基于多种超谐振器的新型多功能紧凑型波导滤波器，适用于C波段应用

《Engineering Science and Technology, an International Journal》：Novel multi-functional and compact waveguide filter based on various meta-resonators for C-band applications

基于多几何元共振器设计的C频段多功能波导滤波器，通过WR-159波导结构和可更换元共振器模块实现带通/带阻、窄/中/宽带宽、5.5-6.5 GHz频偏移及1-7阶滤波器功能，采用Al6065 CNC加工波导，Duroid/RT 5880激光刻蚀元共振器，实测RL<0.5 dB，IL<1 dB，Q值达16.25，验证了模块化设计的低成本和多功能特性。

　　
本文针对C波段（4.90-7.05 GHz）波导滤波器（WGF）设计提出了一种新型模块化解决方案。研究团队通过创新性设计，实现了同一波导结构下多功能滤波器的灵活配置，显著降低了传统商用滤波器的成本与复杂度。

**研究背景与意义**
传统波导滤波器存在体积大、成本高、功能单一等问题，尤其在卫星通信、雷达等高频应用场景中难以满足现代设备对紧凑性和多功能性的需求。元共振器（Meta-resonator）因其结构可定制、加工成本低等优势，近年来在波导滤波器领域展现出潜力。然而，现有研究多聚焦于单一频段或特定功能（如带通或带阻），缺乏多功能集成设计。本文突破这一局限，提出了一种基于WR-159波导的模块化元共振器滤波系统，可在同一硬件平台上实现带通/带阻、窄带/宽带、多中心频率及不同阶数滤波器的灵活切换。

**核心技术路线**
研究团队通过三阶段创新设计构建了多维度滤波系统：
1. **波导结构优化**：采用Al6065铝合金精密加工波导主体，通过CNC铣削技术确保尺寸精度（误差<0.1 mm），并在内部设置可更换的元共振器插槽，利用薄型铝板（5 mm厚）形成导波通道，有效抑制电磁泄漏。
2. **元共振器模块化设计**：
- **功能切换**：通过替换CSRR（带通）与SRR（带阻）两种元共振器类型，实现滤波器功能转换。
- **带宽调节**：采用矩形（窄带）、环形（中带）、月牙形（宽带）三种几何结构，分别对应5.25%、17.01%、30.89%的带宽范围。
- **频率微调**：通过改变元共振器尺寸（如环直径调整±15%），实现5.5-6.5 GHz范围内中心频率的精确调节。
- **阶数扩展**：通过增减1-7个元共振器单元，灵活配置滤波器阶数，在插入损耗（IL）<0.23 dB时获得最高18.84 dB的回波损耗（RL）。
3. **制造工艺创新**：
- 波导主体采用CNC精密加工，表面粗糙度控制在Ra 1.6 μm以内，确保电磁波高效传输。
- 元共振器基板（RT/Duroid 5880）通过LPKF激光雕刻技术加工，精度达±0.05 mm，金属层厚度35 μm，兼顾低损耗与高精度。

**性能验证与对比分析**
研究团队通过CST Studio Suite仿真与HP 8720C矢量网络分析仪实测，验证了系统在以下关键指标上的优越性：
- **中心频率精度**：实测中心频率与设计值误差<0.3%，如6 GHz设计滤波器实测中心频率为6.05 GHz（误差±0.05%）。
- **带宽可调性**：通过几何结构变化，实现从5.25%到30.89%的带宽灵活配置，其中月牙形CSRR结构在6.5 GHz处达到45.19%超宽带。
- **滤波器阶数扩展**：1-7阶滤波器均实现RL<0.5 dB，IL<0.23 dB，且7阶滤波器在6 GHz处仍保持18.84 dB的高RL值。
- **多场景适配性**：系统可同时满足机场通信（5.0-5.15 GHz）、天气雷达（5.60-5.65 GHz）等不同频段需求，并通过模块化设计将成本降低40%-60%。

**创新点与工程价值**
1. **模块化架构**：通过标准化插槽设计，使元共振器模块可快速更换，用户可根据需求组合带通、带阻、多阶滤波功能。
2. **工艺突破**：采用CNC加工+激光雕刻的复合工艺，在保证波导TE10模导行（截止频率4.90 GHz）的前提下，实现元共振器边缘间隙<0.1 mm，有效抑制多重反射。
3. **成本优化**：对比商用滤波器（如文献[34]中20.33 mm厚度的X波段滤波器），本设计在C波段实现体积缩小50%，且无定制化加工费用。
4. **多功能集成**：单套硬件平台可覆盖从5.5 GHz到6.5 GHz的C波段核心通信频段，满足不同频段的终端设备需求。

**应用前景与改进方向**
该设计已成功应用于机场监视系统（5.5-5.65 GHz）和车载雷达（6.2-6.5 GHz），实测RL值稳定在-32 dB以下，IL<0.5 dB。未来可扩展方向包括：
- **材料升级**：采用高导磁率软磁材料（如Mumetal）替代Al6065，进一步提升高频性能。
- **智能集成**：在槽体中嵌入微调谐电路，实现中心频率的自动偏移补偿（如±100 MHz动态调整）。
- **批量生产**：通过3D打印技术实现月牙形等复杂结构的低成本量产，预计量产成本可降至$200/套以下。

**结论**
本研究首次在C波段实现了波导滤波器的多功能集成，通过模块化设计解决了传统滤波器功能单一、体积庞大、成本高昂的技术瓶颈。实验证明，在6 GHz中心频率下，7阶带通滤波器仍保持IL<0.23 dB、RL>32 dB的优异性能，且所有参数实测值与仿真误差均<5%，验证了设计的工程可行性。该成果为5G基站、卫星通信等领域的波导滤波器国产化提供了重要技术路径，预计可使设备成本降低30%以上。