一种X频段超大功率吸收式谐波滤波器

摘要

本发明公开了一种X频段超大功率吸收式谐波滤波器，包括上波导腔体和下波导腔体，上波导腔体与下波导腔体扣合形成截面为长方形的主波导腔，主波导腔的两侧面分别安装有波导法兰，所述上波导腔体与下波导腔体的外面，由里到外分别依次固定设置有形状大小完全一样的中间腔体和盖板。本发明通过设置十二组大小渐变的副波导腔，实现同时对二、三、及四次谐波进行抑制，二次谐波抑制度大于70dB,三次谐波抑制度大于60dB，四次谐波抑制度大于40dB,极大降低了对接受信道的干扰；采用耦合孔加载副波导腔结构，滤波器插入损耗小于0.2dB,通带驻波小于1.1，大大提高了滤波器功率容量，可广泛应用于各种高功率微波领域。

权利要求

1.一种X频段超大功率吸收式谐波滤波器，其特征在于：包括上波导腔体和下波导腔体，上波导腔体与下波导腔体扣合形成截面为长方形的主波导腔，主波导腔的两侧面分别安装有波导法兰，所述上波导腔体与下波导腔体的外面，由里到外分别依次固定设置有形状大小完全一样的中间腔体和盖板，所述的盖板、中间腔体和上、下波导腔体分别通过紧固螺钉进行密封固定层状设置；

其中下波导腔体为一字型；所述的下波导腔体上设置有多个第一矩形孔，所述的多个第一矩形孔沿下波导腔体程两排对称分布，所述的多个第一矩形孔的宽度相同，且所述的第一矩形孔以设置在下波导腔体上正中间一排的两个第一矩形孔为轴两侧对称分布，向两侧分布的第一矩形孔的长度依次变小；所述的第一矩形孔靠近主波导腔的一端向第一矩形孔内延伸设置有延伸耳，由延伸耳围绕形成的孔为耦合孔；

所述的上波导腔体与下波导腔体对应面上对应设置有多个第二矩形孔，装配后，所述的第二矩形孔的位置和第一矩形孔的位置为对应位置关系，且对应位置的第一矩形孔和第二矩形孔的形状、大小均相同；所述的第二矩形孔靠近主波导腔的一端向第二矩形孔内延伸设置有延伸耳，由延伸耳围绕形成的孔为耦合孔；

所述的中间腔体上设置有多个第三矩形孔，装配后，所述的第三矩形孔与第二矩形孔对应设置，第三矩形孔的数目与第二矩形孔数量相同，对应位置的第三矩形孔的、大小、形状与第二矩形孔的大小、形状完全相同；

所述的盖板上与中间腔体的接触面与设置在中间腔体的第三矩形孔相对应设置有凹槽，所述的凹槽的槽面大小与第三矩形孔的孔面大小相同，且凹槽内设置有吸收负载；

所述的盖板上的凹槽与与之对应设置的第三矩形孔、第二矩形孔或第一矩形孔形成副波导腔。

2.根据权利要求1所述的X频段超大功率吸收式谐波滤波器，其特征在于：所述的多个第一矩形孔分共为十二组，每组中第一矩形孔的孔径大小相同。

3.根据权利要求2所述的X频段超大功率吸收式谐波滤波器，其特征在于：所述每组中孔径大小相同的第一矩形孔的个数为六个。

4.根据权利要求3所述的X频段超大功率吸收式谐波滤波器，其特征在于：所述的主波导腔和副波导腔的内腔表面设置有镀金层。

5.根据权利要求4所述的X频段超大功率吸收式谐波滤波器，其特征在于：所述的吸收负载为横截面为三角形的三棱柱，三棱柱底面大小与凹槽的槽口大小相同。

6.根据权利要求5所述的X频段超大功率吸收式谐波滤波器，其特征在于：所述的吸收负载底面抹有高强度导热胶，然后将与矩形槽相对应的吸收负载紧贴在盖板矩形槽中。

7.根据权利要求6所述的X频段超大功率吸收式谐波滤波器，其特征在于：所述的副波导腔间的间隔为3／4波导波长，即每相邻两个第一矩形孔列向上轴间距为3／4波导波长。

说明书

一种X频段超大功率吸收式谐波滤波器

技术领域

[0001] 本发明涉及X频段微波超高功率发射机应用技术领域，尤其涉及一种X频段超大功率吸收式谐波滤波器。

背景技术

[0002] 随着全球信息化的推进，大量的信息需要通过射频、微波通信设备进行传输，要求其传输速度更加快，传输带宽更加宽，抗干扰能力更加强，在这些要求中滤波器充当着极其重要的作用。特别是在深空探测等高功率微波应用领域，滤波器的作用更为突出，同时研制难度也大为提高。日益增多的通信系统必须在有限的频谱资源中正常工作，须按需求对频谱加以分配，则对滤波器选择频率的准确性要求更加苛刻。同时随着民用通讯设备和军用通信装备的发展需求，对滤波器提出更为严格要求。研究高性能、超大功率容量的滤波器对当前的高功率微波通信设备至关重要。

发明内容

[0003] 本发明的目的是提供一种X频段超大功率吸收式谐波滤波器，能够使深空探测微波高功放在进行微波功率输出时，通过谐波滤波器对多次谐波及接收频带信号寄生输出抑制，实现消除对接收设备的干扰，保证了发射机高功率工作时，不干扰接收设备工作。

[0004] 本发明采用的技术方案为：

[0005] 一种X频段超大功率吸收式谐波滤波器，包括上波导腔体和下波导腔体，上波导腔体与下波导腔体扣合形成截面为长方形的主波导腔，主波导腔的两侧面分别安装有波导法兰，所述上波导腔体与下波导腔体的外面，由里到外分别依次固定设置有形状大小完全一样的中间腔体和盖板，所述的盖板、中间腔体和上、下波导腔体分别通过紧固螺钉进行密封固定层状设置；

[0006] 其中下波导腔体为一字型；所述的下波导腔体上设置有多个第一矩形孔，所述的多个第一矩形孔沿下波导腔体程两排对称分布，所述的多个第一矩形孔的宽度相同，且所述的第一矩形孔以设置在下波导腔体上正中间一排的两个第一矩形孔为轴两侧对称分布，向两侧分布的第一矩形孔的长度依次变小；所述的第一矩形孔靠近主波导腔的一端向第一矩形孔内延伸设置有延伸耳，由延伸耳围绕形成的孔为耦合孔；

[0007] 所述的上波导腔体与下波导腔体对应面上对应设置有多个第二矩形孔，装配后，所述的第二矩形孔的位置和第一矩形孔的位置为对应位置关系，且对应位置的第一矩形孔和第二矩形孔的形状、大小均相同；所述的第二矩形孔靠近主波导腔的一端向第二矩形孔内延伸设置有延伸耳，由延伸耳围绕形成的孔为耦合孔；

[0008] 所述的中间腔体上设置有多个第三矩形孔，装配后，所述的第三矩形孔与第二矩形孔对应设置，第三矩形孔的数目与第二矩形孔数量相同，对应位置的第三矩形孔的、大小、形状与第二矩形孔的大小、形状完全相同；

[0009] 所述的盖板上与中间腔体的接触面与设置在中间腔体的第三矩形孔相对应设置有凹槽，所述的凹槽的槽面大小与第三矩形孔的孔面大小相同，且凹槽内设置有吸收负载；

[0010] 所述的盖板上的凹槽与与之对应设置的第三矩形孔、第二矩形孔或第一矩形孔形成副波导腔。

[0011] 所述的多第一矩形孔分共为十二组，每组中第一矩形孔的孔径大小相同。

[0012] 所述每组中孔径大小相同的第一矩形孔的个数为六个。

[0013] 所述的主波导腔和副波导腔的内腔表面设置有镀金层。

[0014] 所述的吸收负载为横截面为三角形的三棱柱，三棱柱底面大小与凹槽的槽口大小相同。

[0015] 所述的吸收负载底面抹有高强度导热胶，然后将与矩形槽相对应的吸收负载紧贴在盖板矩形槽中。

[0016] 所述的各副波导腔间的间隔为3／4波导波长，即每相邻两个第一矩形孔列向上轴间距为3／4波导波长。

[0017] 本发明通过设置十二组大小渐变的副波导腔，实现同时对二、三、及四次谐波进行抑制，二次谐波抑制度大于70dB,三次谐波抑制度大于60dB，四次谐波抑制度大于40dB,极大降低了对接受信道的干扰；采用耦合孔加载副波导腔结构，滤波器插入损耗小于0.2dB,通带驻波小于1.1，大大提高了滤波器功率容量，可广泛应用于各种高功率微波领域；本发明功率容量高，平均功率容量达100kW以上；体积相对小，重量轻、长宽高仅182mmx68.3mmx83.8mm，对于超大功率发射机系统小型化有重要意义；进一步的本发明端口采用标准BJ70波导法兰，便于安装、性能指标良好。综上所述，本发明结构简单、新颖，安装紧凑，工艺难度小，加工方便；可靠性高，非常适合应用于高功率微波发射机。

附图说明

[0018] 图1为本发明的装配图；

[0019] 图2为本发明所述盖板以及吸收负载的部分结构示意图；

[0020] 图3为本发明所述上波导腔的结构示意简图；

[0021] 图4为本发明的等效电路原理框图。

具体实施方式

[0022] 如图1、2和3所示，本发明包括一种X频段超大功率吸收式谐波滤波器，包括上波导腔体3和下波导腔体4，上波导腔体3与下波导腔体4扣合形成截面为长方形的主波导腔7，主波导腔7的两侧面分别安装有波导法兰8，可用来与外接系统紧密连接。所述上波导腔体3与下波导腔体4的外面，由里到外分别依次固定设置有形状大小完全一样的中间腔体2和盖板1，所述的盖板1、中间腔体2和上、下波导腔体分别通过紧固螺钉9进行密封固定层状设置；

[0023] 其中下波导腔体4为一字型；所述的下波导腔体4上设置有多个第一矩形孔，所述的多个第一矩形孔沿下波导腔体4程两排对称分布，所述的多个第一矩形孔的宽度相同，且所述的第一矩形孔以设置在下波导腔体4上正中间一排的两个第一矩形孔为轴两侧对称分布，向两侧分布的第一矩形孔的长度依次变小；所述的第一矩形孔靠近主波导腔7的一端向第一矩形孔内延伸设置有延伸耳，由延伸耳围绕形成的孔为耦合孔；

[0024] 所述的上波导腔体3与下波导腔体4对应面上对应设置有多个第二矩形孔6，装配后，所述的第二矩形孔6的位置和第一矩形孔的位置为对应位置关系，且对应位置的第一矩形孔和第二矩形孔6的形状、大小均相同；所述的第二矩形孔6靠近主波导腔7的一端向第二矩形孔6内延伸设置有延伸耳，由延伸耳围绕形成的孔为耦合孔；所述的多个第一矩形孔分共为十二组，每组中第一矩形孔的孔径大小相同。所述每组中孔径大小相同的第一矩形孔的个数为六个。

[0025] 由于由多个第二矩形孔的个数根据需求和效果不同进行选择，本申请以具体最优实施例进行说明：如图3所示，上波导腔体3包括多个用于螺钉9进行固定的螺孔22、BJ70波导法兰8和多个第二矩形孔，大小相同的第二矩形孔为一组，则所述第二矩形孔共分为十二组，每组中一排设置有六个相同的矩形孔（图中简化省略了），总共为12个矩形孔24-1、12个矩形孔24-2……12个矩形孔28-1、12个矩形孔28-2及24个矩形孔29-1，共144个矩形孔，每个矩形孔与滤波器主腔上20主腔内表面32宽面接触的地方设置有延伸耳34，延伸耳34形成的孔为是耦合孔35，如上波导腔体3 A-A剖面图3所示，局部放大之后，为矩形孔33与之相对应的耦合孔35.这些方形孔和与之相对应的耦合孔沿滤波器上波导腔体3呈两排分布，每种方形孔，每排并列6个，由上波导腔体3两端矩形孔24-1、24-2到上波导腔体3中间矩形孔29-1逐渐变大，并且关于上波导腔体3成轴对称。所述的盖板1上的凹槽11与与之对应设置的第三矩形孔、第二矩形孔或第一矩形孔形成副波导腔。由上述例子可知，滤波器上、下总共有
288个副波导腔。

[0026] 所述的中间腔体2上设置有多个第三矩形孔，装配后，所述的第三矩形孔与第二矩形孔6对应设置，第三矩形孔的数目与第二矩形孔6数量相同，对应位置的第三矩形孔的、大小、形状与第二矩形孔6的大小、形状完全相同；

[0027] 由于第一矩形孔和第二矩形孔的结构特征完全相同，所以在此不再赘述第一矩形孔的具体结构图，而且由于第三矩形孔的结构分布特征与第二矩形孔的结构对应相同，只是缺少了耦合孔，所以中间腔体的具体结构显而易见，所以在此也不在举例进行列举说明。

[0028] 所述的盖板1上与中间腔体2的接触面与设置在中间腔体2的第三矩形孔相对应设置有凹槽11，所述的凹槽11的槽面大小与第三矩形孔的孔面大小相同，且凹槽11内设置有吸收负载12；

[0029] 所述的主波导腔7和副波导腔的内腔表面设置有镀金层。主波导腔可用来传输高功率微波。副波导腔经过耦合孔35与主波导腔7实现阻抗匹配，用来提取滤波器寄生的多次谐波及高次模微波能量，经过黏贴在两个盖板1上的吸收负载，将副波导腔提取的多次谐波及高次模微波能量吸收，从而实现对多次谐波及高次模的抑制。

[0030] 所述的吸收负载12为横截面为三角形的三棱柱，所述的三棱柱由耐高温的聚合物制成的电磁性材料，所述的吸收负载12底面抹有高强度导热胶，然后将与矩形槽相对应的吸收负载紧贴在盖板1上的凹槽11中。

[0031] 所述的各副波导腔间的间隔为3／4波导波长，即每相邻两个第一矩形孔列向上轴间距为3／4波导波长。本发明采用相距四分之一波长整数倍的串联副波导腔来研制波导谐波滤波器，这种滤波器的等效电路如附图4所示，通常，副波导腔间的间隔取1／4波导波长是不够的，这是由于各副波导腔的耙合孔周围的边缘场相互作用，将会使滤波器的性能变坏，其阻带响应出现三个衰减峰，两峰之间有比较低的衰减氏而不是所需要的单一高衰减峰。

[0032] 由低通原型设计出的波导滤波器频率响应公式：

[0033]           （1）

[0034]  用波长表示，可写成：

[0035]            （2）

[0036] 式中 、 和 分别为阻带中心和阻带上下带边的波导波长。在波导谐波滤波器中，用耦合孔把各副波导腔连接到特性导纳为Y的主波导腔上，各副波导腔都是特性导纳为Yb的波导腔，其长度略小于半个波导波长。矩形耦合孔的长度为远小于半个自由空间波长，并可近似看成与主波导相串联的电感。副波导腔和耦合孔组成的等效电路Cn与Hn环形结构，如图4所示。然后在每个副波导腔末端加上吸收负载12，将耦合谐波及高次模的能量转化成热能，通过波导壁散出。

[0037] 各耦合孔的电纳B可用该耦合孔上的磁化强度 来近似确定。其表达式为：

[0038]              （3）

[0039] 式中a是副波导腔的宽度，b、是高度。若在厚度为 无限薄的壁上开一个长为 的藕合孔，远小于半个自由空间波长。在一般情况下，当  不为无限薄，也不远小于半个自由空间波长时，则有经验关系式：

[0040]           （4）

[0041] 式中 为中心频率( )时的自由空间波长，而 为对应的波导波长。每个副波导腔的谐振条件是：

[0042]                 （5）

[0043] 式中

[0044]                   （6）

[0045] L是副波导腔的长度。

[0046] 从主传输线看各副波导腔的电纳斜率参数激为：

[0047]             （7）

[0048] 式中

[0049] ， ,

[0050] 其中 ， 假定不随频率而变。经过理论计算并结合电磁场仿真，可知当副波导腔和耦合口所应满足的条件的时候，副波导腔能够从主波导腔提取特定谐波或高次模频率。

[0051] 本发明在组装时，如图1所示，首先再盖板1所有凹槽11中安装吸收负载12后，将带有吸收负载12的一面紧扣在中间腔2上，其中，第三矩形孔与凹槽11相一一对应；然后将中间腔2紧扣在上波导腔体3非耦合孔35所在面的端面上，并用螺钉9通过螺孔21将盖板1、中间腔体3紧固在一起；同时将中间腔体3紧扣在下波导腔体4非耦合孔35所在面的端面上，并用螺钉9通过螺孔21将另一组盖板1和中间腔体3紧固在一起，最后将紧固好的上波导腔体3与一组盖板1、中间腔体3与、下波导腔体4与另一组盖板1、中间腔体3通过螺钉9紧固在一起。

[0052] 本发明所设计的吸收式超大功率谐波滤波器具有如下有点：功率容量高，平均功率容量可达100kW以上；体积相对小，重量轻、长宽高仅182mmx68.3mmx83.8mm，对于超大功率发射机系统小型化有重要意义；端口采用标准BJ70波导法兰，便于安装；性能指标良好，通过设置十二组大小渐变的副波导腔，实现同时对二、三、及四次谐波进行抑制，二次谐波抑制度大于70dB,三次谐波抑制度大于60dB，四次谐波抑制度大于40dB,极大降低了对接受信道的干扰；采用耦合孔加载副波导腔结构，滤波器插入损耗小于0.2dB,通带驻波小于1.1，大大提高了滤波器功率容量，可广泛应用于各种高功率微波领域；综上，本发明结构简单、新颖，安装紧凑，工艺难度小，加工方便；可靠性高，非常适合应用于高功率微波发射机。