本發(fā)明涉及微波功率器件，尤其涉及一種同時(shí)具有波導(dǎo)濾波功能和波導(dǎo)同軸轉(zhuǎn)換功能的一體化設(shè)計(jì)的波導(dǎo)同軸濾波器及其設(shè)計(jì)方法和含有所述波導(dǎo)同軸濾波器的低溫接收機(jī)。

背景技術(shù)：

1、微波濾波器器件是通信鏈路中重要的器件，其性能的優(yōu)劣可直接影響通信傳輸?shù)男阅?。射電低溫接收機(jī)用于接收太空中微弱的電磁波信號(hào)并進(jìn)行低噪聲放大，商用放大器一般無(wú)法完美匹配所研制的接收機(jī)的接收頻率，一般略大于接收機(jī)接收頻率范圍。為了應(yīng)對(duì)不需要的頻譜信號(hào)被放大導(dǎo)致的對(duì)有用信號(hào)的干擾，微波濾波器在通信系統(tǒng)中得到了廣泛應(yīng)用。

2、按傳輸線類型分類，微波濾波器分為同軸傳輸線、微帶線、金屬波導(dǎo)、基片集成等形式，微帶線與基片集成都依托于介質(zhì)基片，金屬波導(dǎo)依托于固定尺寸的空心金屬管。波導(dǎo)傳輸線具有低插入損耗、高穩(wěn)定性等優(yōu)勢(shì)，在高頻系統(tǒng)中具有廣泛應(yīng)用。針對(duì)低頻段的信號(hào)傳輸，通常采用同軸傳輸線。

3、波導(dǎo)濾波器，顧名思義是通過(guò)波導(dǎo)傳輸線的形式實(shí)現(xiàn)濾波功能，波導(dǎo)傳輸線為金屬空心管結(jié)構(gòu)，相比于微帶傳輸線、同軸傳輸線，有著更為優(yōu)異的環(huán)境適應(yīng)性與結(jié)構(gòu)穩(wěn)固性，同時(shí)波導(dǎo)傳輸線對(duì)于電磁波信號(hào)的傳輸有著更為優(yōu)異的傳輸性能。

4、波導(dǎo)濾波器一般有以下兩種實(shí)現(xiàn)方式：

5、(1)利用波導(dǎo)傳輸線本身的截止特性實(shí)現(xiàn)濾波功能，如圖1所示。這是最簡(jiǎn)單的可實(shí)現(xiàn)濾波功能的方式，波導(dǎo)的截止特性是指波導(dǎo)在特定頻率以上可以有效地傳輸電磁波，而在低于這個(gè)特定頻率時(shí)，電磁波則無(wú)法有效地在波導(dǎo)內(nèi)傳播。這個(gè)特定的頻率被稱為截止頻率。當(dāng)電磁波的頻率低于截止頻率時(shí)，波導(dǎo)表現(xiàn)出強(qiáng)烈的衰減特性，利用這種特性可用于實(shí)現(xiàn)高通濾波器。

6、(2)通過(guò)加載諧振膜片引入傳輸零點(diǎn)來(lái)實(shí)現(xiàn)截止特性，如圖2所示。在波導(dǎo)管中引入不連續(xù)性，比如金屬柱、膜片，實(shí)現(xiàn)傳輸零點(diǎn)，從而實(shí)現(xiàn)截止特性。

7、上述兩種實(shí)現(xiàn)方式中，第二種實(shí)現(xiàn)方式相比于第一種實(shí)現(xiàn)方式可實(shí)現(xiàn)更加優(yōu)異的帶外抑制以及更小的結(jié)構(gòu)尺寸，但插入損耗比第一種實(shí)現(xiàn)方式高。

8、在x波段低溫接收機(jī)系統(tǒng)的實(shí)際應(yīng)用中，前端無(wú)源器件一般采用傳輸損耗低的波導(dǎo)傳輸線用于信號(hào)的傳輸。電磁波信號(hào)在傳輸至低溫低噪聲放大器時(shí)需要濾除7.2ghz之前的信號(hào)，低溫低噪聲放大器采用的傳輸線方式為同軸傳輸線，因此需要在矩形波導(dǎo)傳輸線(te10模式)與同軸傳輸線(tem模式)之間采用獨(dú)立的波導(dǎo)同軸轉(zhuǎn)換器進(jìn)行連接，實(shí)現(xiàn)模式轉(zhuǎn)換以及阻抗匹配，從而將信號(hào)傳輸至后級(jí)系統(tǒng)中。

9、波導(dǎo)同軸轉(zhuǎn)換器有兩種實(shí)現(xiàn)方式：

10、(1)end-launch結(jié)構(gòu)，即波導(dǎo)輸入口與同軸輸出端口在同一方向上。end-launch結(jié)構(gòu)有利于系統(tǒng)的互聯(lián)，通過(guò)將同軸探針從矩形波導(dǎo)后壁饋入，產(chǎn)生激勵(lì)，再通過(guò)在波導(dǎo)腔中加載多節(jié)階梯阻抗調(diào)節(jié)波導(dǎo)阻抗值，消除帶內(nèi)不良反射，實(shí)現(xiàn)波導(dǎo)傳輸線與同軸傳輸線的匹配，獲得優(yōu)異的信號(hào)傳輸性能。

11、圖3為一種非接觸式饋電end-launch結(jié)構(gòu)的波導(dǎo)同軸轉(zhuǎn)換器，波導(dǎo)輸入口1與同軸輸出端口2在同一方向上，且同軸輸出端口2與波導(dǎo)腔中的多節(jié)階梯阻抗3不接觸，如圖3中a處所示。這種饋電形式可實(shí)現(xiàn)較寬的工作帶寬，且插入損耗較小，但該種結(jié)構(gòu)要求較高的加工精度。

12、圖4給出了一種接觸式饋電end-launch結(jié)構(gòu)的波導(dǎo)同軸轉(zhuǎn)換器，波導(dǎo)輸入口1與同軸輸出端口2在同一方向上，且同軸輸出端口2與波導(dǎo)腔中的多節(jié)階梯阻抗3接觸，如圖4中b處所示。該種形式的饋電方式采用可帶來(lái)3：1的帶寬，同時(shí)由于接觸式的方式使得結(jié)構(gòu)相對(duì)穩(wěn)定，但插入損耗較大。

13、(2)90°angle結(jié)構(gòu)，即波導(dǎo)輸入口與同軸輸出端口呈90°交叉結(jié)構(gòu)。這種形式的波導(dǎo)同軸轉(zhuǎn)換器結(jié)構(gòu)緊湊，插入損耗較小，但輸入與輸出端口不在同一方向上，不利于系統(tǒng)級(jí)聯(lián)以及系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的穩(wěn)固。

14、圖5給出了一種90°angle結(jié)構(gòu)的波導(dǎo)同軸轉(zhuǎn)換器，將同軸探針4插入矩形波導(dǎo)的寬壁中，同軸傳輸線外導(dǎo)體5與矩形波導(dǎo)寬壁連在一起，波導(dǎo)輸入口1與同軸探針4呈90°。插入波導(dǎo)內(nèi)部的同軸探針4可形成一個(gè)輻射天線，在波導(dǎo)中激勵(lì)出te10模式的電磁波，通過(guò)調(diào)節(jié)同軸探針4的位置與插入的深度，便可實(shí)現(xiàn)波導(dǎo)傳輸線與同軸傳輸線的轉(zhuǎn)換。

15、目前的低溫接收機(jī)系統(tǒng)中，均采用的是波導(dǎo)濾波器和波導(dǎo)同軸轉(zhuǎn)換器兩個(gè)分立元器件，實(shí)現(xiàn)信號(hào)的濾波與傳輸線的轉(zhuǎn)換功能，兩個(gè)器件通過(guò)法蘭上的螺釘孔位進(jìn)行連接。這種方式存在如下問(wèn)題：

16、(1)插入損耗大。兩個(gè)器件性能只能單獨(dú)設(shè)計(jì)，最終插入損耗為兩個(gè)器件的插入損耗疊加。此外，兩個(gè)器件連接面的不平度，以及連接時(shí)的偏差，都會(huì)帶來(lái)額外的插入損耗，影響系統(tǒng)的性能。

17、(2)體積大。分立的器件連接體積較大，占據(jù)了有限的系統(tǒng)空間和重量，而且也不利于系統(tǒng)內(nèi)部力學(xué)整體設(shè)計(jì)。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)思路

1、本技術(shù)實(shí)施例通過(guò)提供一種波導(dǎo)同軸濾波器，將波導(dǎo)濾波結(jié)構(gòu)和波導(dǎo)同軸轉(zhuǎn)換結(jié)構(gòu)一體化設(shè)計(jì)，解決了現(xiàn)有技術(shù)中采用波導(dǎo)濾波器和波導(dǎo)同軸轉(zhuǎn)換器兩個(gè)分立元器件級(jí)聯(lián)所導(dǎo)致的插入損耗大、體積大的問(wèn)題。

2、為了解決上述技術(shù)問(wèn)題，第一方面，本技術(shù)實(shí)施例提供了一種波導(dǎo)同軸濾波器，包括：

3、波導(dǎo)輸入端口，用于輸入電磁波信號(hào)；

4、波導(dǎo)濾波結(jié)構(gòu)，用于通過(guò)波導(dǎo)傳輸線的形式傳輸所述電磁波信號(hào)，并對(duì)所述電磁波信號(hào)中設(shè)定頻率的頻譜信號(hào)進(jìn)行過(guò)濾；

5、波導(dǎo)同軸轉(zhuǎn)換結(jié)構(gòu)，設(shè)于所述波導(dǎo)濾波結(jié)構(gòu)的輸出口面腔體內(nèi)，用于實(shí)現(xiàn)波導(dǎo)傳輸線與同軸傳輸線的模式轉(zhuǎn)換與阻抗匹配，進(jìn)而將所述波導(dǎo)濾波結(jié)構(gòu)輸出的波導(dǎo)傳輸線模式信號(hào)轉(zhuǎn)換為同軸傳輸線模式信號(hào)；

6、同軸輸出端口，用于與同軸傳輸線連接，以輸出所述同軸傳輸線模式信號(hào)。

7、優(yōu)選地，所述波導(dǎo)輸入口、波導(dǎo)濾波結(jié)構(gòu)和波導(dǎo)同軸轉(zhuǎn)換結(jié)構(gòu)采用一體化成形的全金屬管。

8、優(yōu)選地，所述波導(dǎo)濾波結(jié)構(gòu)包括：

9、第一波導(dǎo)過(guò)渡段和第二波導(dǎo)過(guò)渡段，用于實(shí)現(xiàn)濾波作用；

10、波導(dǎo)傳輸段，用于實(shí)現(xiàn)帶外信號(hào)的抑制；

11、輸出口面腔體，用于作為濾波后信號(hào)的輸出口面，同時(shí)也作為實(shí)現(xiàn)波導(dǎo)同軸轉(zhuǎn)換的波導(dǎo)腔體；

12、所述第一波導(dǎo)過(guò)渡段、波導(dǎo)傳輸段、第二波導(dǎo)過(guò)渡段和輸出口面腔體依次連通，一體化成形。

13、更優(yōu)選地，所述波導(dǎo)傳輸段為彎波導(dǎo)結(jié)構(gòu)。

14、優(yōu)選地，所述波導(dǎo)同軸轉(zhuǎn)換結(jié)構(gòu)包括t型阻抗匹配柱，所述t型阻抗匹配柱設(shè)于所述輸出口面腔體的底面寬壁上，所述同軸輸出端口設(shè)于所述輸出口面腔體的輸出端面上；

15、所述同軸輸出端口的高度大于所述t型阻抗匹配柱的高度，以便于滿足：同軸傳輸線的同軸探針插入所述同軸輸出端口后，同軸探針懸置于所述t型阻抗匹配柱上方，同軸探針與所述t型阻抗匹配柱不接觸。

16、進(jìn)一步地，所述t型阻抗匹配柱包括第一柱體和第二柱體，第一柱體和第二柱體均為矩形柱體，且第一柱體的長(zhǎng)度和寬度均小于第二柱體，第一柱體的寬邊與第二柱體的寬邊中部連接且一體成型。

17、進(jìn)一步地，所述同軸探針與所述t型阻抗匹配柱中間的空隙呈容性，所述同軸探針、t型阻抗匹配柱與輸出口面腔體的底面寬壁形成一個(gè)磁耦合環(huán)，通過(guò)磁耦合的方式將信號(hào)完成波導(dǎo)傳輸線模式與同軸傳輸線模式的轉(zhuǎn)換。

18、優(yōu)選地，所述第一波導(dǎo)過(guò)渡段和第二波導(dǎo)過(guò)渡段呈中心對(duì)稱結(jié)構(gòu)。

19、優(yōu)選地，所述t型阻抗匹配柱位于所述輸出口面腔體的底面寬壁寬度正中央；所述同軸輸出端口位于所述輸出口面腔體的輸出端面寬度正中央，所述同軸輸出端口與所述波導(dǎo)輸入端口在同一方向上。

20、第二方面，本技術(shù)實(shí)施例還提供了一種波導(dǎo)同軸濾波器的設(shè)計(jì)方法，包括如下步驟：

21、利用電磁仿真軟件對(duì)波導(dǎo)濾波結(jié)構(gòu)部分進(jìn)行仿真優(yōu)化；首次仿真時(shí)，波導(dǎo)傳輸段采用直波導(dǎo)，確定第一波導(dǎo)過(guò)渡段、第二波導(dǎo)過(guò)渡段與直波導(dǎo)的尺寸；完成仿真優(yōu)化后，以相同的波導(dǎo)尺寸將直波導(dǎo)替換為彎波導(dǎo)，仿真不同的彎曲半徑對(duì)性能的影響，以確定彎波導(dǎo)最佳的彎曲半徑；

22、完成波導(dǎo)濾波結(jié)構(gòu)部分仿真設(shè)計(jì)后，加入波導(dǎo)同軸轉(zhuǎn)換結(jié)構(gòu)的仿真設(shè)計(jì)，通過(guò)電磁仿真軟件對(duì)t型阻抗匹配柱的尺寸與同軸探針探入的高度與深度進(jìn)行仿真優(yōu)化，最終確定波導(dǎo)同軸轉(zhuǎn)換結(jié)構(gòu)的具體尺寸；

23、波導(dǎo)輸入口和同軸輸出端口的尺寸依據(jù)適配模式的標(biāo)準(zhǔn)波導(dǎo)尺寸。

24、第三方面，本技術(shù)實(shí)施例還提供了一種低溫接收機(jī)，包括：

25、天線，用于采集太空中的電磁波信號(hào)；

26、上述的波導(dǎo)同軸濾波器，用于對(duì)所述電磁波信號(hào)中設(shè)定頻率的頻譜信號(hào)進(jìn)行過(guò)濾，并通過(guò)波導(dǎo)傳輸線的形式傳輸所述電磁波信號(hào)，再將所述波導(dǎo)傳輸線模式信號(hào)轉(zhuǎn)換為同軸傳輸線模式信號(hào)；

27、低溫低噪聲放大器，用于接受所述同軸傳輸線模式信號(hào)，并進(jìn)行低噪聲放大；

28、所述波導(dǎo)同軸濾波器的波導(dǎo)輸入口連接所述天線，所述波導(dǎo)同軸濾波器的同軸輸出端口連接所述低溫低噪聲放大器；所述天線具有波導(dǎo)輸出端口，所述低溫低噪聲放大器具有同軸輸入端口，所述波導(dǎo)同軸濾波器的波導(dǎo)輸入端口連接所述天線的波導(dǎo)輸出端口，所述波導(dǎo)同軸濾波器的同軸輸出端口連接所述低溫低噪聲放大器的同軸輸入端口。

29、本技術(shù)實(shí)施例中提供的一個(gè)或多個(gè)技術(shù)方案，至少具有如下技術(shù)效果或優(yōu)點(diǎn)：

30、1、將波導(dǎo)濾波結(jié)構(gòu)和波導(dǎo)同軸轉(zhuǎn)換結(jié)構(gòu)一體化設(shè)計(jì)，從整體上優(yōu)化了插入損耗性能，插入損耗性能相當(dāng)于只有傳統(tǒng)的一個(gè)器件的貢獻(xiàn)，并且避免了兩個(gè)器件級(jí)聯(lián)導(dǎo)致的額外的插入損耗貢獻(xiàn)。

31、2、將波導(dǎo)濾波結(jié)構(gòu)與波導(dǎo)同軸轉(zhuǎn)換結(jié)構(gòu)一體化設(shè)計(jì)，利用波導(dǎo)濾波結(jié)構(gòu)的后部空間完成波導(dǎo)同軸轉(zhuǎn)換結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)，極大地減少了器件的體積與重量，節(jié)約了有限的系統(tǒng)空間，避免了兩個(gè)器件級(jí)聯(lián)導(dǎo)致的額外的空間與重量需求。在性能滿足要求的同時(shí)，具有小型化與輕量化的優(yōu)勢(shì)。

32、3、本發(fā)明提供的波導(dǎo)同軸濾波器的波導(dǎo)濾波結(jié)構(gòu)，集成了傳統(tǒng)的波導(dǎo)濾波器利用波導(dǎo)截止特性和加載諧振膜片兩種實(shí)現(xiàn)方式的優(yōu)勢(shì)。本發(fā)明利用波導(dǎo)傳輸線本身的截止特性實(shí)現(xiàn)濾波功能，具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、力學(xué)強(qiáng)度高、插入損耗小的優(yōu)點(diǎn)，在此基礎(chǔ)上，創(chuàng)新性地加入彎波導(dǎo)的形式以進(jìn)一步縮小尺寸，更優(yōu)地實(shí)現(xiàn)了器件的小型化。

33、4、本發(fā)明提供的波導(dǎo)同軸濾波器的波導(dǎo)同軸轉(zhuǎn)換結(jié)構(gòu)，集成了傳統(tǒng)的波導(dǎo)同軸轉(zhuǎn)換器end-launch結(jié)構(gòu)和90°angle結(jié)構(gòu)兩種實(shí)現(xiàn)方式的優(yōu)勢(shì)。本發(fā)明選擇利用波導(dǎo)濾波結(jié)構(gòu)的最后一段波導(dǎo)腔實(shí)現(xiàn)波導(dǎo)同軸轉(zhuǎn)換功能，創(chuàng)新性地采用非接觸式t型阻抗匹配柱、同軸探針激勵(lì)與波導(dǎo)底面寬壁相結(jié)合，形成一個(gè)磁耦合環(huán)，通過(guò)磁耦合的方式完成波導(dǎo)傳輸線與同軸傳輸線的模式轉(zhuǎn)換與阻抗匹配，波導(dǎo)輸入口與同軸輸出端口在同一方向上，有利于系統(tǒng)的互聯(lián)以及系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的穩(wěn)固，同時(shí)結(jié)構(gòu)緊湊，插入損耗較小。

34、5、本發(fā)明提供的波導(dǎo)同軸濾波器，將波導(dǎo)濾波結(jié)構(gòu)和波導(dǎo)同軸轉(zhuǎn)換結(jié)構(gòu)一體化設(shè)計(jì)，采用一體化成形的全金屬管，滿足航天環(huán)境應(yīng)用中插入損耗小、結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性強(qiáng)以及小型化、輕量化的要求，可應(yīng)用于航天領(lǐng)域的低溫接收機(jī)上。