C波段大功率谐波滤波器设计

维普资讯 http://www.cqvip.com 第４期　电光系统　ＮＯ．４　２００７年１２月　Ｅｌｅｃｔｒｏｎｉｃ　ａｎｄ　Ｅｌｅｃｔｒｏ－ｏｐｔｉｃａｌ　Ｓｙｓｔｅｍｓ　Ｄｅｃ．２ｏ（ｙ７　Ｃ波段大功率谐波滤波器设计　赵双领　中国电子科技集团公司第二十七研究所，郑州４５００１５　摘要：介绍一种Ｃ波段大功率谐波滤波器。该滤波器采用同轴传输线周期性结构实现谐波滤波特性，　输入输出接口采用标准的ＢＪ－４８波导，以便于与发射机输出馈线系统的接口连接，整个滤波器的设计构　思巧妙，结构紧凑，零件少，易于装配，不用调试，而且整个滤波器以完全空气介质实现，因而通带损耗小，　有利于高功率传输。本文主要给出基本理论、设计思路、仿真和实验测试结果。　关键词：谐波滤波器；周期性结构；中线波导同轴转换　中圈分类号：ＴＮ６２２．１　文献标识码：Ａ　应形式为最平坦型响应和切比雪夫型响应。　１引言　谐波滤波器通常是指接在发射设备或系统　二　二　输出端用以抑制谐波功率的滤波器。中波波段　Ｅ＿蛐鼬ｔ■ｍ＾　叠　抑　＊Ｂ　蚋　的谐波滤波器往往采用谐振陷波回路分别对二　田１谐波滤波器的低通原型电路和近似响应　次、三次等谐波进行滤波。微波波段的谐波滤波　最平坦型响应的数学表达式为：　器一般采用一个不可调的多节低通滤波器来实　现，其截至频率高于最高工作频率。谐波滤波器　ＬＡ（∞）＝ｌｏｌｏｇ１０ｌ　１＋占ｆ、∞旦１１，　　Ｉ　的结构形式不仅取决于工作频率，而且与功率有　之所以称之为最平坦型响应就是因为其功率转　关，一般来说，它应该能够在额定驻波比的条件　移函数１＋占ｆ旦ｌ在关于∞的所有２ｎ次多项式　下承受发射机的输出功率。据承受功率的大小　、Ｏ）１，　不同，谐波滤波器有小功率和大功率之分，前者　中∞＝０处具有最大可能数目的零导数，曲线图　大多采用同轴结构，后者宜采用波导形式。根据　像最平坦。　应用场合的不同，可设计成不同的具体结构形　切比雪夫型响应的数学表达式为：　式。本文介绍一种大功率的Ｃ波段谐波滤波器，　（∞）＝ｌｏｌｏｓ－。１＋跚ｓ　ｈａｒｃｃ。ｓ（　）】｝，　采用波导接口与同轴滤波相结合的创新设计，以　∞≤∞‘　其电路简单，结构紧凑，易于加工和装配，不用调　试，可靠性高等为主要特点，电路的巧妙设计，使　（∞）＝１ｏｌｏｓ－。１…ｏｓｈ　卜ａｒｃｃｏｓｈ（　）】），　整个滤波器以完全空气介质实现，因而通带损耗　∞≥∞，　小，阻带抑制高，特别适用于大功率发射机的谐　在上面的表达式中：占＝１０（　）一１，其中　波滤波场合。　是通带最大衰减；∞表示工作频率，∞　为截止频　率或最高通带频率；ｎ是电抗元件数目，若ｎ为偶　２谐波滤波器的低通原型　数，则响应内Ｌ　＝０的频率有ｎ／２个；若，ｌ为奇　数，则响应内Ｌ　＝０的频率有（，ｌ＋１）／２个¨ｊ。　谐波滤波器可以用低通滤波器来实现。其　对于双终端低通原型滤波器电路来说，其电　低通原型电路和近似响应如图１所示。因为理　路总是对偶或对称的，并且响应相同电路可逆。　想滤波器的特性无法实现，于是根据所选逼近函　其元件值的物理意义如下：　数的不同会有不同的近似响应，最常见的两种响　ｇ　（ｉ＝１一，１）表示串联电感或并联电容。　作者简介：赵双领（１９６４　），男，高级工程师，兰州大学无线电系本科毕业，研究方向：微波技术。　维普资讯 http://www.cqvip.com 总第１２２期　赵双领：Ｃ波段大功率谐波滤波器设计　４５　当ｇ　为容抗时，即滤波器是电容输入，则ｇ０　为信号源电阻；当ｇ　为感抗时，即滤波器是电感　输入，则ｇ０为信号源电导。　当ｇ　为容抗时，即滤波器是电容输出，则　ｇ　＋　为负载电阻；当ｇ　为感抗时，即滤波器是电　为：　Ｘ＝Ｚｏｓｉｎ（ｔｏｌ／ｖ）　Ｚｏｔｏｌｌｖ　Ｂ＝２ｙ０ｔａｎ（ｔｏｌｌ２ｖ）　ＹｏＭＩｖ　上式的近似等效中要求ｔｏｌｌｖ＜　。当传输　线很短且端接洽当时，则可近似认为其与一个单　感输出，则ｇ　＋　为负载电导。　３低通原型滤波器的设计方法　对于一个低通原型滤波器来说，其设计条件　应有截止频率∞　，通带最大衰减　，阻带最低工　作频率∞，阻带最小衰减　，端节阻抗　。设计时　首先选定低通原型的型式，然后根据归一频率　和阻带最小衰减　，通过查阅有关低通原型　滤波器的衰减特性图表，可以得到应取的滤波器　元件数目ｌｔ＇和归一化元件值ｇ　一ｇ　（ｇ０＝ｇ　＋　＝　１）。对于最平坦型和ｌｔ＇为奇数的切比雪夫型低通　原型来说，因其电路是对称的，故有ｇ　＝ｇ　小　；而　对于ｌｔ＇为偶数的切比雪夫型低通原型来说，其电　路是反对称的，即对称位置上的元件值的乘积为　正实常数，于是有ｇ　／ｇ　小　＝Ｒｈ　，Ｒｈ为某一实常　数。由此可知，实际元件值的计算量可以减半。实　际元件值与归一元件值之间的关系如下：　电阻：　＝Ｒｏｇｉ；　电导：Ｇｉ＝ｇｆ／Ｒ０　电容：Ｃ‘＝ｇｉ／Ｒ０／ｔｏ１；电感：厶＝Ｒ０ｇ‘／ｔｏ１　４低通原型滤波器的微波结构实现　从低通原型滤波器电路可以清楚地看出，它　是由一系列串联电感和并联电容交替连接所组　成的。我们知道，在微波电路中，一个传输线小　段可以等效为电容和电感组成的Ｔ形或兀形电　路，如图２所示。　妊＝　＝　Ｚｏ＝Ｉ，Ｙ０　作输拖小段　图２传输线小段及其等效电路　图中ｚ表示传输线小段的长度，ｚ０和ｙ０是其　阻抗和导纳。在　型等效电路中，其等效电抗和　电纳分别为：　Ｘ＝２Ｚｏｔａｎ（Ｍ／２ｖ）　Ｚｏｔｏｌｌｖ　Ｂ＝ｒｏｓｉｎ（ｔｏｌｌｖ）　ｒｏｔｏｌｌｖ　在兀型等效电路中，其等效电抗和电纳分别　独的电抗元件相等效。对于两端接有高阻抗线的　低阻抗传输线小段来说，在其　型等效电路中的　串联电抗Ｘ很小，而其两端串接的高阻抗线的电　抗很大，故　可以忽略，于是可以等效为一个单　独的并联电容。同理，对于两端接有低阻抗线的　高阻抗传输线小段来说，在其Ⅱ型等效电路中的　并联电纳Ｂ很小，而其两端并接的低阻抗线的电　纳很大，故　亦可以忽略，因此其电路可以等效　为一个单独的串联电感。　根据上面的原理，可以用高、低阻抗线分别　替代低通原型滤波器中的电感和电容元件，从而　构成微波波段的低通滤波器。若进一步对其结　构进行合理设计，则可实现大功率的谐波滤波。　５大功率谐波滤波器的电路设计　根据工程需要，希望对１０００　Ｗ的连续波功　率信号进行谐波滤波。为此，要求设计一个大功　率的谐波滤波器，其主要指标要求如下：　工作频率：５．７　ＧＨｚ±Ｏ．１　ＧＨｚ　通带损耗：≤Ｏ．３　ｄＢ；谐波抑制：≥６０　ｄＢ　由于功率要求不是很高，滤波器的电路设计　采用波导接口与同轴滤波相结合的创新思路。　采用波导接口是为了方便滤波器与发射系统的　接口连接，采用同轴滤波则是电路简单，设计方　便和加工容易。但是，从波导到同轴和同轴到波　导的转换设计上，同轴阻抗设计与承受功率的关　系处理上，以及电气参数的选取与结构尺寸的实　现等方面都应予以专门的设计考虑。　首先是波导和同轴线之问的转换设计，创新　的采用了波导端接，宽边中线，内导体自支撑设　计方案，使得电路与结构巧妙结合，既实现了滤　波器电路的电气参数要求，又实现了滤波器结构　上的完全空气介质自支撑结构。这样的设计不　仅电路简单、结构对称，更重要的是减少了结构　的零件数目，方便了加工和装配，提高了适用性　和可靠性，而且完全空气介质结构，将会降低通　带损耗，有利于高功率的传输。　同轴线的特性阻抗ｚ０与其内导体外径ａ和　维普资讯 http://www.cqvip.com 电光系统　第４期　外导体内径ｂ之间的关系为：　Ｚｏ＝１３８１ｏｇ（ｂ／ａ）／（８ｒ／ｌ￣ｒ）　（Ｑ）　真结果如图４所示。　式中Ｂｒ和　ｒ分别是同轴线两导体间填充介质的　相对介电常数和相对磁导率。　同轴线导体铜损耗所引起的衰减为：　＝７．４７ｑ＇ｅｒ）　（１＋ｂ／ａ）×　１０￣／ｂｌｎ（ｂ／ａ）（ｄＢ／ｒｎｍ）　式中厂是工作频率，单位ＧＨｚ。　匹配空气同轴线所能传输的最大平均功率　（击穿功率）为：　Ｐ　＝１７．５２ａ　Ｉｎ（ｂ／ａ）（ｋＷ）　式中ａ，ｂ的单位均为毫米。　因为滤波元件中的串联电感和并联电容分　别是由高阻抗线和低阻抗线来实现的，无论串联　电感还是并联电容都与高、低阻抗线的阻抗值和　线段长度有关，通常是选定阻抗而后设计长度。　一方面判定设计结果是否合理要看结构尺寸是　否便于加工制造，另一方面还要看其阻抗选择的　结果是否具有较小的导体损耗和能够传输较大　的平均功率。　基于上述分析，选定高阻抗为１００　Ｑ，低阻　抗为２５　Ｑ。考虑到通带最大衰减　，≤０．３　ｄＢ，阻　带最小衰减　≥６０　ｄＢ，选用切比雪夫原型，并　取元件数目　＝１５。整个滤波器采用一体化立体　结构设计，在保证技术性能的条件下，尽量减少　零件个数，以方便加工和装配。最终设计仅有两　个零件：外导体和内导体。其结构模型示意如图３　所示。　‘　图３大功率谐波滤波器结构模型示意图　６仿真结果　选用铝材和空气介质，使用Ａｎｓｏｆｔ微波仿真　软件对滤波器的电路进行建模仿真和优化计算。　通过改变高低阻抗线段的长度和波导同轴转换　内导体的结构参数数值对滤波器电路的通带衰　减和阻带抑制特性进行优化计算，最终得到的仿　：ｌｊ警≥毒手ｊ　墓＃　ｊ　囊薯　薹　囊箨劳　。曩。　：　＿ｉ．ｌｉｉｌ薯毒蠢ｌ　　：’　’｛　－：　图４大功率谐波滤波器主要指标仿真结果　７实验结果　根据仿真和优化设计结果，结合实际结构要　求，将其转化成机械加工尺寸，并进行设计制图　和生产，装配后无需调试，得到的试验测试结果　如表１所示。　表１试验测试结果　指标项目　实验测试结果　工作频率（Ｇ　）　５．６—５．８　通带损耗（ｄＢ）　Ｏ．２ｌ　谐波抑制（ｄＢ）　６Ｉ．５　端口驻波　１．２８　８结束语　通过对实验测试结果分析可以看出：在设计　的工作频带宽度内，实验结果与仿真结果基本吻　合，其主要技术指标全部达到设计要求，完全可　以满足工程应用的需要。另外，在测试过程中发　现，将两个滤波器直接串接，无需任何调配即可　使用，这时通带损耗增大为０．３６　ｄＢ，谐波抑制可　达到９２　ｄＢ。这一点对工程应用来说将具有特别　的意义。　参考文献　［１］林为干．微波网络［Ｍ］．国防工业出版社，１９７８．　［２］甘本祓，吴万春．现代微波滤波器的结构与设计　［Ｍ］．科学出版社，１９７３．　［３］甘本祓，冯亚伯，叶佑铭．微波技术（第一分册）［Ｍ］．　西北电讯工程学院，１９７８，（６）．