沈洪明

（華中科技大學(xué) 武漢 430074）

1 引言

雙工器或者多工器是一種廣泛應(yīng)用于無線電接收機(jī)的重要微波器件。在雙工無線通信中采用頻分多工系統(tǒng)，發(fā)射信號和接收信號的頻帶是分開的，從而要求雙工器區(qū)分開發(fā)射波和接收波而使發(fā)射器和接收器共享一個天線［1］。因此，微波雙工器是用來完成現(xiàn)代無線多頻多服務(wù)收發(fā)系統(tǒng)共用一個天線的一個至關(guān)重要的部件，其性能的優(yōu)劣會直接影響到整個射頻前端的工作性能。雙工器是一種多端口微波器件，可以通過一個低通濾波器和一個高通濾波器并聯(lián)或兩個帶通濾波器并聯(lián)構(gòu)成［2～3］。一般的雙工器是由發(fā)射端濾波器，接收端濾波器和結(jié)合電路組成。

現(xiàn)代無線通信系統(tǒng)要求雙工器具有重量輕、體積小、高阻帶抑制和高隔離度的特性。SIR濾波器具有結(jié)構(gòu)簡單與電學(xué)特性可調(diào)的特點(diǎn)，被廣泛地應(yīng)用于微波元件的設(shè)計(jì)［4］。本文采用了一種結(jié)構(gòu)緊湊的改進(jìn)型SIR諧振器—多邊形SIR。相比于傳統(tǒng)的平行耦合微帶電路，基于多邊形SIR結(jié)構(gòu)的微帶電路所需的尺寸大幅較小?；诖?，本文使用軟件HFSS設(shè)計(jì)了通頻帶為3.7～4.2GHz和5.925～6.425 GHz的雙工器。

2 多邊形SIR濾波器

階躍阻抗濾波器（SIR），是由兩個或者兩個以上具有不同特性阻抗的傳輸線組合而成的諧振器［5～6］。而多邊形SIR諧振器是由多條傳輸線通過中心點(diǎn)連接而成，其中一條傳輸線端口接地，其它傳輸線端口開路。圖1（a）是微帶形式的多邊形SIR諧振結(jié)構(gòu)。N表示開路傳輸線的個數(shù)。所有的傳輸線都采用相同寬度，因此其電路特性等效于阻抗比為N的傳統(tǒng)SIR諧振器［7］。等效電路如圖1（b）所示。

圖1 多邊形SIR諧振子及其等效形式

SIR諧振單元的諧振條件可以表述為

其中θ1和θ2分別代表多邊形SIR諧振器開路端傳輸線和短路端傳輸線的電長度。為了簡化計(jì)算，我們使θ1＝θ2，由此，諧振單元的總長度即為

其中θ0表示整個電長度。本文采用的濾波器諧振單元如圖2（b）所示，由1條短路傳輸線和3條開路傳輸線組成。基板選取Rogers4003，介電常數(shù)為3.55，厚度h＝0.508mm。采用四階切比雪夫?yàn)V波器低通原型，分別設(shè)計(jì)了接收通道和發(fā)送通道的帶通濾波器［8～9］。使用HFSS計(jì)算出單個諧振器的頻響特性，確定其諧振頻率f，使其等于濾波器的中心頻率，然后計(jì)算兩個諧振器耦合時的頻響特性，得到兩個諧振頻率f1和f2，由式（3）可以得到兩個諧振器的耦合系數(shù)k。

圖2 本文所采用的諧振單元

通過改變諧振單元間距離改變其耦合系數(shù)k，使其符合濾波器的要求。由此可以得到各個諧振單元之間的距離。最后根據(jù)濾波器外部品質(zhì)因數(shù)和第一級諧振單元輸入反射的相位變化特性，確定輸出抽頭的位置。最終得到接收通道濾波器和發(fā)送通道濾波器的仿真曲線，分別如圖3和圖4所示。

圖3 中心頻率為3.7～4.2GHz的濾波器插入及回波損耗頻率響應(yīng)

圖4 中心頻率為5.925～6.425GHz的濾波器插入及回波損耗頻率響應(yīng)

多邊形SIR濾波器有諸多優(yōu)點(diǎn)。以通頻帶為3.7～4.2GHz的接收通道濾波器為例，其諧振單元的橫向長度為4.3mm，小于其相應(yīng)波長的1／10。實(shí)驗(yàn)表明，相比于傳統(tǒng)的微帶平行耦合帶通濾波器，該濾波器的面積減小了46%以上。此外，由于多變形SIR諧振單元本身的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，該結(jié)構(gòu)能夠方便地用于交叉耦合濾波器的設(shè)計(jì)。

3 雙工器的結(jié)構(gòu)

本文雙工器的原理圖如圖5所示，兩個帶通濾波器通過一個T型分支線并聯(lián)。T型節(jié)通過1／4波長傳輸線與兩個濾波器連接。使兩個濾波器之間變?yōu)殚_路，從而實(shí)現(xiàn)隔離。接收通道的帶通濾波器串聯(lián)一段長度為λ2／4（λ2為圖5中發(fā)送通道帶通濾波器的中心頻率導(dǎo)波波長）特征阻抗為50Ω的傳輸線；發(fā)送通道的帶通濾波器串聯(lián)一段長度為λ1／4（λ1為圖5中接收通道帶通濾波器的中心頻率導(dǎo)波波長）特征阻抗為50Ω的傳輸線。由于接頭處的阻抗不連續(xù)，實(shí)際長度會比四分之一波長略短。雙工器的結(jié)構(gòu)如圖6所示。

圖5 雙工器示意圖

圖6 微帶雙工器電路圖

雙工器各個通帶的插入損耗和回波損耗如圖7所示，接收通道濾波器中心頻率插損小于1.1dB，通帶內(nèi)回波損耗大于14dB，發(fā)送通道中心頻率處插損小于1.4dB，通帶內(nèi)回波損耗大于16.5dB。在發(fā)送通道的中心頻率處，接收通帶的帶外抑制大于49dB，在接收通道的中心頻率處，發(fā)送通帶的帶外抑制遠(yuǎn)大于70dB。雙工器的隔離度如圖8所示，大于50dB。

圖7 雙工器插入及回波損耗頻率響應(yīng)

圖8 隔離度仿真結(jié)果

4 結(jié)語

從仿真結(jié)果中我們看到，基于多邊型諧振器的多工器，能夠有效地減小電路面積，而且保證了良好的隔離度和帶外抑制。

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