摘要：介紹了一種簡便實用的矩形波導雙工器的工程設計方法。針對在寬頻帶跨度矩形波導雙工器設計過程中，容易出現(xiàn)的低頻通道高次模落入高頻通道的問題，提出了預加載的解決方法。針對雙工器在設計過程中頻帶跨度大的問題，設計了新型寬頻帶T形頭結構。詳細介紹了波導雙工器的總體優(yōu)化方法和步驟。文章的雙工器設計實例中心頻率分別為21GHz和29.5GHz，帶寬均為300MHz，通帶內(nèi)隔離分別小于-120dB和-65dB。
關鍵詞：雙工器 濾波器 波導
0.引言
微波雙工器是用來把一個信號頻譜分開成為兩個頻率范圍的微波器件。它是微波網(wǎng)絡中的關鍵器件，在毫米波通信、衛(wèi)星通信、雷達、電子對抗等領域都有著廣泛的應用。波導型雙工器是微波雙工器的一個非常重要的分支。它具有損耗小、體積小、隔離度高和一體化程度高的特點。因此在工程上得到了廣泛的應用。
波導雙工器的設計方法很多，但這些方法的設計過程都相對比較復雜，因此這在增加了設計人員的工作難度的同時，也增加了設計周期。為此本文介紹了一種較為簡便的雙工器設計方法。同時，針對在雙工器設計過程中常會遇到雙工器的兩個工作頻段跨度大，工作在低頻段的波導濾波器的高次模會落入高頻通帶內(nèi)的問題，本文給出了工程解決方法。針對雙工器的兩個工作頻段跨度大的問題，提出了新型的T形頭結構。同時寬頻帶波導同軸轉換器作為波導雙工器配套應用的一部分，本文也做了簡要的介紹。
1. 雙工器的結構
本文設計的雙工器如圖1所示，雙工器主要由同軸波導變換、T形頭、濾波器I、濾波器II、同軸波導變換I和同軸波導變換II組成。其中濾波器I和濾波器 II通過頻率選擇兩個不同的通帶的頻率信號。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。同軸波導變換實現(xiàn)信號傳輸形式的轉換。
2. 濾波器的設計
關于波導濾波器的設計，在此介紹一種簡單實用的設計方法，運用這種方法設計波導濾波器可分為兩步。
2.1 膜片寬度的確定
圖2給出了波導濾波器的電結構拓撲圖，波導濾波器是由波導段和K變換器組成的。在確定濾波器的級數(shù)和逼近函數(shù)之后，就可以通過式子(1)-(3)計算出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濾波器中耦合膜片的寬度。
2. 2 諧振腔長度的確定
兩個膜片之間的一節(jié)波導為諧振腔，通過a)得出的膜片寬度。接下來調節(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)，可以采用調諧桿預加載的方法，即在濾波器設計過程中，為諧振腔加載調諧螺釘，使二次諧波向高頻方向偏移，并且遠離高頻通帶。因此本文在設計濾波器的過程中，已經(jīng)將調諧桿預加載的性能考慮在內(nèi)。
3.T形頭的設計
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形頭進一步進行結構優(yōu)化。優(yōu)化結果如圖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，滿足雙工器的設計需求。
4.同軸波導變換的設計
如圖1所示，雙工器的同軸波導變換一共有三個，通常在工程應用中只設計一種，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變換結構，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
在完成同軸波導變換、T形頭、濾波器I、濾波器II的設計之后需要對雙工器進行總體優(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形頭兩側聯(lián)合設計，通過調節(jié)兩濾波器與T形頭的間距來使濾波器的駐波達到最優(yōu)。
b)優(yōu)化濾波器I、濾波器II的靠近T形頭一側的膜片寬度。以濾波器設計原型數(shù)據(jù)為依據(jù)，將濾波器I、濾波器II的第一級膜片帶入到T形頭兩側聯(lián)合設計，直到設計參數(shù)達到濾波器原型數(shù)據(jù)參數(shù)為止。
c)優(yōu)化濾波器I、濾波器II的靠近T形頭一側的第—級諧振腔長度。以濾波器設計原型數(shù)據(jù)為依據(jù)，將濾波器I、濾波器Ⅱ的第一級諧振腔帶入到T形頭兩側聯(lián)合設計，直到設計參數(shù)達到濾波器原型數(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構圖如圖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
本文介紹了一種簡便實用的矩形波導雙工器工程設計方法，并給出了設計實例。在設計過程中，針對兩工作頻帶相距較遠的雙工器，提出了預加載的方法，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形頭結構和同軸波導變換結構。
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