隨著通信技術的不斷發展，學者和工程師們對于射頻技術的學習和探索熱情也日益提高，其中濾波器就是一個重要的研究方向。今天來給大家分享的是圓波導雙模濾波器的設計方法，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。所以廣泛地應用在衛星系統中。
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：采用一個4階11.5GHz 100MHz帶寬的切比雪夫濾波器作為實例。
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
本征模式確定諧振器尺寸
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
輸入耦合窗尺寸確定
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，之后再精確確定耦合尺寸。）
圖5 M12耦合螺釘尺寸確定
23兩個波導腔間耦合窗口計算
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
