌套的波导结构的底部，因此该波导单元的内壁通过探针连接，形成磁耦合。基于探针的耦合方式耦合功率大，耦合结构的空间比小，不会根据结构产生额外的体积。两个嵌套波导腔之间放置一金属膜片形成电壁，避免两个单腔之间电磁场互相干扰。耦合结构将产生额外的高次谐波。虽然可调性有限，但耦合强度较大。随着金属探针高度的变化，即变量pz1，腔之间的耦合也发生变化。空腔间耦合系数为k12，在hfss电磁仿真软件中采用双模提取方法提取k12。k12随着中间耦合探针高度pz1增大而随之增大，当pz1大于15.5mm后，增长较为缓慢。

18、结合上述的技术方案和解决的技术问题，本发明所要保护的技术方案所具备的优点及积极效果为：

19、第一、针对上述现有技术存在的技术问题以及解决该问题的难度，紧密结合本发明的所要保护的技术方案以及研发过程中结果和数据等，详细、深刻地分析本发明技术方案如何解决的技术问题，解决问题之后带来的一些具备创造性的技术效果。具体描述如下：

20、1. 本发明采用嵌套结构使得波导单元在空间上复用，增大单个波导谐振腔电尺寸的同时，减小了波导腔z轴的高度。采用“膜片-探针”的方式对两个嵌套波导腔进行级联，增大了嵌套波导单腔之间的耦合量。输入、输出馈线在波导滤波器两侧对称分布，层层馈入嵌套波导腔内壁，使得能量充分馈入嵌套波导腔中的内波导。解决了低频段波导滤波器的小型化问题，在小型化的同时，保证了金属波导滤波器的性能和可靠性。

21、2.嵌套波导小型化结构，采用金属波导腔，保留了金属腔固有的结构稳定、低插损、承载功率容量大的优点，其单腔q值可达2187，远远超过采用介质波导、siw波导的方式的品质因数，高一个数量级左右。

22、3.在1.83ghz-2.37ghz通带范围内，滤波器的插入损耗小于0.12db，回波损耗大于17.7db；在1ghz-1.44ghz和3.42ghz后，抑制度超过35db，在低频段实现了良好的通带选择性。

23、4.基于嵌套波导单腔的四阶波导滤波器具有优良的结构特性，不必加载额外的电路结构或额外增加级联的腔体阶数来提高其滤波性能。结构简单，易于加工和安装。

24、5.该波导滤波器整体尺寸仅为，其中 λ0为相应工作频率下的波长。

25、6.低频段金属波导滤波器尺寸在毫米级，结构紧凑，实现了小型化。

26、第二，把技术方案看做一个整体或者从产品的角度，本发明所要保护的技术方案具备的技术效果和优点，具体描述如下：

27、工作在低频段的四阶波导带通滤波器小型化、轻量化实现的同时，能够保持波导滤波器的性能、可靠性。在具体产品设计中，具有以下优点：一是相比直线型四阶波导带通滤波器，嵌套波导单腔级联形成的带通滤波器结构更为紧凑，从三维空间上对单腔本身进行了小型化。二是四阶波导带通滤波器仅用“膜片-探针”进行腔体之间的级联，单腔本身也未加载额外电路结构或其他介质材料，实现了一高选择性带通波导滤波器，减少了优化调试的工作量。三是上下嵌套的复用结构，加工、装配简单。

28、第三，作为本发明的权利要求的创造性辅助证据，还体现在以下几个重要方面：

29、本发明的技术方案解决了人们一直渴望解决、但始终未能获得成功的技术难题：一是金属波导单腔的小型化。相比传统二维平面电路加载技术，采用嵌套结构组成小型化波导单腔，实现了三维基础上的小型化，减小二维平面尺寸的同时，也减小了z轴双波导单元复用的高度。二是装配简单，无需额外电路结构的加载，复用一个波导单元即增大了单个波导腔内的电尺寸，且避免了加载额外电路结构带来的加工误差。三是低频段耦合带通波导滤波器结构更为紧凑。