Ku頻段波導雙工器的優(yōu)化設計

邵 麗，亢小寧，張 輝

(西安電子科技大學理學院，陜西西安 710071)

隨著通信技術的不斷發(fā)展，各系統(tǒng)間的頻率間距變得越來越窄，例如衛(wèi)星通信和機載雷達對濾波器的性能、體積、重量等都提出了嚴格要求。微波波導雙工器在射頻收發(fā)信機的前端，用于隔離兩個頻段的射頻收發(fā)信號，具有將一個信號頻譜分成兩個頻率范圍的功能，廣泛應用于毫米波通信、衛(wèi)星通信、雷達、電子對抗、測試儀表等系統(tǒng)中。其分頻作用由具有插入損耗小、阻帶抑制好、Q值高等優(yōu)點的波導濾波器來實現(xiàn)[1-4]。

金屬模片波導濾波器自1974年Konishi提出以來，以結構簡單、易于批量生產及優(yōu)良的濾波效果等特點得以廣泛使用[5]。目前分析設計波導型濾波器的方法有等效電路法和模式匹配法。文中結合兩種分析方法，借助仿真軟件HFSS完成該濾波器的仿真優(yōu)化，設計了一款Ku波段的波導型雙工器。

1 理論分析

金屬膜片濾波器是在矩形波導內沿傳播方向依次插入金屬膜片要構成，膜片起耦合作用，相鄰的膜片間形成波導諧振腔，可將其分為膜片和波導諧振器兩部分結構模型進行分析。

膜片分析:等效電路法是將微波腔體濾波器等效為集總電路模型，其能夠反映濾波器的拓撲結構，以及濾波器參數和幾何尺寸的相互關系[6]。文獻[7]利用等效電路法分析說明了實際中的膜片是一個無耗二端口網絡，當其兩端分別加上一段傳輸線時，可以表現(xiàn)為阻抗變換器的特性，如圖1所示。

圖1 膜片模型

利用模式匹配法可計算出S矩陣，借助網絡變換得到傳輸矩陣AS，與級聯(lián)的兩小段特性阻抗為Z0的傳輸線，得到膜片模型的傳輸矩陣

將一段長度為l的矩形波導兩端用金屬平板封閉就構成了矩形波導諧振腔。如圖2所示，矩形諧振腔的三邊邊長分別為a、b、l。由矩形諧振腔內聲場分布相關理論得諧振波長

可見，m、s、n的不同就可能產生不同的諧振頻率[8]。

綜合分析膜片的傳輸特性與諧振腔的選頻特性得知，若要得到一定頻帶的濾波器，可將在諧振頻率連續(xù)變化的諧振器并聯(lián)得到，由此實現(xiàn)了多階膜片寬帶波導濾波器。

2 雙工器的設計

由文獻[4～5]可知，膜片濾波器的特性函數是每級膜片長度與其間距的多元非線性方程，并且膜片厚度也對濾波器的性能產生影響，精確計算各膜片的特性參數會耗費大量時間，因此文中采用仿真軟件HFSS優(yōu)化設計了一款Ku波段的雙工器，該雙工器的兩個帶通濾波器均為5階膜片型濾波器。設計的是具有對稱結構的雙工器，如圖2所示，其中各膜片長度為Ln，n=1～6，厚度為tn，與對稱面的距離為an，相鄰膜片間間距dn，n=1～6。電磁波傳入雙工器后，先經過H面接頭，再經過匹配膜片傳輸到濾波器，產生濾波作用，從而得到所需頻段的電磁波。

圖2 雙工器的一個帶通濾波器

表1 設計要求

根據設計指標，通過HFSS軟件分別仿真此雙工器的兩個不同頻帶的帶通濾波器，設定其模片高度為19.6 mm，優(yōu)化圖2中的參數。表2給出了濾波器的設計參數，圖3為雙工器仿真設計的S參數曲線圖。

表2 雙工器設計參數

圖3 雙工器仿真設計的S參數曲線

根據仿真設計的雙工器尺寸進行加工與裝配得到雙工器實物如圖4所示。使用波導同軸轉換器將波導雙工器與矢量網絡分析儀連接后，進行測試，測試結果如圖5所示。對比圖3與圖5可知，仿真與實測結果吻合。

4 結束語

結合HFSS仿真軟件設計了一款Ku波段波導型雙工器，該雙工器的兩個帶通濾波器均為5階膜片型濾波器。由于膜片型濾波器大大縮小了雙工器的物理尺寸，同時它還具有兩個頻段端口的隔離度高、頻帶內具有插入損耗低及Q值高的優(yōu)點。

[1]李海洋，王清源，張貞鵬.凹形膜片電容加載波導濾波器[C].西安:全國微波毫米波會議，2009.

[2]高秀曉.多模雙工器技術[D].成都:電子科技大學，2010.

[3]張本全，王錫良，阮穎錚.Ku波段波導型雙工器的研制[J].通信學報，2004，25(3):161-166.

[4]郭桂美.Ka波段波導帶通濾波器的仿真設計[J].信息與電子工程，2009，7(3):210-211-217.

[5]馬敏，黃健，喻志遠，等.E面金屬膜片波導濾波器的優(yōu)化設計[J].電訊技術，2003(1):73-76.

[6]鄧向科，何松柏.Ku波段交叉耦合波導濾波器的精確設計[J].現(xiàn)代電子技術，2010，33(5):15-18.

[7]翟博韜，梁昌洪，溫海賓，等.寬帶波導濾波器的準備設計[C].西安:全國微波毫米波會議，2009.

[8]翟彥芬，王清源，高秀曉，等.矩形雙模波導濾波器的設計[C].西安:全國微波毫米波會議，2009.