本周工作較忙，正式工作也有好多事情拖延，原本計劃繼續把移相器寫完，但為了完成本周計劃就寫一篇自己熟悉的領域。
前期寫了一篇《如何設計帶通濾波器》的文章，用的是梳線濾波器做的例子。我的初衷是想通過一個梳線濾波器的設計來介紹帶通濾波器的通用設計過程，但中途有網友問
波導濾波器/微帶線濾波器如何設計，我想說所有結構的帶通濾波器都可以按照之前文章的方法來操作，前提是需要積累各種結構濾波器的諧振器形式，能量耦合方式，很大程度上經驗也是體現在對各種結構電學特性的理解上而不是掌握多少種設計方法上。今天講解一個圓波導雙模濾波器的設計，來更進一步體會帶通濾波器的設計方法。
圓波導雙模濾波器Q值高，結構緊湊，可以高可靠的實現復雜的濾波器函數特性（無需探針或耦合環等結構），當采用殷鋼材質時可以實現超高的溫度穩定性。所以廣泛的應用在衛星系統中。
1、圓波導雙模濾波器的工作原理
帶通濾波器的核心工作原理時通過適當的能量交換結構（耦合）實現幾個互不相關的諧振器（能量儲存）間的能量傳遞，從而實現濾波功能。圓波導工作的主模是TE11模，由于圓波導的對稱性，當利用圓波導作為諧振器時，在一個圓波導的腔體內包含兩個相互正交（無能量交換）的極化簡并模如圖 1所示，這就類似于兩個無能量交換的同頻率諧振器，這樣就可以用一節諧振器的體積實現兩個諧振器的功能，從而可以減小波導濾波器的體積。
圖1 圓波導中兩個相互正交的簡并模
一個雙模帶通濾波器的工作原理見圖 2所示，一個矩形波導饋入一個垂直極化的電場。
圖2 雙模帶通濾波器的工作原理
進入圓波導諧振器后，激起模式1的垂直極化場，通過一個45°的螺釘使垂直極化場產生了水平極化分量，激勵起模式2的水平極化場，從而實現了垂直極化場和水平極化場的耦合。模式2的水平極化能量可以通過一個垂直的M23耦合小窗實現兩個圓波導諧振器間水平極化場的耦合，依次類推便實現了能量在波導管中的儲存傳遞，實現濾波。
2、圓波導雙模濾波器的設計步驟
波導濾波器的設計步驟和《如何設計一個帶通濾波器》里的梳線濾波器設計步驟基本一樣，這里對設計過程就盡量簡化。實例采用一個4階11.5GHz 100MHz帶寬的切比雪夫濾波器作為實例，鏈接：https://pan.baidu.com/s/1JO_0eEG25d4rXMsws7XFTQ 密碼：xmfy
設計過程如下：
1) 本征模式確定諧振器尺寸
2) 輸入耦合窗尺寸確定
3) 12兩個極化簡并模式間的耦合螺釘深度計算（34和12對稱）
4) 23兩個波導腔間耦合窗口計算
5) 濾波器整體仿真
建立圖 3所示的圓波導本征模式仿真模型，確定諧振在11.5GHz的TE11模式圓波導尺寸，由于圓波導中模式復雜，可以通過場型觀察確認模式選擇是否正確。通過仿真，諧振器尺寸大概為半徑R=9.5mm，長度L=22.3mm。
圖3 本征模式確定諧振器尺寸
通過excel時延計算工具（前期分享）得到，該濾波器的輸入時延需要4.8ns,在
HFSS中建立圖圖 4的模型，通過計算可以的得到耦合窗口的尺寸為LM01=11.5mm。諧振器由于耦合窗的作用尺寸偏長，可適當縮短至22mm。
圖4 輸入耦合窗口計算
- 12兩個極化簡并模式間的耦合螺釘深度計算（34和12對稱）
12間極化簡并模式的耦合是通過兩個模式間一顆45°的螺釘實現的，時延需要7.8ns，在HFSS中建立圖 5所示的模型，通過仿真，找出M12耦合螺釘的長度M12=1.6mm。（小技巧：雙諧振器仿真時先任意指定一個耦合值，稍微大一些。先調諧2諧振器的頻率，將時延諧振峰值找對稱，之后在精確確定耦合尺寸。）
圖5 M12耦合螺釘尺寸確定
23耦合屬于兩個波導腔中同極化模式的耦合，群時延大小需要14ns，可以用圖 6所示的模型來確定23耦合窗口的大小，經過計算M23=8.3mm。
圖6 窗口耦合尺寸確認模型
濾波器整體仿真
經過上述步驟的仿真后關鍵尺寸確定如表 1所示。在HFSS中建立完整的雙模濾波器仿真模型，大部分的尺寸都由前面幾步的仿真確定了，但模式2的頻率由于23窗口耦合因素沒有考慮，螺釘深度不確定，現階段S2深度是影響濾波器性能的關鍵參數。
表1 雙模濾波器關鍵尺寸表
修正S2的方法有很多，這里由于模型較簡單可以通過掃描方式直接準確找出S2的深度，經過一次掃描可以發現S2深度在2.3mm時雙模濾波器性能已經很不錯了見圖 7所示。如果追求完美可以通過調諧，優化，或者參考之前的《參數提取法設計帶通濾波器》對濾波器性能進行精確調諧。實際上由于腔體濾波器的調諧范圍非常大，到這個階段后就沒有必要精確仿真了。
通過結果可以看到，我們通過兩節波導腔實現了4階的濾波器。如果感興趣可以適當修改下腔體里的簡并模耦合螺釘位置，把腔體間的窗口改成十字槽，可以發現這種濾波器很容易實現CQ式的廣義切比雪夫濾波器。文章中為了節省時間仿真時采用了很多近似，精確仿真時可能存在誤差，但不影響對雙模濾波器設計方法的了解。
圖7 雙模濾波器模型及性能
作者：趙強 微信號：q_zhao_ls
簡介：
2004～2011 華中科技大學 微電子學與固體電子學 碩士
2011～2015 中電29所西科微波通訊有限公司
2015~ 2018 華為技術有限公司
2018～至今 航天微電科技有限公司成都分公司
粵公網安備 44030902003195號