加載周期性脊波導(dǎo)的E面濾波器設(shè)計解析

1 引言
　　E面插片波導(dǎo)濾波器由于損耗小、高Q值，成本低，加工方便，適合批量生產(chǎn)從而得到廣泛的應(yīng)用。盡管有很多優(yōu)點，但是也存在著帶外衰減緩慢，阻帶較窄，有時尺寸過大等缺點，限制了它在很多地方的應(yīng)用。為了克服E面插片波導(dǎo)濾波器的缺點，本文提出了一種新型的具有高度選擇性的濾波器結(jié)構(gòu)，即將E面插片波導(dǎo)和脊波導(dǎo)結(jié)合起來，在E面插片濾波器的諧振器中嵌入周期性的脊波導(dǎo)結(jié)構(gòu)，實現(xiàn)了帶外衰減快，尺寸小的特點。
　　不同類型的周期性結(jié)構(gòu)具有不同的特性，一直以來都是熱點研究課題。在濾波器中加入周期性結(jié)構(gòu)就可以使得濾波器具有尺寸減小，提高帶外衰減的效果。這是由于周期性結(jié)構(gòu)的慢波效應(yīng)引起的：相對于在均勻傳輸線中傳播的波，慢波的相速和波導(dǎo)波長明顯的減小了，因此半波長諧振器的長度也相應(yīng)的減小。同時由于慢波的散射關(guān)系，實現(xiàn)了帶外衰減特性的提高。
　　E面插片波導(dǎo)和脊波導(dǎo)組成的周期性結(jié)構(gòu)是一種很容易實現(xiàn)的結(jié)構(gòu)，如圖1所示，在E面插片濾波器的諧振器中級聯(lián)具有等間隙的脊波導(dǎo)，用這種周期性結(jié)構(gòu)代替矩形波導(dǎo)中的諧振器。本文提出的新結(jié)構(gòu)和標準E面插片濾波器很相似，除了具有E面插片濾波器的一般優(yōu)點外，還具有帶外衰減快，尺寸小的優(yōu)點。
　　
　　
　　圖1 加載脊波導(dǎo)的E面濾波器
　　2 理論分析
　　對于本文的新濾波器結(jié)構(gòu)，將其分成兩個模塊進行分析，E面插片模塊和矩形波導(dǎo)-雙脊波導(dǎo)模塊，主要的分析方法是模式匹配法。E面插片結(jié)構(gòu)的模型如圖2所示，膜片的厚度為t，長度為w，橫截面為a*b，插片平面與波導(dǎo)窄邊平行。
　　
　　圖2 E面插片結(jié)構(gòu)
　　由于不連續(xù)性在x方向，y方向上是連續(xù)的，所以受TE10模激勵時，在不連續(xù)處只會激勵TEm0模式。將各區(qū)域中沿+Z和-Z方向傳播的所有模式考慮在內(nèi)，當和時，I區(qū)和II區(qū)、I區(qū)和III區(qū)在分界面Z=0處的橫向電場和磁場滿足邊界條件的連續(xù)性，從而通過模式展開求解膜片結(jié)構(gòu)的散射參數(shù)，具體計算過程可參考相關(guān)文獻。
　　脊波導(dǎo)結(jié)構(gòu)的模型如圖3所示，脊波導(dǎo)中TE和TM模式都存在，其最低模式的場結(jié)構(gòu)與矩形波導(dǎo)中的主模很相似，只是在凸出部分的電場更為集中，棱角處有不均勻的電場，而在脊的兩側(cè)磁場也更為集中。由于凸緣的作用，相當于將矩形波導(dǎo)的寬邊加大，因此其最低模的截止波長更長，與次低模的截止波長相差也就更大，因此單模工作的頻帶更寬，即在同一頻率的情況下，脊波導(dǎo)的尺寸更小。