張忠海 官伯然

（1.西安電子科技大學(xué)電子工程學(xué)院，陜西 西安710071；2.杭州電子科技大學(xué)天線與微波技術(shù)研究所，浙江 杭州310018）

引 言

多路耦合器［1－5］是通信系統(tǒng)中的重要設(shè)備。通過(guò)多路耦合器，多部不同頻率的電臺(tái)可以利用一根寬帶天線同時(shí)工作。在設(shè)備空間比較緊張時(shí)，需要用到多路耦合器。多路耦合器分為固定多路耦合器和可調(diào)多路耦合器兩種。其中，可調(diào)多路耦合器各個(gè)射頻通路的工作頻率可以根據(jù)指令隨時(shí)改變，因此，抗干擾性能優(yōu)異?？烧{(diào)多路耦合器主要由構(gòu)成各個(gè)射頻通道的可調(diào)帶通濾波器和分支接頭兩部分組成。在同一時(shí)刻，各個(gè)通道的工作頻率互不相同，以保證通道之間的隔離［1］。

在多路耦合器的設(shè)計(jì)過(guò)程中，每一個(gè)可調(diào)濾波器的加入都會(huì)對(duì)其它射頻通道產(chǎn)生影響。根據(jù)傳輸線理論［6］，在非諧振狀態(tài)，可調(diào)濾波器端口的特性可以等效為一段終端短路的傳輸線。濾波器端口的等效短路線長(zhǎng)度Lf，連接濾波器到分支接頭的連接線長(zhǎng)度Lt以及分支接頭的等效傳輸線長(zhǎng)度Lj的總和形成了一段長(zhǎng)的短路線L.這段短路線長(zhǎng)度L決定了可調(diào)多路耦合器的工作頻率范圍以及允許的最大通道數(shù)量。L越短，能實(shí)現(xiàn)的多路耦合器的帶寬就越寬，允許的通道數(shù)量越多。由于實(shí)際工程安裝空間的限制，可調(diào)濾波器一般都在固定位置并排擺放。在以上三段傳輸線中，能夠調(diào)節(jié)的只有濾波器端口的等效短路線長(zhǎng)度Lf和分支接頭的等效傳輸線長(zhǎng)度Lt.其中Lf還緊密聯(lián)系濾波器的通帶性能。等效短路線越短，帶內(nèi)差損和紋波越大。因此，在保證可調(diào)濾波器通帶特性的同時(shí)盡量減小端口等效短路線長(zhǎng)度Lf成為多路耦合器設(shè)計(jì)中一個(gè)很重要的考慮。

在文獻(xiàn)［1］［5］中：通過(guò)優(yōu)化設(shè)計(jì)多路耦合器的分支接頭來(lái)減小短路線的長(zhǎng)度。這種方法僅可以減小Lj，所以長(zhǎng)度減小的幅度有限。

基于以上問(wèn)題，文章首先分析了星點(diǎn)式多路耦合器［1］的結(jié)構(gòu)以及等效電路，給出測(cè)量得到的可調(diào)濾波器端口電納與其端口等效短路線長(zhǎng)度Lf的關(guān)系。然后分析了并聯(lián)不同短路線長(zhǎng)度L對(duì)多路耦合器性能的影響。隨后提出了一種應(yīng)用于同軸腔可調(diào)濾波器的雙環(huán)輸入/輸出耦合結(jié)構(gòu)。與文獻(xiàn)［1］［5］不同，該結(jié)構(gòu)著力于減小同軸腔可調(diào)濾波器本身的端口等效短路線長(zhǎng)度Lf.實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明：采用這種結(jié)構(gòu)的同軸腔可調(diào)濾波器的端口等效短路線長(zhǎng)度Lf相比傳統(tǒng)的采用單環(huán)耦合結(jié)構(gòu)的同軸腔可調(diào)濾波器有大幅度的減小，可以為多路耦合器的制作帶來(lái)極大的方便。最后利用雙環(huán)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)了可調(diào)濾波器，并且制作了四路寬帶UHF多路耦合器，實(shí)驗(yàn)結(jié)果驗(yàn)證了這種耦合結(jié)構(gòu)的有效性。

1.理論分析

1.1 多路耦合器分析

如圖1所示為四路星點(diǎn)式多路耦合器的結(jié)構(gòu)圖，四路可調(diào)腔體濾波器分別通過(guò)一段傳輸線并聯(lián)到一起（分支接頭處），然后通過(guò)耦合網(wǎng)絡(luò)連接到天線。四個(gè)可調(diào)濾波器選擇通道的工作頻率，耦合網(wǎng)絡(luò)消除由于可調(diào)濾波器的接入給其他通道帶來(lái)的影響，使多路耦合器的各個(gè)通道能夠正常工作。由于四個(gè)可調(diào)濾波器的工作頻率隨時(shí)可變，因此，要求耦合網(wǎng)絡(luò)必須在整個(gè)多路耦合器工作頻段內(nèi)都能盡量消除每一路可調(diào)濾波器接入所帶來(lái)的影響，使所有的通道正常工作。

圖1 星點(diǎn)式多路耦合器系統(tǒng)

根據(jù)文獻(xiàn)［1］，如圖1所示，對(duì)于某一個(gè)工作在頻率f1的濾波器（例如濾波器1），在分支接頭處，濾波器1在頻率f1處相當(dāng)于一段特性導(dǎo)納0.02S的傳輸線。另外的三個(gè)濾波器工作在別的頻率，在分支接頭處，這三個(gè)濾波器在頻率f1處相當(dāng)于三段并聯(lián)的、終端短路的傳輸線L，其長(zhǎng)度等于Lf，Lj，Lt長(zhǎng)度之和。根據(jù)傳輸線理論，濾波器的端口電納與短路傳輸線長(zhǎng)度L的關(guān)系如下

其中：L是等效短路線長(zhǎng)度，單位為m；c是真空中的光速；f是工作頻率；B是測(cè)量得到的濾波器端口電納。

對(duì)于四路的多路耦合器，并聯(lián)不同長(zhǎng)度短路線L情況下能夠?qū)崿F(xiàn)的耦合網(wǎng)絡(luò)性能如圖2所示。

圖2 并聯(lián)三種不同長(zhǎng)度短路線的耦合網(wǎng)絡(luò)性能

由圖2可知：對(duì)于四路的多路耦合器，L的長(zhǎng)度過(guò)長(zhǎng)將會(huì)導(dǎo)致寬帶耦合網(wǎng)絡(luò)在工作頻段高端的差損過(guò)大。造成如此大插入損耗的主要原因是并聯(lián)三路可調(diào)濾波器引入的電抗性不匹配帶來(lái)的反射，因此，短路線過(guò)長(zhǎng)將會(huì)嚴(yán)重影響多工器性能。對(duì)于225 MHz到328.6MHz這個(gè)頻段，當(dāng)并聯(lián)短路線的長(zhǎng)度超過(guò)280mm時(shí)，在工作頻段的高端，插損將超過(guò)1.5dB.實(shí)際上，只要短路線長(zhǎng)度L超過(guò)260mm，寬帶耦合網(wǎng)絡(luò)的性能在頻率的高端就急劇惡化。因此，在保證濾波器通帶性能的前提下盡量減小其端口等效短路線長(zhǎng)度L就成了多路耦合器設(shè)計(jì)中的一個(gè)很現(xiàn)實(shí)的問(wèn)題。

1.2 同軸腔可調(diào)濾波器輸入輸出耦合環(huán)分析

圖3為采用經(jīng)典的單環(huán)耦合同軸腔可調(diào)濾波器結(jié)構(gòu)圖。其中，輸入輸出耦合環(huán)的終端與同軸腔的外導(dǎo)體連接，因此，耦合環(huán)可以等效為一段終端短路的傳輸線Lf.可調(diào)濾波器的端口等效短路線長(zhǎng)度Lf是由其輸入輸出耦合環(huán)的尺寸和位置決定的。耦合環(huán)的位置以及其到內(nèi)導(dǎo)體的距離可以根據(jù)所設(shè)計(jì)的可調(diào)濾波器的具體指標(biāo)確定。如圖3所示的采用經(jīng)典的單環(huán)耦合的可調(diào)濾波器的端口等效短路線長(zhǎng)度Lf很大，測(cè)試得到的電納曲線如圖5所示，其中單環(huán)的尺寸為45mm×12mm.

采用雙環(huán)結(jié)構(gòu)的同軸腔可調(diào)濾波器如圖4所示。其中雙輸入輸出耦合環(huán)的位置以及其到內(nèi)導(dǎo)體的距離同樣可以根據(jù)所設(shè)計(jì)的可調(diào)濾波器具體指標(biāo)確定，很多文獻(xiàn)做過(guò)這方面的研究［7－10］。在濾波器的工作頻率以外的頻段，濾波器的諧振腔處于非諧振狀態(tài)。由并聯(lián)電路原理可知，雙環(huán)并聯(lián)的等效短路線長(zhǎng)度要小于單個(gè)大耦合環(huán)的等效長(zhǎng)度。小環(huán)的尺寸越小，雙環(huán)的等效短路線長(zhǎng)度越短。采用雙輸入輸出耦合環(huán)測(cè)試得到的電納曲線如圖5所示，其中大環(huán)尺寸為45mm×12mm，小環(huán)的尺寸為20 mm×8mm.

由圖5可知：對(duì)于單環(huán)濾波器，在工作頻段的中心頻率277MHz處，電納值為－0.9mS，按照上面提到的方法得到其端口的等效短路線長(zhǎng)度Lf為263mm.此時(shí)無(wú)論將四個(gè)同軸腔可調(diào)濾波器在多路耦合器中如何擺放，三段短路線長(zhǎng)度總和L肯定超過(guò)300mm.根據(jù)圖2的結(jié)果，寬帶耦合網(wǎng)絡(luò)在高端將不能匹配。對(duì)于雙環(huán)濾波器，在工作頻段的中心頻率277MHz處，電納值為－12.1mS，等效短路線長(zhǎng)度Lf為176mm，相對(duì)于傳統(tǒng)的單環(huán)耦合的濾波器，長(zhǎng)度減小了三分之一。

2.實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析

2.1 同軸腔可調(diào)濾波器實(shí)驗(yàn)結(jié)果

為了驗(yàn)證這種雙環(huán)結(jié)構(gòu)的有效性，設(shè)計(jì)了一個(gè)帶寬為1MHz，采用經(jīng)典單環(huán)耦合的濾波器，頻率范圍從225MHz到330MHz.腔體的半徑為20 mm.還設(shè)計(jì)了采用雙環(huán)結(jié)構(gòu)，其他指標(biāo)特性與單環(huán)結(jié)構(gòu)相同的濾波器。雙環(huán)在濾波器中的位置如圖6所示。為了均衡帶內(nèi)紋波帶寬以及雙環(huán)尺寸的需要，本文里小環(huán)采用半圓形耦合環(huán)。雙環(huán)濾波器和單環(huán)濾波器的傳輸性能測(cè)試結(jié)果對(duì)比如圖7所示。其中大環(huán)尺寸為45mm×12mm，小環(huán)的半徑為9mm.

由圖7可知：對(duì)于單環(huán)濾波器，在225MHz到330MHz的范圍內(nèi)，采用雙環(huán)的濾波器比采用單環(huán)的濾波器插損要大，一般降低0.2dB左右，且回波損耗略大。其他指標(biāo)兩者類似。

兩者性能指標(biāo)類似的原因是在濾波器工作頻率上，同軸腔保持諧振狀態(tài)，大環(huán)與小環(huán)都耦合電磁場(chǎng)。因此，只要合理地設(shè)計(jì)雙環(huán)的尺寸，這種雙環(huán)耦合結(jié)構(gòu)對(duì)濾波器帶內(nèi)插損的影響有限。另外小環(huán)的尺寸不能太小，否則將對(duì)濾波器的帶內(nèi)插損以及帶寬、紋波指標(biāo)產(chǎn)生嚴(yán)重的影響。在設(shè)計(jì)過(guò)程中，大環(huán)和小環(huán)的尺寸要在端口等效短路線長(zhǎng)度和濾波器的帶內(nèi)指標(biāo)之間作折中。

2.2 多路耦合器測(cè)試結(jié)果

利用兩種濾波器分別設(shè)計(jì)并且制作了相應(yīng)的UHF四路多路耦合器。在多路耦合器中可調(diào)濾波器并排放置，減小了多路耦合器的體積和復(fù)雜度。測(cè)試結(jié)果如圖8所示。

圖8 兩種濾波器組成的四路多路耦合器性能對(duì)比

由圖7和圖8可知：對(duì)于雙環(huán)濾波器，在225 MHz到330MHz的范圍內(nèi)，接上耦合網(wǎng)絡(luò)后，多路耦合器的帶內(nèi)插損將比單純的濾波器插損降低0.5dB左右，回波損耗有所改善，這是耦合網(wǎng)絡(luò)的電抗性帶來(lái)的效應(yīng)。對(duì)于單環(huán)濾波器，在頻率的中低端，其規(guī)律同雙環(huán)濾波器一樣。但是到了頻率的高端，330MHz附近，帶內(nèi)插損指標(biāo)急劇惡化，超過(guò)5dB，回波損耗指標(biāo)也急劇惡化，小于6dB，達(dá)不到多路耦合器工作的指標(biāo)要求。

采用雙環(huán)耦合結(jié)構(gòu)的濾波器能夠保證由其組成的多路耦合器在整個(gè)頻段范圍內(nèi)正常工作。采用單環(huán)耦合結(jié)構(gòu)的濾波器所組成的多路耦合器在頻率的高端已經(jīng)不能滿足多路耦合器正常工作的性能要求。因此，雖然雙環(huán)耦合結(jié)構(gòu)比單環(huán)耦合結(jié)構(gòu)復(fù)雜，并且會(huì)增大整個(gè)濾波器以及多路耦合器的插損（一般在0.2dB左右），但能夠在整個(gè)頻段內(nèi)保證多路耦合器正常工作。雙環(huán)耦合結(jié)構(gòu)的應(yīng)用與否決定是否能夠順利地實(shí)現(xiàn)多路耦合器，所以，0.2dB的插損降低對(duì)于整個(gè)多路耦合器系統(tǒng)是可以接受的。

3.結(jié) 論

提出的應(yīng)用于腔體可調(diào)濾波器的雙環(huán)輸入/輸出耦合結(jié)構(gòu)可以將濾波器的端口等效短路線長(zhǎng)度減小到經(jīng)典的、采用單環(huán)的濾波器的三分之二以下，且兩者的通帶性能指標(biāo)相差甚小。采用這種雙環(huán)結(jié)構(gòu)的可調(diào)濾波器可以比較便捷地組合成多路耦合器。最后本文利用這種雙環(huán)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)并制作了三腔的同軸腔可調(diào)濾波器，并且組成了四路多路耦合器。測(cè)試結(jié)果證明了這種雙環(huán)耦合環(huán)結(jié)構(gòu)的有效性。

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