摘 要： 利用電路等效分析法結(jié)合全波建模提出具有寬帶工作特性的改進(jìn)型H面T型結(jié)。結(jié)合交叉耦合原理和一腔多模理論，通過S參數(shù)的多項(xiàng)式綜合和矩陣消零的方法提取濾波器耦合矩陣。設(shè)計(jì)了新型結(jié)構(gòu)的雙模交叉耦合毫米波雙工器。測試結(jié)果表明，相比于傳統(tǒng)的單模直接耦合雙工器，這種雙工器不但尺寸更加緊湊，而且具有更好的頻率選擇性及隔離度等優(yōu)點(diǎn)。
關(guān)鍵詞： 波導(dǎo)；H面T型結(jié)；交叉耦合；雙模濾波器；雙工器
毫米波雙工器[1]是一種用于把兩路不同頻段的信號分開或合并的三端口器件。它由兩個(gè)帶通濾波器和一個(gè)連接元件組成，被廣泛應(yīng)用于毫米波通信、衛(wèi)星通信等多種領(lǐng)域。隨著毫米波技術(shù)的發(fā)展，毫米波系統(tǒng)對雙工器的頻率選擇性、兩通道之間的隔離度以及尺寸的小型化等性能都提出更高的要求。因此，設(shè)計(jì)高性能小型化毫米波雙工器具有非常重要的意義。
在傳統(tǒng)的通道濾波器設(shè)計(jì)中，常采用切比雪夫或巴特沃斯函數(shù)逼近并進(jìn)行直接耦合。為了得到好的頻率選擇性只能增加濾波器的階數(shù)，這明顯增加了濾波器的體積和重量，不能滿足小型化的要求。對此，在雙工器通道濾波器設(shè)計(jì)中，通過結(jié)合交叉耦合理論和一腔多模技術(shù)實(shí)現(xiàn)具有廣義切比雪夫函數(shù)響應(yīng)的雙模濾波器，不但提高了雙工器的頻率選擇性能，同時(shí)也實(shí)現(xiàn)了雙工器的小型化。
1 設(shè)計(jì)理論
1.1 傳輸零點(diǎn)分析和耦合矩陣綜合
根據(jù)電路網(wǎng)絡(luò)理論，雙端口網(wǎng)絡(luò)特性可以描述為：
1.2 雙模濾波器設(shè)計(jì)理論
雙模波導(dǎo)濾波器通常是由對稱的濾波器單元級聯(lián)構(gòu)成[2]，為了使設(shè)計(jì)出的通道濾波器具有更好的帶外抑制性能以及使雙工器具有更加緊湊的尺寸，本文提出非對稱結(jié)構(gòu)的濾波器單元，如圖1所示。可以看出，該對稱濾波器單元是由兩個(gè)凋落模耦合波導(dǎo)連接在諧振腔的兩個(gè)相鄰邊上構(gòu)成。諧振腔的長、寬和高分別為a、l和b。
凋落模耦合波導(dǎo)可激勵(lì)出兩個(gè)相互正交耦合的工作模式，當(dāng)它們幅度相同且相位相差180°時(shí)，就引入了一個(gè)傳輸零點(diǎn)。在濾波器設(shè)計(jì)中，根據(jù)設(shè)計(jì)指標(biāo)進(jìn)行矩陣綜合得出耦合矩陣后，就可以利用軟件對耦合結(jié)構(gòu)進(jìn)行參數(shù)提取，最終確定耦合結(jié)構(gòu)的尺寸。由耦合理論可知，通過改變耦合波導(dǎo)的位置及寬度可獲得正耦合與負(fù)耦合。
由矩形諧振腔內(nèi)場分布相關(guān)理論[3]，得出矩形諧振腔的諧振頻率和諧振波長為：
實(shí)際中諧振腔的兩邊長度稍有不等，當(dāng)a與l比值適當(dāng)變化時(shí)，可以將傳輸零點(diǎn)從通帶右側(cè)移動到左側(cè)[4]。
圖2是非對稱濾波器單元的S參數(shù)仿真曲線，可以看出它的傳輸零點(diǎn)在通帶右側(cè)。在雙工器設(shè)計(jì)中，為了使兩個(gè)濾波器通道之間具有更高的隔離度，可通過調(diào)整a與l的比值使濾波器1的濾波單元傳輸零點(diǎn)都在通帶右側(cè)，而濾波器2的濾波單元傳輸零點(diǎn)都在通帶左側(cè)。
2 設(shè)計(jì)實(shí)例
2.1 設(shè)計(jì)要求
雙工器通道濾波器1的中心頻率為40.5 GHz，帶寬為500 MHz；通道濾波器2的中心頻率為42.5 GHz，帶寬為500 MHz；濾波器帶內(nèi)插損小于1.5 dB，兩通道的隔離度大于70 dB。
2.2 T型結(jié)設(shè)計(jì)
T型接頭是一種可用作功率分配/合成的最簡單的三端口網(wǎng)絡(luò)器件，由微波網(wǎng)絡(luò)理論可知T型結(jié)不可能做到三個(gè)端口同時(shí)匹配，接頭處存在與不連續(xù)性有關(guān)的邊緣場和高次模而產(chǎn)生等效電抗。為了減少由波導(dǎo)不連續(xù)性導(dǎo)致的失配和損耗，往往在T結(jié)中插入金屬圓柱或者金屬膜片[5-6]。但這種方法設(shè)計(jì)出的T型結(jié)不但工作頻帶窄，而且調(diào)配難度大、加工成本高，因此本文在經(jīng)過等效電路分析和軟件優(yōu)化之后確定出一種新型的H面T型結(jié)，在功分分支底部和共同分支側(cè)邊分別加上匹配矩形金屬柱，如圖3所示。經(jīng)過仿真優(yōu)化后得到尺寸為：c1=2.14，k1=1.42，c2=2.3，k2=0.55，h=2.83(單位：mm)。圖4是改進(jìn)型H面T型結(jié)的仿真曲線，由圖可以看出其具有端口匹配良好、工作寬頻帶及易于加工等優(yōu)點(diǎn)。
2.3 雙工器設(shè)計(jì)及結(jié)果分析
根據(jù)設(shè)計(jì)指標(biāo)，在確定濾波器逼近函數(shù)的階數(shù)、零點(diǎn)個(gè)數(shù)和波紋特性等參數(shù)后進(jìn)行矩陣綜合，得出耦合矩陣，然后使用HFSS軟件對耦合結(jié)構(gòu)進(jìn)行參數(shù)提取以確定出耦合結(jié)構(gòu)的初始尺寸；同時(shí)根據(jù)式(11)得出諧振腔的初始尺寸。最終得出兩個(gè)通道帶通濾波器的結(jié)構(gòu)如圖5所示，其參數(shù)(單位：mm)：
通道濾波器1：a1=a2=7.845，l1=7.851，l2=7.868，off1=off2=off3=1，t1=t3=1，t2=4.22，d1=d3=3.03，d2=3.06。
通道濾波器2：a1=a2=7.717，l1=7.435，l2=7.433，off1=off2=off3=1，t1=t3=1，t2=2.7，d1=d3=2.84，d2=2.56。
在通道濾波器設(shè)計(jì)好之后，把它們與上述H面T型結(jié)連接起來，得到雙工器的總體結(jié)構(gòu)，實(shí)物如圖6所示。
圖7是雙工器S仿真和測試對比曲線，可以看出，測試與仿真結(jié)果良好吻合，兩個(gè)通帶內(nèi)插損均小于1.2 dB，帶內(nèi)波紋小于1 dB，兩通道之間的隔離度大于70 dB，各項(xiàng)指標(biāo)均滿足設(shè)計(jì)要求。
本文根據(jù)一腔多模理論和交叉耦合濾波器設(shè)計(jì)原理，分析設(shè)計(jì)具有廣義切比雪夫函數(shù)響應(yīng)的雙模濾波器，通過將采用改進(jìn)結(jié)構(gòu)的T型波導(dǎo)功分器和新型結(jié)構(gòu)的波導(dǎo)雙模濾波器相結(jié)合，實(shí)現(xiàn)了高性能緊湊型的毫米波雙工器，為設(shè)計(jì)緊湊高性能的毫米波雙工器提供了一種思路。
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