邵 麗，亢小寧，張 輝

(西安電子科技大學(xué)理學(xué)院，陜西西安 710071)

隨著通信技術(shù)的不斷發(fā)展，各系統(tǒng)間的頻率間距變得越來越窄，例如衛(wèi)星通信和機(jī)載雷達(dá)對(duì)濾波器的性能、體積、重量等都提出了嚴(yán)格要求。微波波導(dǎo)雙工器在射頻收發(fā)信機(jī)的前端，用于隔離兩個(gè)頻段的射頻收發(fā)信號(hào)，具有將一個(gè)信號(hào)頻譜分成兩個(gè)頻率范圍的功能，廣泛應(yīng)用于毫米波通信、衛(wèi)星通信、雷達(dá)、電子對(duì)抗、測(cè)試儀表等系統(tǒng)中。其分頻作用由具有插入損耗小、阻帶抑制好、Q值高等優(yōu)點(diǎn)的波導(dǎo)濾波器來實(shí)現(xiàn)[1-4]。

金屬模片波導(dǎo)濾波器自1974年Konishi提出以來，以結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、易于批量生產(chǎn)及優(yōu)良的濾波效果等特點(diǎn)得以廣泛使用[5]。目前分析設(shè)計(jì)波導(dǎo)型濾波器的方法有等效電路法和模式匹配法。文中結(jié)合兩種分析方法，借助仿真軟件HFSS完成該濾波器的仿真優(yōu)化，設(shè)計(jì)了一款Ku波段的波導(dǎo)型雙工器。

1 理論分析

金屬膜片濾波器是在矩形波導(dǎo)內(nèi)沿傳播方向依次插入金屬膜片要構(gòu)成，膜片起耦合作用，相鄰的膜片間形成波導(dǎo)諧振腔，可將其分為膜片和波導(dǎo)諧振器兩部分結(jié)構(gòu)模型進(jìn)行分析。

膜片分析:等效電路法是將微波腔體濾波器等效為集總電路模型，其能夠反映濾波器的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，以及濾波器參數(shù)和幾何尺寸的相互關(guān)系[6]。文獻(xiàn)[7]利用等效電路法分析說明了實(shí)際中的膜片是一個(gè)無耗二端口網(wǎng)絡(luò)，當(dāng)其兩端分別加上一段傳輸線時(shí)，可以表現(xiàn)為阻抗變換器的特性，如圖1所示。

圖1 膜片模型

利用模式匹配法可計(jì)算出S矩陣，借助網(wǎng)絡(luò)變換得到傳輸矩陣AS，與級(jí)聯(lián)的兩小段特性阻抗為Z0的傳輸線，得到膜片模型的傳輸矩陣

將一段長(zhǎng)度為l的矩形波導(dǎo)兩端用金屬平板封閉就構(gòu)成了矩形波導(dǎo)諧振腔。如圖2所示，矩形諧振腔的三邊邊長(zhǎng)分別為a、b、l。由矩形諧振腔內(nèi)聲場(chǎng)分布相關(guān)理論得諧振波長(zhǎng)

可見，m、s、n的不同就可能產(chǎn)生不同的諧振頻率[8]。

綜合分析膜片的傳輸特性與諧振腔的選頻特性得知，若要得到一定頻帶的濾波器，可將在諧振頻率連續(xù)變化的諧振器并聯(lián)得到，由此實(shí)現(xiàn)了多階膜片寬帶波導(dǎo)濾波器。

2 雙工器的設(shè)計(jì)

由文獻(xiàn)[4～5]可知，膜片濾波器的特性函數(shù)是每級(jí)膜片長(zhǎng)度與其間距的多元非線性方程，并且膜片厚度也對(duì)濾波器的性能產(chǎn)生影響，精確計(jì)算各膜片的特性參數(shù)會(huì)耗費(fèi)大量時(shí)間，因此文中采用仿真軟件HFSS優(yōu)化設(shè)計(jì)了一款Ku波段的雙工器，該雙工器的兩個(gè)帶通濾波器均為5階膜片型濾波器。設(shè)計(jì)的是具有對(duì)稱結(jié)構(gòu)的雙工器，如圖2所示，其中各膜片長(zhǎng)度為L(zhǎng)n，n=1～6，厚度為tn，與對(duì)稱面的距離為an，相鄰膜片間間距dn，n=1～6。電磁波傳入雙工器后，先經(jīng)過H面接頭，再經(jīng)過匹配膜片傳輸?shù)綖V波器，產(chǎn)生濾波作用，從而得到所需頻段的電磁波。

圖2 雙工器的一個(gè)帶通濾波器

表1 設(shè)計(jì)要求

根據(jù)設(shè)計(jì)指標(biāo)，通過HFSS軟件分別仿真此雙工器的兩個(gè)不同頻帶的帶通濾波器，設(shè)定其模片高度為19.6 mm，優(yōu)化圖2中的參數(shù)。表2給出了濾波器的設(shè)計(jì)參數(shù)，圖3為雙工器仿真設(shè)計(jì)的S參數(shù)曲線圖。

表2 雙工器設(shè)計(jì)參數(shù)

圖3 雙工器仿真設(shè)計(jì)的S參數(shù)曲線

根據(jù)仿真設(shè)計(jì)的雙工器尺寸進(jìn)行加工與裝配得到雙工器實(shí)物如圖4所示。使用波導(dǎo)同軸轉(zhuǎn)換器將波導(dǎo)雙工器與矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀連接后，進(jìn)行測(cè)試，測(cè)試結(jié)果如圖5所示。對(duì)比圖3與圖5可知，仿真與實(shí)測(cè)結(jié)果吻合。

4 結(jié)束語

結(jié)合HFSS仿真軟件設(shè)計(jì)了一款Ku波段波導(dǎo)型雙工器，該雙工器的兩個(gè)帶通濾波器均為5階膜片型濾波器。由于膜片型濾波器大大縮小了雙工器的物理尺寸，同時(shí)它還具有兩個(gè)頻段端口的隔離度高、頻帶內(nèi)具有插入損耗低及Q值高的優(yōu)點(diǎn)。

[1]李海洋，王清源，張貞鵬.凹形膜片電容加載波導(dǎo)濾波器[C].西安:全國(guó)微波毫米波會(huì)議，2009.

[2]高秀曉.多模雙工器技術(shù)[D].成都:電子科技大學(xué)，2010.

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