Ka波段卫星应用的经典结构双频带波导滤光器

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本文介绍了Ka波段卫星应用中具有非对称经典结构的6极点、双频带波导滤波器的实现技术。选择不对称结构不仅增加了双频带滤波器的传输零点，而且高度隔离了输入和输出之间的耦合因素。为了获得传输方程的系数，本文从合成滤波网络的耦合矩阵中提取出了非常高效的非线性方程组。对于非对称经典结构，本文提出了一种用于滤波器设计的等效电路模型。为了验证实现的方法，本文实现一个用于Ka波段卫星应用的六极点，双模式，双通带滤波器。测量结果与计算结果具有很好的一致性。

为了有效利用可变频谱，传统卫星通信系统信道是频率连续的。每个频道用一个高敏感的频率信道滤波器滤波，再经过高功率放大器通过单一波束电波传送到地面。现代卫星系统通常采用复杂的频率规划和空间覆盖。这样的系统可能需要多通带的紧凑型滤波器。

卫星中的微波滤波器因为高有效载荷发射成本的缘故，通常要求体积尽可能的小。因此，双模式椭圆响应滤器一直被认为可以用来减小卫星的尺寸和体积（文献1）的有效技术。由于其易于制造和调整，管线双模式滤波器被广泛用于卫星应用中，在结构上，它们的输入和输出端口放在相反的两边（文献2、4）。Holme通过使用传输零点将滤波器分为多个通带实现了管线，双模式，双通道椭圆响应滤波器。（文献5）。不过，N极点、管线式、双模滤光器最多可以实现N/2传输零点。因此，需要采用经典结构双通道滤波器的实现技术将零点增加到N-2（文献6）。

本文将介绍非对称经典结构双通道滤波器的实现技术。不对称经典结构, 不仅增加了双通带滤波器的传输零点，而且隔离了输入与输出之间的耦合因素。为了构造非对称经典结构的六极点滤波器，本文选取了高效的非线性方程组，用以从耦合矩阵求出传输函数的系数。提出了采用集总元件的等效电路结构，同时给出了集总元件的值。为了验证提出的实现方法，制作了一个应用于卫星的六个极点双模式双通带滤波器。实验结果与理论值相一致。

双频带滤波器的传输函数

图1 双频带滤波器的传输特性

对于高频率选择性的单通道椭圆函数滤波器，所有的极点都分布在通带之内，而所有的零点都分布在通带外。但是，对于双通带实现，零点用于将一个单通带分为两个通带，如图1所示。而且对于通过分隔一个单通带实现双通带的方法来说，每个频带间的两个零点是必不可少的。因此高频率选择性的双通带，椭圆函数滤波器的结构应当至少使其能达到四个零点。通常，如果第一级与最后一级谐振滤器间的耦合值非零，那么N极点谐振滤波器的N-2个零点放在复合频率之上。在对所需的双通带滤波器的响应优化之后，可以确定零极点。为了满足设计的高标准，对零极点优化后有四个零点的对称六极点滤波器传输函数的s函数形式如下

其中，ε为波纹因子。

本文中要设计一个通带中回波损耗小于22dB的双通带滤波器，其分子，分母参数及波纹系数分别选择如下： az2 = 1.9531, az0 = 0.1182, ap5 = 1.0961, ap4 = 2.5333, ap3 = 1.6303, ap2 = 1.6228, ap1 = 0.4296, ap0 = 0.2144 和ε = 5.1370 。

六极点滤波器的偶合矩阵

图2 信号流程图图3

由于其易于制造和调整，输入和输出端口处在相反位置的管线双模式滤波器被广泛用于卫星应用中（文献3、4）。然而，N极点管线式双模式滤波器最多只能实现N/2个传输零点。通过采用经典结构可以将零点增加至N-2（文献5）。图2 示出了六极点对称和不对称结构经典滤波器的信号流程图。因为对称经典滤波器的耦合矩阵是对称的 (M ₁₂ =M ₅₆ 和M ₂₃ =M ₄₅ )，所以在大多数实际应用中容易获得。但是，当双模式技术应用于对称经典滤波器时有个重大缺陷。因为输入和输出耦合器件实际上处于同一个物理腔中，所以存在隔离问题。因此，非对称结构滤波器成为解决这个问题的替代结构。对于一个N极点，无损谐振滤波器，传输系数S21给定如下：

其中，R_T =输入/输出终端阻抗。

这里，[A]是N维方阵，含有复频率变量s和频率独立耦合系数Mpq，

就像传输函数有分子和分母多项式一样，N极点滤波器的传输参数 (方程2)可以用分数表达式描述。方程2的分母多项式等于带s的[A]的行列式。传输参数的分子可以从去掉了第N行与第1列元素的行列式得到。通过解传输函数的系数与耦合矩阵的连立可以构造出拥有两个零点的四极点滤波器。这种方法对四极点滤波器有效，但对于任意结构则没有给出任何方程。对于非对称经典结构的六极点滤波器，通过使用众所周知的算法计算行列式，能够导出高效方程以从耦合矩阵计算出关于s的分母和分子多项式的系数以及其终端阻抗。计算每个参数的方程组如下给出：

方程4给出的分子和分母多项式的系数应该等于方程1给出多项式的参数。比较多项式系数得到目标函数，优化后如下所示：

梯度优化法以及本文给出的目标函数通过商业化数学工具如MathCAD，应用于滤波器。通过优化得到的耦合值在等式6中示出。需要注意的是耦合矩阵拥有交替变大和变小的相邻谐振耦合。图3 示出了传输函数（方程1）的频率响应和方程6给出的耦合矩阵（[M]）。请注意传输函数和耦合矩阵的响应无法区分。这种一致性证明给出的谐振滤波器构造方法是基于其拓扑结构。

RT = 0.5480

六极点滤波器的等效电路模型

图4

表1 表2

对于在低介入损耗与高功率方面有严格要求的卫星通信系统，通常这种滤波器以波导形式实现。如图4，非对称经典结构的六极点双通带滤光器由处于TE₁₁₃激发态的环形波导腔，耦合虹膜和调谐螺杆组成。在每一个腔内都有一螺杆与极轴成45度角用以耦合双模式，调谐螺杆用以调整谐振频率。

为了设计这样的滤波器，需要适当的滤波器的电气模式与频率阻抗变换器相对应。相同滤波器构造下的同种电器模式在估计每个腔的长度时尤其实用。输入虹膜和内腔虹膜起到分流感应间断的作用，其大小决定于波导槽的长度。如等效电路中所示，输出虹膜和耦合螺杆可用电容代替。在此模型中，为了方便起见，谐振器使用了理想标准传输线（1Ω）。为了得到更高的空载Qs和实用的耦合系数，腔体通常选用三到四个半波长。本文选择三个半波长腔体。因为选用集总元件值的方法在文献12、13已有详细描述，这里就不再重复。当滤波器的中心频率为21GHz，带宽为150MHz时，元件数值和腔体电气长度的最终结果在表1和表2中给出。如表中所示，由于相邻的集总元件的缘故，每个腔体的电气长度都有不同相位。图5显示某非对称经典结构的六极点滤波器的频率响应。仿真使用的等效电路采用表中给出的集总元件值，仿真结果显示其与理想阻抗转换器所得结果很好地吻合。

成品六极点双频带滤光器

图6 双频带波导滤光器

图7 双频带滤光器理论（橙）和仿真（蓝）频率响应

为了减小体积和质量，这个滤波器采用了工作在TE113正交简并模下的虹膜耦合圆柱形波导腔体。腔体的直径经过认真选取以控制高次方模式同时达到优化Q_u的效果，Q_u影响着带内性能和损耗。为了确定腔体的长度，表中给出的电气长度和虹膜的有限厚度产生的附加长度都要考虑。组成滤波器的三个环状腔体在允许温度范围内长度变化很小。每个开端圆柱腔体由实心36号不胀钢加工而成，这种钢是一种低温胀系数合金，在特定温度范围内可以提供稳定的射频特性。虹膜由36号不胀钢箔片制成。如图6所示，为了使插入损失最小，腔体、虹膜与调谐螺杆都要镀银。在组装滤光器之前，输入/输出和腔内槽都必须通过测量腔内耦合来选择。（文献14）。槽装好之后，必须调节调谐螺杆和耦合螺杆。滤波器分为两个短路块，螺杆通过测量输入反射系数的相位相应调整。图7 示出了滤波器的计算和实测响应。实验滤波器的测量结果与理论值一致。这里介绍的滤波器结构及设计技术不仅可以应用在卫星通信系统中，而且可以用于商业通信系统。

结论

本文介绍了非对称经典结构Ka波段双通带滤波器的实现技术。选择不对称经典结构不仅增加了双通带滤波器的传输零点，并且高度隔离了输入和输出耦合。为了构造滤波器，本文提出了高效非线性方程，以由耦合矩阵的值求得传输函数系数。本文提出了使用了集总器件的等效电路的结构，并算出了集总器件的值。为了验证提出的方法，构造了一个应用于卫星的六极点，双模式，双通带滤波器。实验结果与理论值相一致。该滤光器结构和设计技术不仅可以应用于卫星通信系统还可用于商业通信系统。

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Man Seok Uhm 分别于1987年和1989年在韩国兴南大学电子通信工程系获得学士学位和硕士学位。1992年进入韩国电子和电信研究所(ETRI)，并研发实验系统转发器、天线和工程应用模型中的部件。目前主要研究微波主动和被动组件、卫星天线、卫星转发器和电磁场理论。

In Bok Yom分别于1990年和2004年在韩国汉阳大学和兴南国立大学电子通讯系获得学士学位和硕士学位。1990年，进入韩国电子和电信研究所(ETRI)，并研发雷达收发机系统、卫星通信工程实际模型中的部件。现在是韩国ETRI卫星通信射频技术研究院小组的主要负责人。主要研究微波主动和被动组件、卫星转发器和电磁场理论。

李哲普 分别于1997年和1999年在韩国汉城的韩国大学科学无线电系获得学士学位和硕士学位。从1999年至2001年，在 LG电子株式会社担任研究工程师，在那里参与了码分多址系统中射频部件可靠性和性能分析的研究。从2001年到2005年，在韩国电子和电信研究所(ETRI)负责研究人造卫星射频设备的ku及ka波段的通信。2005年9月，考入美国密西根大学计算机科学系在那里正攻读博士学位。主要研究射频和微波部件、卫星转发器和电磁理论。

金大中1988年在韩国汉城的汉城国立大学电子工程系获得学士学位，并分别于1990年和1998年在浦项科技大学电子工程系获得硕士和博士学位。从1990年至2001年,在研发中心LG Innotek担任研究工程师，在那里，从事天线设计、收发各种雷达系统。2001年以来,一直在重昂大学电气电子工程系任教。目前着重研究天线设计、RF和微波部件、RFID系统应用中的可调滤波器和各种随机信号的通信应用系统。