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(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，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，針對在雙工器設(shè)計(jì)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(dǎo)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(jié)構(gòu)。同時寬頻帶波導(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(dǎo)變換實(shí)現(xiàn)信號傳輸形式的轉(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，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)。