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        一種寬頻帶毫米波微帶雙工器的研制

        2015-11-17 20:55:14李亞麗戈江娜于明紅
        現(xiàn)代電子技術(shù) 2015年16期
        關(guān)鍵詞:濾波器

        李亞麗+戈江娜+于明紅

        摘 要: 介紹了一種寬頻帶毫米波微帶雙工器,該雙工器通過一個低通濾波器和一個高通濾波器并聯(lián)構(gòu)成,具有工作頻率高、工作頻帶寬、體積小、插損低等特點(diǎn),通帶頻率為 8~18 GHz和34~36 GHz,帶內(nèi)插損在8~18 GHz小于1 dB,34~36 GHz小于1.8 dB,隔離度在34~36 GHz 大于30 dB,在8~18 GHz大于10 dB,由于雙工器兩頻帶相距較遠(yuǎn),應(yīng)用時兩頻段之間器件隔離較好,因此低的隔離度不影響雙工器的實(shí)際應(yīng)用。

        關(guān)鍵詞: 寬頻帶; 毫米波; 濾波器; 微帶雙工器

        中圖分類號: TN925?34; TN713 文獻(xiàn)標(biāo)識碼: A 文章編號: 1004?373X(2015)16?0103?03

        Development of wide band millimeter wave microstrip diplexer

        LI Yali, GE Jiangna, YU Minghong

        (The 13th Research Institute, CETC, Shijiazhuang 050051, China)

        Abstract: A kind of wideband millimeter wave microstrip diplexer is introduced, which is made up of parallel connection of a low pass filter and a high pass filter, and has high working frequency, broad working band, low insertion loss and small volume. The pass band of the diplexer is 8~18 GHz and 34~36 GHz. Its insertion loss is less than 1 dB in 8~18 GHz and 1.8 dB in 34~36 GHz. Its isolation is just more than 30 dB in 34~36 GHz and 10 dB in 8~18 GHz. Because of the high isolation between the two pass bands of the devices, the diplexer can satisfy the requirement of the application.

        Keywords: wide band; millimeter wave; filter; microstrip diplexer

        雙工器是應(yīng)用于無線通信領(lǐng)域的重要微波器件,頻段雙工器能夠?qū)崿F(xiàn)一副天線2個頻段共用,2個頻段之間互不影響[1]。隨著通信領(lǐng)域向更高頻段的發(fā)展,對雙工器也提出了更高頻率的要求,本文介紹了一種寬頻帶毫米波微帶雙工器的研制,工作頻帶為8~18 GHz和34~36 GHz,微帶雙工器與其他種類雙工器比較,具有基板選材多樣化,制作方便靈活,體積小易集成等方面的特點(diǎn),能夠滿足小型化的應(yīng)用要求[2?5]。本文介紹的雙工器通過一個低通濾波器和一個高通濾波器并聯(lián)構(gòu)成[1],濾波器采用最平坦低通濾波器原型,雙工器通過HFSS仿真軟件進(jìn)行仿真優(yōu)化,最終實(shí)現(xiàn)滿足應(yīng)用要求的寬頻帶毫米波微帶雙工器。

        1 設(shè)計原理

        本文低通濾波器原型采用最平坦低通原型,最平坦響應(yīng)如圖1所示,LAr是通帶最大衰減,ω1′是帶邊頻率,ω′≤ω1′為濾波器的通帶,ω′≥ω1′為濾波器的阻帶。最平坦響應(yīng)的數(shù)學(xué)表示式為(單位:dB):

        [LAω′=10lg1+?ω′ω1′2n] (1)

        式中:[?=10LAr10-1]。

        由于式(1)中括號內(nèi)的量,在ω′=0處,其2n-1階導(dǎo)數(shù)都為零,故稱為最平坦響應(yīng)。式(1)中的[?]由帶邊ω1′上的衰減LAr的大小來決定。低通濾波器原型電路中的電抗元件數(shù)目n可通過最平坦低通原型的阻帶衰減特性來進(jìn)行估計。

        圖1 最平坦響應(yīng)

        最平坦低通原型的集總元件電路圖如圖2所示,它是個LC梯形網(wǎng)絡(luò),兩端各接純電阻負(fù)載,圖2(a)與圖2(b)互為對偶電路。電路中各元件值g0,g1,g2,…,gn,gn+1,是用現(xiàn)代網(wǎng)絡(luò)綜合法得出來的。當(dāng)LAr=3 dB時,這些歸一元件值為:

        [g0=gn+1=1 gk=2sin2k-1π2n ,k=1,2,…,n] (2)

        式中:n是圖2電路中的電抗元件數(shù)目。n=1~8的歸一元件值可以通過表直接查得元件值,不需要通過式(2)來計算[3]。

        圖2 低通原型電路結(jié)構(gòu)

        在用微帶線實(shí)現(xiàn)濾波器時,有集總元件法、高、低阻抗法和開路、短路短截線法,本文中采用開路、短路短截線法,圖3為采用開路、短路短截線法實(shí)現(xiàn)LC梯型網(wǎng)絡(luò)。

        圖3 用開路、短路短截線實(shí)現(xiàn)梯型網(wǎng)絡(luò)

        梯形網(wǎng)絡(luò)的并聯(lián)電容,用2個相同的并聯(lián)開路短截線來模擬,設(shè)此短截線的特性導(dǎo)納為Yn,則其呈現(xiàn)的并聯(lián)電容是:[Cn=2YnωItg2πl(wèi)nλen],式中l(wèi)n是短截線的長度,[λen]是此短截線的微帶波長。對于梯型網(wǎng)絡(luò)中的串聯(lián)電感,可用一段細(xì)的短截線來模擬,并將此短截線近似看成短路。設(shè)此短路短截線的長度為ln,特性阻抗為Zn,則其電感是[3][Ln=ZnωItg2πl(wèi)nλen]。

        2 微帶雙工器的設(shè)計

        雙工器是一種三端口微波器件,本文介紹的雙工器通過一個低通濾波器和一個高通濾波器并聯(lián)構(gòu)成,高通濾波器通過頻率變換實(shí)現(xiàn),雙工器的設(shè)計主要是考慮不同端口之間的匹配,本文中的雙工器通過T型分支線將低通濾波器和高通濾波器并聯(lián)起來,以減小濾波器之間的相互影響[3?4], 運(yùn)用濾波器原理結(jié)合雙工器具體指標(biāo),通過開路、短路短截線法求得雙工器具體微帶尺寸[3,6],再通過HFSS仿真軟件進(jìn)行建模優(yōu)化仿真,雙工器S參數(shù)仿真結(jié)果如圖4(a)所示。從結(jié)果可以看出,在8~18 GHz和34~36 GHz兩個通帶的插損分別小于0.3 dB和小于2.7 dB,兩個通帶內(nèi)的回波損耗在10 dB左右,兩個頻帶間隔離度優(yōu)于25 dB。微帶圖形仿真結(jié)果如圖4(b)所示,尺寸僅為13 mm×15 mm。

        圖4 雙工器仿真結(jié)果

        3 微帶雙工器的研制與測試分析

        根據(jù)仿真結(jié)果,采用RT5880基板(厚度為0.254 mm),進(jìn)行了雙工器樣品的制備,樣品實(shí)物如圖5所示,利用Agilent E8363B型矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀對制備樣品進(jìn)行了測試,測試結(jié)果如圖6所示。

        圖5 樣品實(shí)物圖

        圖6 測試結(jié)果

        由測試結(jié)果可以看出, 雙工器的插入損耗都比較小,在8~18 GHz,帶內(nèi)插損小于1 dB,在34~36 GHz,插損小于1.8 dB,優(yōu)于仿真結(jié)果;回波損耗與仿真結(jié)果吻合,通帶內(nèi)在10 dB左右,在隔離度方面,毫米波頻段與仿真結(jié)果一致, 在8~18 GHz隔離度稍差,最小只有10 dB,造成隔離度較低的原因可能是在高通濾波器設(shè)計時側(cè)重了低插損的考慮,對高通濾波器中的串聯(lián)電容進(jìn)行了調(diào)整,因此在34~36 GHz的插損得到改善的同時,削弱了對低頻段的抑制,但在實(shí)際工作中,由于雙工器兩個頻帶相距較遠(yuǎn),兩通帶中所用器件之間隔離較好,因此隔離度指標(biāo)不影響雙工器在實(shí)際中的應(yīng)用。另外,仿真結(jié)果與實(shí)測結(jié)果存在差異的一些其他原因:一是雙工器工作到毫米波頻段,頻率較高,微帶線的加工精度會對雙工器的特性起一定的影響;再是軟件仿真結(jié)果與實(shí)際研制結(jié)果也會存在一定的差異。

        4 結(jié) 語

        本文根據(jù)微帶濾波器設(shè)計原理,設(shè)計出寬頻帶毫米波微帶雙工器,該雙工器通過HFSS軟件仿真優(yōu)化,進(jìn)行了樣品的制備,樣品測試結(jié)果與仿真結(jié)果基本吻合,該雙工器具有工作頻率高、工作頻帶寬、體積小、插損低的優(yōu)點(diǎn),雖然在低頻段出現(xiàn)隔離度稍差的情況,但由于兩個工作頻段相距較遠(yuǎn),不影響雙工器在實(shí)際當(dāng)中的應(yīng)用。

        參考文獻(xiàn)

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