H面波導(dǎo)雙工器的工程設(shè)計(jì)

摘要：介紹了一種簡便實(shí)用的矩形波導(dǎo)雙工器的工程設(shè)計(jì)方法。針對在寬頻帶跨度矩形波導(dǎo)雙工器設(shè)計(jì)過程中，容易出現(xiàn)的低頻通道高次模落入高頻通道的問題，提出了預(yù)加載的解決方法。針對雙工器在設(shè)計(jì)過程中頻帶跨度大的問題，設(shè)計(jì)了新型寬頻帶T形頭結(jié)構(gòu)。詳細(xì)介紹了波導(dǎo)雙工器的總體優(yōu)化方法和步驟。文章的雙工器設(shè)計(jì)實(shí)例中心頻率分別為21GHz和29.5GHz，帶寬均為300MHz，通帶內(nèi)隔離分別小于-120dB和-65dB。

關(guān)鍵詞：雙工器 濾波器 波導(dǎo)

0.引言

微波雙工器是用來把一個(gè)信號(hào)頻譜分開成為兩個(gè)頻率范圍的微波器件。它是微波網(wǎng)絡(luò)中的關(guān)鍵器件，在毫米波通信、衛(wèi)星通信、雷達(dá)、電子對抗等領(lǐng)域都有著廣泛的應(yīng)用。波導(dǎo)型雙工器是微波雙工器的一個(gè)非常重要的分支。它具有損耗小、體積小、隔離度高和一體化程度高的特點(diǎn)。因此在工程上得到了廣泛的應(yīng)用。

波導(dǎo)雙工器的設(shè)計(jì)方法很多，但這些方法的設(shè)計(jì)過程都相對比較復(fù)雜，因此這在增加了設(shè)計(jì)人員的工作難度的同時(shí)，也增加了設(shè)計(jì)周期。為此本文介紹了一種較為簡便的雙工器設(shè)計(jì)方法。同時(shí)，針對在雙工器設(shè)計(jì)過程中常會(huì)遇到雙工器的兩個(gè)工作頻段跨度大，工作在低頻段的波導(dǎo)濾波器的高次模會(huì)落入高頻通帶內(nèi)的問題，本文給出了工程解決方法。針對雙工器的兩個(gè)工作頻段跨度大的問題，提出了新型的T形頭結(jié)構(gòu)。同時(shí)寬頻帶波導(dǎo)同軸轉(zhuǎn)換器作為波導(dǎo)雙工器配套應(yīng)用的一部分，本文也做了簡要的介紹。

1. 雙工器的結(jié)構(gòu)

本文設(shè)計(jì)的雙工器如圖1所示，雙工器主要由同軸波導(dǎo)變換、T形頭、濾波器I、濾波器II、同軸波導(dǎo)變換I和同軸波導(dǎo)變換II組成。其中濾波器I和濾波器 II通過頻率選擇兩個(gè)不同的通帶的頻率信號(hào)。濾波器I中心頻率29.5GHz，帶寬300MHz;濾波器II中心頻率21GHZ，帶寬300MHz，兩濾波器通過T形頭連接起來。同軸波導(dǎo)變換實(shí)現(xiàn)信號(hào)傳輸形式的轉(zhuǎn)換。

2. 濾波器的設(shè)計(jì)

關(guān)于波導(dǎo)濾波器的設(shè)計(jì)，在此介紹一種簡單實(shí)用的設(shè)計(jì)方法，運(yùn)用這種方法設(shè)計(jì)波導(dǎo)濾波器可分為兩步。

2.1 膜片寬度的確定

圖2給出了波導(dǎo)濾波器的電結(jié)構(gòu)拓?fù)鋱D，波導(dǎo)濾波器是由波導(dǎo)段和K變換器組成的。在確定濾波器的級(jí)數(shù)和逼近函數(shù)之后，就可以通過式子(1)-(3)計(jì)算出K 變換器的耦合系數(shù)K’，再通過式子(4)可以得出K變換器的S21參數(shù)值，這樣就可以通過軟件仿真的方法得出波導(dǎo)濾波器中耦合膜片的寬度。

2. 2 諧振腔長度的確定

兩個(gè)膜片之間的一節(jié)波導(dǎo)為諧振腔，通過a)得出的膜片寬度。接下來調(diào)節(jié)諧振腔的長度，使諧振腔諧振在中心頻率，就確定了諧振腔的長度。

本文舉例的雙工器，低頻濾波器諧振腔的二次諧波剛好落在高頻通帶內(nèi)，可以采用調(diào)諧桿預(yù)加載的方法，即在濾波器設(shè)計(jì)過程中，為諧振腔加載調(diào)諧螺釘，使二次諧波向高頻方向偏移，并且遠(yuǎn)離高頻通帶。因此本文在設(shè)計(jì)濾波器的過程中，已經(jīng)將調(diào)諧桿預(yù)加載的性能考慮在內(nèi)。

3.T形頭的設(shè)計(jì)

T形頭在工程上可以采用較為成熟的形式，如圖3(a)所示，但是本文的雙工器覆蓋頻帶較寬，因此需要對T形頭進(jìn)一步進(jìn)行結(jié)構(gòu)優(yōu)化。優(yōu)化結(jié)果如圖3(b)所示，可以看出分別在T形頭的分口單邊和總口兩邊對稱位置添加了電感膜片。改進(jìn)后的T形頭的總口S11參數(shù)性能如圖4所示，滿足雙工器的設(shè)計(jì)需求。

4.同軸波導(dǎo)變換的設(shè)計(jì)

如圖1所示，雙工器的同軸波導(dǎo)變換一共有三個(gè)，通常在工程應(yīng)用中只設(shè)計(jì)一種，這一同軸變換性能要覆蓋所有工作頻帶。本文采用階梯式同軸波導(dǎo)變換結(jié)構(gòu)，如圖 5所示，其中填充部分為三階階梯狀金屬匹配塊，階梯狀金屬匹配塊與外界同軸連接器相連接。同軸波導(dǎo)變換性能在圖6中給出，其S11參數(shù)在工作頻帶內(nèi)都小于 -26dB。

5.雙工器總體優(yōu)化

在完成同軸波導(dǎo)變換、T形頭、濾波器I、濾波器II的設(shè)計(jì)之后需要對雙工器進(jìn)行總體優(yōu)化，優(yōu)化的步驟和方法如下。

a)優(yōu)化濾波器I、濾波器II與T形頭的間距。將濾波器I和濾波器II帶入到T形頭兩側(cè)聯(lián)合設(shè)計(jì)，通過調(diào)節(jié)兩濾波器與T形頭的間距來使濾波器的駐波達(dá)到最優(yōu)。

b)優(yōu)化濾波器I、濾波器II的靠近T形頭一側(cè)的膜片寬度。以濾波器設(shè)計(jì)原型數(shù)據(jù)為依據(jù)，將濾波器I、濾波器II的第一級(jí)膜片帶入到T形頭兩側(cè)聯(lián)合設(shè)計(jì)，直到設(shè)計(jì)參數(shù)達(dá)到濾波器原型數(shù)據(jù)參數(shù)為止。

c)優(yōu)化濾波器I、濾波器II的靠近T形頭一側(cè)的第—級(jí)諧振腔長度。以濾波器設(shè)計(jì)原型數(shù)據(jù)為依據(jù)，將濾波器I、濾波器Ⅱ的第一級(jí)諧振腔帶入到T形頭兩側(cè)聯(lián)合設(shè)計(jì)，直到設(shè)計(jì)參數(shù)達(dá)到濾波器原型數(shù)據(jù)參數(shù)為止。

經(jīng)過以上優(yōu)化就可以確定雙工器的最終尺寸，雙工器的最終三維結(jié)構(gòu)圖如圖7所示。

雙工器的性能在圖8中給出。在低工作頻段，雙工器駐波小于1.2，抑制大于-120dB;在高工作頻段，雙工器駐波小于1.5，抑制大于-65dB。

總結(jié)

本文介紹了一種簡便實(shí)用的矩形波導(dǎo)雙工器工程設(shè)計(jì)方法，并給出了設(shè)計(jì)實(shí)例。在設(shè)計(jì)過程中，針對兩工作頻帶相距較遠(yuǎn)的雙工器，提出了預(yù)加載的方法，通過這種方法可以有效地控制濾波器二次諧波的位置。另外，還提出了具有寬頻帶特性的T形頭結(jié)構(gòu)和同軸波導(dǎo)變換結(jié)構(gòu)。