帶短路支節(jié)的FSS雙工器設計

1 引言

雙工器在微波中繼通信、微波通信、雷達、電子對抗及微波測量儀表中都得到極其廣泛的應用。膜片波導濾波器具有體積小，損耗低，Q值高等優(yōu)點,因此受到關注，與傳統(tǒng)使用的雙工器相比，波導型雙工器省掉了環(huán)行器，故而結構緊湊，一體化程度高。此外波導型雙工器還具有隔離性好的優(yōu)點，因此受到普遍關注。目前國內一般采用等效電路法設計波導型雙器。等效電路法是一種近似的方法，利用該法設計的雙工器綜合精度低，很難滿足高性能、高指標要求的場合。近年來，將高精度的模式匹配法等技術應用于波導無源器件中，得到了所設計器件的實測值與電磁仿真軟件綜合優(yōu)化值相當吻合的優(yōu)良結果。

2 雙工器設計理論

圖1為雙工器結構圖，角孔式膜片作為諧振腔，而四分之一波長波導作為耦合器。我們在知道設計指標的情況下，可以根據(jù)經(jīng)典微波理認來求得角孔膜片的大小。

圖1 FSS濾波器模型

濾波器模型設計所需要的參數(shù)，諧振頻率f₀，有載品質因數(shù)Q_i。對應于集總參數(shù)電路的關系由（1）和（2）式給出：

（1）

（2）

圖2所示，據(jù)經(jīng)典微波理論和等效電路法，便可以初步設計濾波器及雙工器。

圖2 FSS濾波器模型的集總參數(shù)等效電路

3 短路支節(jié)技術

工程中對雙工器的指標要求越來越高，有時會要－100dB的隔離度。顯然，運用傳統(tǒng)的腔體濾波技術難以設計出體積小，隔離度高的雙工器。

在結構模型（圖1）的基礎上運用短路支節(jié)技術，可以設計出體積小，性能良好的雙工器。以兩個FSS膜片和一個短路支節(jié)作為一個單元來研究它的特性。通過改變短路支節(jié)的寬度、高度和長度可以控制零點的位置。如圖3所示，是將零點控制在低端的一個單元結構。隨著短路支節(jié)的寬度/長度的減小，傳輸零點往頻率高的位置移動，如圖4所示。圖3和圖4所示結構對應的尺寸如表格1所示。

圖3 帶短路支節(jié)的單元結構一

圖4 帶短路支節(jié)的的單元結構二

4 雙工器設計

本文以一個X波段的波導型雙工器為例，說明雙工器的設計方法。雙工器的具體技術指標如下：

通帶1：中心頻率為8.307GHz，帶寬60 MHz， 通帶內反射系數(shù)小于18dB；

通帶2：中心頻率為8.426GHz，帶寬60 MHz， 通帶內反射系數(shù)小于18dB。

隔離度(中心頻點)大于90dB；體積小于20×15×5cm³。

設計采用FSS諧振腔和短路支節(jié)技術，圖5所示。雙工器的設計步驟可分為四個步驟：

（1）根據(jù)所述設計理論優(yōu)化設計好兩個帶通濾波器的參數(shù)，包括膜片間距參數(shù)和FSS的參數(shù)；

（2）根據(jù)波導－同軸轉換接頭理論分別設計好兩濾波器的輸出結構；

（3）根據(jù)要求選擇合適的輸入結構，本例子采用的是標準波導E面底部輸入；

（4）然后將以上三個部分連接在一起，上面設計過程中得到的參數(shù)作為已知值，再優(yōu)化雙工器的尺寸參數(shù)。

此種雙工器的仿真體積僅為10×7×2.1 cm3。圖5為雙工器的電磁仿真結果，可知，仿真結果滿足設計指標。

表1 濾波器單元結構設計參數(shù)

5 工程實現(xiàn)及測試結果

按上述設計方法，我們設計、加工了同標的雙工器，由于所述雙工器級數(shù)較多，且尺寸很小，器件的實際制作調試具有相當?shù)睦щy。如圖7所示，用HP8320B矢網(wǎng)進行測試，實測結果中包含了兩個SMA的插損和反射損耗，最終實現(xiàn)的FSS雙工器可達到如下指標：

通帶1：中心頻率為8.31GHz，帶寬60 MHz， 通帶內反射系數(shù)小于20dB，通帶內插損小于3dB；

通帶2：中心頻率為8.436GHz，帶寬60 MHz， 通帶內反射系數(shù)小于18dB，通帶內插損小于2.9dB；

隔離度(中心頻點)大于100dB。

由測試結果與仿真結果基本吻合，通帶2的中心頻率有10 MHz的上移。濾波器級數(shù)較多難以調試，和加工誤差是引起不完全吻合的主要原因。

圖5 FSS雙工器仿真結果

圖6 雙工器測試結果

6 結論

本文介紹了一種帶短路支節(jié)的FSS雙工器的設計方法，用兩個FSS膜片和一個短路支節(jié)作為雙工器的單元結構。并設計、加工了一雙工器，結果表明此種方法所設計的雙工器具有體積小，設計靈活的優(yōu)點。這種方法同樣適用于濾波器的設計。