帶短路支節的FSS雙工器設計
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1 引言
雙工器在微波中繼通信、微波通信、雷達、電子對抗及微波測量?jì)x表中都得到極其廣泛的應用。膜片波導濾波器具有體積小，損耗低，Q值高等優(yōu)點(diǎn),因此受到關(guān)注，與傳統使用的雙工器相比，波導型雙工器省掉了環(huán)行器，故而結構緊湊，一體化程度高。此外波導型雙工器還具有隔離性好的優(yōu)點(diǎn)，因此受到普遍關(guān)注。目前國內一般采用等效電路法設計波導型雙器。等效電路法是一種近似的方法，利用該法設計的雙工器綜合精度低，很難滿(mǎn)足高性能、高指標要求的場(chǎng)合。近年來(lái)，將高精度的模式匹配法等技術(shù)應用于波導無(wú)源器件中，得到了所設計器件的實(shí)測值與電磁仿真軟件綜合優(yōu)化值相當吻合的優(yōu)良結果。
2 雙工器設計理論
圖1為雙工器結構圖，角孔式膜片作為諧振腔，而四分之一波長(cháng)波導作為耦合器。我們在知道設計指標的情況下，可以根據經(jīng)典微波理認來(lái)求得角孔膜片的大小。
圖1 FSS濾波器模型
濾波器模型設計所需要的參數，諧振頻率f0，有載品質(zhì)因數Qi。對應于集總參數電路的關(guān)系由（1）和（2）式給出：
（1）
（2）
圖2所示，據經(jīng)典微波理論和等效電路法，便可以初步設計濾波器及雙工器。
圖2 FSS濾波器模型的集總參數等效電路
3 短路支節技術(shù)
工程中對雙工器的指標要求越來(lái)越高，有時(shí)會(huì )要－100dB的隔離度。顯然，運用傳統的腔體濾波技術(shù)難以設計出體積小，隔離度高的雙工器。
在結構模型（圖1）的基礎上運用短路支節技術(shù)，可以設計出體積小，性能良好的雙工器。以?xún)蓚€(gè)FSS膜片和一個(gè)短路支節作為一個(gè)單元來(lái)研究它的特性。通過(guò)改變短路支節的寬度、高度和長(cháng)度可以控制零點(diǎn)的位置。如圖3所示，是將零點(diǎn)控制在低端的一個(gè)單元結構。隨著(zhù)短路支節的寬度/長(cháng)度的減小，傳輸零點(diǎn)往頻率高的位置移動(dòng)，如圖4所示。圖3和圖4所示結構對應的尺寸如表格1所示。
圖3 帶短路支節的單元結構一
圖4 帶短路支節的的單元結構二
4 雙工器設計
本文以一個(gè)X波段的波導型雙工器為例，說(shuō)明雙工器的設計方法。雙工器的具體技術(shù)指標如下：
通帶1：中心頻率為8.307GHz，帶寬60 MHz， 通帶內反射系數小于18dB；
通帶2：中心頻率為8.426GHz，帶寬60 MHz， 通帶內反射系數小于18dB。
隔離度(中心頻點(diǎn))大于90dB；體積小于20×15×5cm3。
設計采用FSS諧振腔和短路支節技術(shù)，圖5所示。雙工器的設計步驟可分為四個(gè)步驟：
（1）根據所述設計理論優(yōu)化設計好兩個(gè)帶通濾波器的參數，包括膜片間距參數和FSS的參數；
（2）根據波導－同軸轉換接頭理論分別設計好兩濾波器的輸出結構；
（3）根據要求選擇合適的輸入結構，本例子采用的是標準波導E面底部輸入；
（4）然后將以上三個(gè)部分連接在一起，上面設計過(guò)程中得到的參數作為已知值，再優(yōu)化雙工器的尺寸參數。
此種雙工器的仿真體積僅為10×7×2.1 cm3。圖5為雙工器的電磁仿真結果，可知，仿真結果滿(mǎn)足設計指標。
表1 濾波器單元結構設計參數
參數 | 圖3結構（mm） | 圖4結構（mm） | 參數描述 |
a0 | 28.5 | 28.5 | 標準波端口寬度 |
b0 | 12.62 | 12.62 | 標準波端口高度 |
a1 | 30 | 30 | 短路支節寬度 |
b1 | 18.5 | 18.5 | 短路支節高度 |
w1=w2 | 18. | 18. | FSS膜片寬度 |
h1=h2 | 2.5 | 2.5 | FSS膜片高度 |
l | 4 | 4 | 短路支節長(cháng)度 |
t | 2 | 2 | FSS膜片厚度 |
5 工程實(shí)現及測試結果
按上述設計方法，我們設計、加工了同標的雙工器，由于所述雙工器級數較多，且尺寸很小，器件的實(shí)際制作調試具有相當的困難。如圖7所示，用HP8320B矢網(wǎng)進(jìn)行測試，實(shí)測結果中包含了兩個(gè)SMA的插損和反射損耗，最終實(shí)現的FSS雙工器可達到如下指標：
通帶1：中心頻率為8.31GHz，帶寬60 MHz， 通帶內反射系數小于20dB，通帶內插損小于3dB；
通帶2：中心頻率為8.436GHz，帶寬60 MHz， 通帶內反射系數小于18dB，通帶內插損小于2.9dB；
隔離度(中心頻點(diǎn))大于100dB。
由測試結果與仿真結果基本吻合，通帶2的中心頻率有10 MHz的上移。濾波器級數較多難以調試，和加工誤差是引起不完全吻合的主要原因。
圖5 FSS雙工器仿真結果
圖6 雙工器測試結果
6 結論
本文介紹了一種帶短路支節的FSS雙工器的設計方法，用兩個(gè)FSS膜片和一個(gè)短路支節作為雙工器的單元結構。并設計、加工了一雙工器，結果表明此種方法所設計的雙工器具有體積小，設計靈活的優(yōu)點(diǎn)。這種方法同樣適用于濾波器的設計。
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