基于交叉耦合的同軸腔雙工器設(shè)計(jì)
隨著通信技術(shù)應(yīng)用范圍的擴(kuò)大,各種微波通信系統(tǒng)的發(fā)展非常迅速。在同一系統(tǒng)中,頻率擁擠與多信道實(shí)時(shí)雙向通信要求收、發(fā)信道必須同時(shí)使用同一副天線,這就必須在設(shè)備的前端設(shè)計(jì)雙通道的波道合成和分離器件即微波雙工器。雙工器主要由收發(fā)通帶的帶通濾波器和分支接頭兩部分組成。分支接頭可以是無(wú)方向性的T型接頭,或有方向性的鐵氧體環(huán)形器。
雙工器的設(shè)計(jì)方法大致有兩種:一是先設(shè)計(jì)好收發(fā)信道的帶通濾波器然后連接上T型接頭再對(duì)濾波器進(jìn)行優(yōu)化;另一種是設(shè)計(jì)好兩個(gè)濾波器后再對(duì)T型接頭進(jìn)行調(diào)整。不同設(shè)計(jì)方法的區(qū)別主要在于濾波器的結(jié)構(gòu)和T型接頭的結(jié)構(gòu)不同以及它們之間的匹配技術(shù)不同。文中的雙工器設(shè)計(jì)采用第二種設(shè)計(jì)方法,先設(shè)計(jì)兩個(gè)中心頻率分別為1.95 GHz和2.14 GHz的同軸腔體濾波器,然后通過(guò)T型接頭將兩個(gè)腔體帶通濾波器并聯(lián)構(gòu)成雙工器。利用微波CAD軟件對(duì)T型接頭進(jìn)行了優(yōu)化處理,減小了非相鄰腔體帶通濾波器之間的影響,提高了非相鄰腔體帶通器之間的隔離度。文中給出了同軸腔體雙工器的設(shè)計(jì)實(shí)例的仿真結(jié)果及實(shí)物測(cè)量結(jié)果。
1 同軸腔濾波器的設(shè)計(jì)方法
對(duì)于同軸腔濾波器,在同軸腔諧振器之間通過(guò)開孔或加探針,可實(shí)現(xiàn)電感或電容耦合。改變孔的大小或者探針的粗細(xì)、長(zhǎng)短等來(lái)控制耦合電感或電容的大小以實(shí)現(xiàn)窄帶濾波器,控制同軸腔諧振器之間的交叉耦合的數(shù)量和大小來(lái)實(shí)現(xiàn)傳輸零點(diǎn)的位置和數(shù)目。在兼顧無(wú)載Q值的情況下,可通過(guò)改變同軸腔內(nèi)外導(dǎo)體的大小,來(lái)實(shí)現(xiàn)需要的功率容量和體積。在有電容加載的情況下,同軸腔濾波器的體積可以做得很小??傊S腔廣義Chebyshev濾波器具有體積小、帶寬窄、矩形系數(shù)高、功率容量高等優(yōu)點(diǎn),是國(guó)內(nèi)外廣泛研究的熱點(diǎn)。
由雙工器的指標(biāo)可得到兩個(gè)帶通濾波器的設(shè)計(jì)指標(biāo):中心頻率分別為1.95 GHz和2.14 GHz,帶寬均為60 MHz,帶內(nèi)的回波損耗為20 dB。為了使雙工器隔離較好,因此采用廣義Chebyshev濾波器的設(shè)計(jì)方法,使中心頻率在1.95 GHz的濾波器有兩個(gè)傳輸零點(diǎn)為:2.05 GHz和2.14 GHz;中心頻率在2.14 GHz的濾波器有兩個(gè)傳輸零點(diǎn)為:2.085 GHz和1.95 GHz 。
1.1 濾波器網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)
具有有限傳輸零點(diǎn)的濾波器,一般采用諧振腔交叉耦合的方式實(shí)現(xiàn),如圖1所示。綜合圖中的器件值就是求解交叉耦合矩陣M 。由于耦合矩陣和網(wǎng)絡(luò)拓?fù)渲苯酉嚓P(guān),而目前還沒有方法完成任意拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)之間的轉(zhuǎn)換,所以確定網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)相當(dāng)重要。下面引入三腔耦合結(jié)構(gòu)分析,可快速地確定具有有限傳輸零點(diǎn)的網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。
因此采用CT級(jí)聯(lián)的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu),如圖2所示。
1.2 求解交叉耦合矩陣
與圖2所示的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)相對(duì)應(yīng)的M矩陣的求解如下:
首先根據(jù)濾波器指標(biāo)由R J Cameron的文章求解歸一化的初始耦合矩陣分別為M01和M02。R1為歸一化電壓源內(nèi)阻,R2輸出端歸一化負(fù)載電阻。在初始耦合矩陣M01中R1=R2=1.004 1 Ω,在初始耦合矩陣M02中R1=R2=1.003 2 Ω。
再根據(jù)Amari的關(guān)于交叉耦合腔體濾波器M矩陣的梯度優(yōu)化技術(shù)的文章,以上述M01和M02為初值編寫共軛梯度法Matlab程序?qū)矩陣進(jìn)行優(yōu)化,之后進(jìn)行反歸一即可得到設(shè)計(jì)所需的耦合矩陣,即式(3)與式(4)?;夭〒p耗和插入損耗的計(jì)算結(jié)果,分別如圖3,圖4所示。
1.3 在Ansoff中建立仿真模型
首先在Ansoft10.0中建立單腔模型并進(jìn)行仿真,使單腔諧振頻率位于濾波器中心頻率上,且單腔尺寸要滿足設(shè)計(jì)要求及加工的可實(shí)現(xiàn)性;其次根據(jù)腔間耦合系數(shù)進(jìn)行雙腔仿真來(lái)確定開孔尺寸和探針尺寸;然后根據(jù)圖2的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)建立同軸腔體帶通濾波器的仿真模型,分別如圖5和圖6所示。
3 結(jié)束語(yǔ)
文中基于廣義Chebyshev函數(shù)的交叉耦合濾波器的設(shè)計(jì)和綜合,研究了與之相關(guān)的理論和技術(shù)。在此基礎(chǔ)上實(shí)現(xiàn)了,如圖7所示的高性能WCDMA同軸腔雙工器,實(shí)測(cè)結(jié)果與設(shè)計(jì)指標(biāo)吻合較好。驗(yàn)證了該設(shè)計(jì)方法的可行性。在工程實(shí)踐和理論研究上都具有一定的意義。