关于425 GHz波导带通滤波器的性能分析和应用

本文基于电抗耦合半波长滤波器理论，研制了一款425 GHz带通滤波器。该滤波器选用矩形谐振腔结构，采用精密金属加工技术进行滤波器加工。本文利用罗德与施瓦茨公司的太赫兹矢量网络分析仪 (ZVA-Z500) 对研制的滤波器进行测试。测试数据显示，在416-440 GHz的通带内，该滤波器插损小于1.5 dB，回波损耗大于10 dB。

Abstract: A 425GHz bandpass filter based on Reactance coupled half wavelength filter theory is proposed. The filter is designed with the structure of rectangular resonant cavity and carried out with precise metal processing technology. In this paper, the filter is measured with R&S advanced vector network analyzer (ZVA-Z500). The pass-band insertion loss of the filter is less than 1.5 dB from 416GHz to 440GHz, the return loss is better than -10dB in the pass-band.

Key words: Reactance coupled half wavelength filter; Cavity waveguide filter; Terahertz network analyzer(ZVA-Z500)

1. 引言

太赫兹波的频谱位于毫米波和红外线频谱之间，其凭借独特的性质广泛地应用于通信、遥感、成像等领域。太赫兹滤波器可用于选择频率，在接收机中滤除工作带宽外的环境噪声和干扰频率；在发射机中抑制带外功率，提高系统的电磁兼容特性，是太赫兹系统最重要的无源器件之一。本文研究的滤波器工作在425 GHz (一个氧分子吸收窗口频率)，可用于气象探测系统和雷达成像系统等关键电路中。

近年来罗德与施瓦茨等公司陆续推出的太赫兹扩频模块极大改善了国内太赫兹器件的测试条件，保障了太赫兹器件测试的准确性，有力地推动了太赫兹器件的研究和发展。

2. 波导滤波器理论

波导滤波器的常见设计方法有：模式匹配法、等效电路法以及散射参数法。本文采用等效电路法，利用半波长滤波器原型，结合太赫兹滤波器的指标计算出滤波器的阶数和粗略尺寸，再通过数值算法优化，得出准确的滤波器尺寸。

半波长滤波器是一种利用阶梯阻抗不连续性所构成的微波滤波器的低通原型。半波长滤波器的阻抗阶梯是在输入端阻抗上交替变化的，由于各阻抗节长度等于其中心频率上波长的二分之一[1]。

（图1 半波长滤波器符号定义）

其中端口电压驻波比和反射系数定义为： 

(公式1)

其相对带宽 定义为：

λg1和λg2分别为半波长滤波器通带内最长和最短的波导波长， λg0为中心频率上的波导波长，λg为任意频率变量的波导波长。

图2展示了利用并联电感耦合形式实现半波长滤波器的等效电路。每个谐振器近似为半波长，由并联电感耦合而成。此种形式的滤波器的优点在于结构简单、易于实现。

（图2 并联电感耦合形式带通滤波器等效电路）

太赫兹滤波器通常采用矩形波导加载电感膜片的形式实现并联电感。由于太赫兹波长短，加工难度大，通常是采用谐振腔结构等效电感膜片。

3. 滤波器仿真优化

425 GHz太赫兹滤波器中仍然采用半波长电抗耦合形式，通过谐振腔滤波器的形式实现。先根据既定指标和滤波器原型初步计算出滤波器的阶数和粗略尺寸，再利用电磁仿真软件HFSS进行优化设计。滤波器三维仿真模型如图3所示：

（图3 425 GHz波导滤波器电磁仿真模型）

（图4 425 GHz波导滤波器S参数仿真结果）

滤波器仿真结果如图4所示，在设计通带414 GHz-436 GHz内，滤波器的插入损耗均优于1 dB，回波损耗大于12 dB。

4. 滤波器加工工艺

425 GHz滤波器采用精密机械加工技术加工而成，腔体材料为黄铜，沿标准矩形波导E面剖分为左右两个腔体，左右腔体单独进行机械加工。实物图及内部结构图如图5所示。

（图5（a）425 GHz滤波器实物图 ）

（图5（b）425 GHz滤波器内部结构图）

5. 滤波器测试

太赫兹无源器件一直存在测试难的问题，罗德与施瓦茨公司推出的新一代太赫兹矢网扩频模块很好地解决了客户的测试困难。本文中425 GHz滤波器采用罗德与施瓦茨公司的300-500 GHz矢量网络分析仪进行S参数测试。300-500 GHz矢量网络分析仪由较低频率矢量网络分析仪 (ZVA40) 和两个当前最先进的矢网扩频模块ZVA-Z500搭配组成。太赫兹滤波器的测试平台如图6所示：

（图6 425 GHz波导滤波器测试平台）

在如图所示搭建好矢网测试平台后，使用矢网扩频模块配件中的校准件对矢网进行校准，从而保证测试结果的准确性，然后将待测件接入测试平台并进行相关测试。

利用罗德与施瓦茨公司的太赫兹矢网测试平台得到的滤波器S参数测试结果如图7所示。测试结果显示该滤波器在416-440 GHz的通带内，插入损耗小于1.5 dB，回波损耗大于 10 dB。测试结果较好，与仿真结果基本一致。

（图7 425 GHz滤波器S参数测试结果）

5. 结束语

本文介绍了太赫兹波导滤波器的设计原理，研制出一款425 GHz波导带通滤波器，并使用罗德与施瓦茨公司的太赫兹矢量网络分析仪对波导滤波器进行了测试。滤波器测试结果较好，验证了设计方法的准确性，为未来太赫兹滤波器的研究积累了宝贵的经验。