H面波導雙工器的工程設計

摘要：介紹了一種簡(jiǎn)便實(shí)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(guò)程中，容易出現的低頻通道高次模落入高頻通道的問(wèn)題，提出了預加載的解決方法。針對雙工器在設計過(guò)程中頻帶跨度大的問(wèn)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(shí)例中心頻率分別為21GHz和29.5GHz，帶寬均為300MHz，通帶內隔離分別小于-120dB和-65dB。

關(guān)鍵詞：雙工器 濾波器 波導

0.引言

微波雙工器是用來(lái)把一個(gè)信號頻譜分開(kāi)成為兩個(gè)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、衛星通信、雷達、電子對抗等領(lǐng)域都有著(zhù)廣泛的應用。波導型雙工器是微波雙工器的一個(gè)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用。

波導雙工器的設計方法很多，但這些方法的設計過(guò)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(shí)，也增加了設計周期。為此本文介紹了一種較為簡(jiǎn)便的雙工器設計方法。同時(shí)，針對在雙工器設計過(guò)程中常會(huì )遇到雙工器的兩個(gè)工作頻段跨度大，工作在低頻段的波導濾波器的高次模會(huì )落入高頻通帶內的問(wèn)題，本文給出了工程解決方法。針對雙工器的兩個(gè)工作頻段跨度大的問(wèn)題，提出了新型的T形頭結構。同時(shí)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(jiǎn)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(guò)頻率選擇兩個(gè)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(guò)T形頭連接起來(lái)。同軸波導變換實(shí)現信號傳輸形式的轉換。

2. 濾波器的設計

關(guān)于波導濾波器的設計，在此介紹一種簡(jiǎn)單實(shí)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和逼近函數之后，就可以通過(guò)式子(1)-(3)計算出K 變換器的耦合系數K’，再通過(guò)式子(4)可以得出K變換器的S21參數值，這樣就可以通過(guò)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(cháng)度的確定

兩個(gè)膜片之間的一節波導為諧振腔，通過(guò)a)得出的膜片寬度。接下來(lái)調節諧振腔的長(cháng)度，使諧振腔諧振在中心頻率，就確定了諧振腔的長(cháng)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，可以采用調諧桿預加載的方法，即在濾波器設計過(guò)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(guò)程中，已經(jīng)將調諧桿預加載的性能考慮在內。

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(jìn)一步進(jìn)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(chēng)位置添加了電感膜片。改進(jìn)后的T形頭的總口S11參數性能如圖4所示，滿(mǎn)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(gè)，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S11參數在工作頻帶內都小于 -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(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形頭兩側聯(lián)合設計，通過(guò)調節兩濾波器與T形頭的間距來(lái)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據為依據，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，直到設計參數達到濾波器原型數據參數為止。

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(cháng)度。以濾波器設計原型數據為依據，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，直到設計參數達到濾波器原型數據參數為止。

經(jīng)過(guò)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(jiǎn)便實(shí)用的矩形波導雙工器工程設計方法，并給出了設計實(shí)例。在設計過(guò)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(guò)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。