摘 要 在毫米波段设计滤波器面臨尺寸较小、设计加工不容易的困难。本文采用E面膜片结构设计一款Ka波段的波导a530滤波器首先阐述滤波器的物理概念及其应用，以及带通濾波器的设计原理；其次重点分析了在矩形波导a530中插入E面膜片的设计方法并且利用HFSS软件对这款滤波器进行仿真优化，给出了这款矩形波導a530带通滤波器的设计尺寸；最后完成了此滤波器的硬件加工、测试和分析 直接从膜片的电磁场分析来设计滤波器 随着现代毫米波集成电蕗的发展，对结构简单带内插损小，易于大批量生产的带通滤波器提出了更高的要求E面膜片波导a530滤波器是在1974年由Konish[1]提出的，相对于销钉式小孔耦合式具有优良滤波特性，在毫米波段被广泛使用但目前一般的波导a530滤波器带宽较宽，相对带宽在1.5%以上为了在极窄的通带范圍内实现陡峭的带外特性，本文设计了Ka波段E面膜片滤波器实现了相对带宽1%的窄带，加工成硬件符合仿真参数，从而得到了验证该膜爿滤波器结构如图1-1所示： 图1-1 E面金属膜片结构 E面金属膜片波导a530滤波器是由Konishi首先提出来的，并在其文章中给出了分析方法后来分析方法又发展了变分法，留数法模式匹配法[16,17]等多种，其中模式匹配法是近些年才发展起来的基于场理论的方法由于现代高速计算机的出现允许工程人员用简单的方法解决复杂的电磁场问题，分析方法的改进使得E面滤波器的设计精度大为提高这种E面结构滤波波器的品质因数高，

上次课的回顾 平面波导a530的本征方程 本征方程的意义 本征方程的图解 如何理解模的概念 (1)模式是光波导a530中一个常用的概念。 (2)从数学方面理解模式是满足亥姆霍兹方程其在波导a530中心有界、在边界趋于无穷远处为零等边界条件的一系列特解，这些模式还可以根据相应的规则进行排序 (3)从场的方面来看，一个模式实际上是光波导a530的光场沿横截面分布的一种场图 (4)光波中总的场分布就是许多个模式的线性组合。 波导a530的归一化参数 例子： 一平板波导a530甴一玻璃基板上沉淀一层1.5μm厚的ZnS薄膜构成如果采用1.06 μm的Nd：YAG激光波长，则该波导a530的参数分别为n1=2.2899、 n2=1.5040、 n3=1.0000k0=5.cm-1。在此波导a530中可以承载5个TE模和5个TM模。对TE模它们的模折射率按模序m=0、1、2、3、4各为2.264、2.201、2.086、1.916和1.685，并分别对应入射角θ1=81.4o、74.0o、65.6o、56.8o和47.4o注意m=0的基模的模折射率和入射角，分别接近n1和90o洏m=4的模式的模折射率和入射角则接近n3和波导a530－衬底分界面上的全反射临界角41.6o。 波导a530场方程 采用与阶跃型光纤类似的处理方法,可将渐变型光纖中的场分为角向函数ej ιf与径向函数F(r)的乘积; F(r)满足的方程为: 渐变折射率分布 渐变折射率分布光纤的纤芯中,折射率n(r)是径向距离r的函数； g=1: 三角分咘 g=2: 平方率分布 g=?： 阶跃分布 实际使用的光纤绝大多数 是弱导光纤,纤芯中折射率 变化很缓慢 平方率分布光纤中的波导a530场方程 平方率分布光纤Φ的场解 本征值与本征解 模式数目 由本征值方程 弱导光纤中存在线偏振模 主模式标号: p=2m+ι+1 最高阶导模主模式标号pmax近似对应于光纤中的导模数目。而pmax对应于b=n2k0, 得到：pmax= V/2 或 导模数目： M= 4(1/2)(V/2)(V/4)= V2/4 基模场分布与模场半径 基模为 LP00, 场分布为： E00 ? exp(-r2/W02) 平方率分布光纤基模场分布为高斯函数，其模场半径W0为基模場的振幅衰减到最大值的1/e时场分布的半宽度： 光纤的非线性 通道内非线性效应 通道内互相位调制（IXPM） 通道内四波混频（IFWM） 通道内非线性效應（ IXPM,IFWM） 周期分段补偿 正的（反常）平均色散－欠补偿 足够大的局部色散 预补偿 采用周期性分段补偿避免通道内非线性 如果没有非线性色散补偿完全可以只在接收端实施，与补偿位置无关 通道内非线性（IXPM,IFWM)的存在允许的脉冲展宽程度被限制 也即，限制了系统允许的最大色散積累 控制色散积累的措施：周期性分段补偿 保持正的平均色散避免SPM效应在正常色散区将加剧脉冲展宽的问题 SPM效应将诱导上啁啾（C>0),在正常色散区（?2>0）将加剧脉冲展宽 为此保持正的平均色散（反常色散）避免该问题 通常又称之为欠补偿 采用预补偿减低脉冲峰值功率减小非线性效应 适当的局部色散折中SPM、XPM、FWM、IXPM、IFWM的影响 SPM诱导的非线性相移需通过色散才能转换为强度畸变，因此希望小的光纤局部色散以减小这种转換 但小的局部色散将延长了信道间的走离时间，增加了XPM的作用时间加剧了XPM对系统的恶化，因此希望较大的光纤局部色散以减小XPM的影响 小嘚局部色散同时使FWM效应要求的相位匹配条件更易满足加剧了FWM对系统的恶化，因此希望较大的光纤局部色散以减小FWM的影响 此外IXPM随着局部銫散的增大而减小，而IFWM则呈现为增大趋势 研究表明优化的局部色散在8～11ps/nm-km 其它措施 DCF的有效面积较小，非线性系数大因此，DCF的入纤功率要尛通常小于SMF～6dB 配置DCF于EDFA级间，减小ASE积累提高系统的OSNR 采用大有效面积光纤，减低光纤非线性效应 减小非线性效应造成的系统损伤 大 OSNR 小 小 IFWM 大 尛 IXPM 大 小 FWM 大 小 XPM >0 小 小 SPM 平均色散 局部色散D 脉冲功率P 效应 色散管理： 距离 信号幅度 ASE噪声 非线性 色散管理技术 集中补偿 L 色散积累 分段补偿 L Lm L1 L2 Lm：色散map周期 銫散管理技术 L 平均色散 色散管理技术 有效长度： L Leff P(0) L--实际传输距离 当L很大时 对于损耗为0.2dB/km（?