一種寬頻帶毫米波微帶雙工器的研制

李亞麗+戈江娜+于明紅

摘 要： 介紹了一種寬頻帶毫米波微帶雙工器，該雙工器通過一個(gè)低通濾波器和一個(gè)高通濾波器并聯(lián)構(gòu)成，具有工作頻率高、工作頻帶寬、體積小、插損低等特點(diǎn)，通帶頻率為 8～18 GHz和34～36 GHz，帶內(nèi)插損在8～18 GHz小于1 dB，34～36 GHz小于1.8 dB，隔離度在34～36 GHz 大于30 dB，在8～18 GHz大于10 dB，由于雙工器兩頻帶相距較遠(yuǎn)，應(yīng)用時(shí)兩頻段之間器件隔離較好，因此低的隔離度不影響雙工器的實(shí)際應(yīng)用。

關(guān)鍵詞： 寬頻帶； 毫米波； 濾波器； 微帶雙工器

中圖分類號(hào)： TN925?34； TN713 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼： A 文章編號(hào)： 1004?373X（2015）16?0103?03

Development of wide band millimeter wave microstrip diplexer

LI Yali， GE Jiangna， YU Minghong

（The 13th Research Institute， CETC， Shijiazhuang 050051， China）

Abstract： A kind of wideband millimeter wave microstrip diplexer is introduced， which is made up of parallel connection of a low pass filter and a high pass filter， and has high working frequency， broad working band， low insertion loss and small volume. The pass band of the diplexer is 8～18 GHz and 34～36 GHz. Its insertion loss is less than 1 dB in 8～18 GHz and 1.8 dB in 34～36 GHz. Its isolation is just more than 30 dB in 34～36 GHz and 10 dB in 8～18 GHz. Because of the high isolation between the two pass bands of the devices， the diplexer can satisfy the requirement of the application.

Keywords： wide band； millimeter wave； filter； microstrip diplexer

雙工器是應(yīng)用于無線通信領(lǐng)域的重要微波器件，頻段雙工器能夠?qū)崿F(xiàn)一副天線2個(gè)頻段共用，2個(gè)頻段之間互不影響[1]。隨著通信領(lǐng)域向更高頻段的發(fā)展，對(duì)雙工器也提出了更高頻率的要求，本文介紹了一種寬頻帶毫米波微帶雙工器的研制，工作頻帶為8～18 GHz和34～36 GHz，微帶雙工器與其他種類雙工器比較，具有基板選材多樣化，制作方便靈活，體積小易集成等方面的特點(diǎn)，能夠滿足小型化的應(yīng)用要求[2?5]。本文介紹的雙工器通過一個(gè)低通濾波器和一個(gè)高通濾波器并聯(lián)構(gòu)成[1]，濾波器采用最平坦低通濾波器原型，雙工器通過HFSS仿真軟件進(jìn)行仿真優(yōu)化，最終實(shí)現(xiàn)滿足應(yīng)用要求的寬頻帶毫米波微帶雙工器。

1 設(shè)計(jì)原理

本文低通濾波器原型采用最平坦低通原型，最平坦響應(yīng)如圖1所示，LAr是通帶最大衰減，ω1′是帶邊頻率，ω′≤ω1′為濾波器的通帶，ω′≥ω1′為濾波器的阻帶。最平坦響應(yīng)的數(shù)學(xué)表示式為（單位：dB）：

[LAω′=10lg1+?ω′ω1′2n] （1）

式中：[?=10LAr10-1]。

由于式（1）中括號(hào)內(nèi)的量，在ω′=0處，其2n-1階導(dǎo)數(shù)都為零，故稱為最平坦響應(yīng)。式（1）中的[?]由帶邊ω1′上的衰減LAr的大小來決定。低通濾波器原型電路中的電抗元件數(shù)目n可通過最平坦低通原型的阻帶衰減特性來進(jìn)行估計(jì)。

圖1 最平坦響應(yīng)

最平坦低通原型的集總元件電路圖如圖2所示，它是個(gè)LC梯形網(wǎng)絡(luò)，兩端各接純電阻負(fù)載，圖2（a）與圖2（b）互為對(duì)偶電路。電路中各元件值g0，g1，g2，…，gn，gn+1，是用現(xiàn)代網(wǎng)絡(luò)綜合法得出來的。當(dāng)LAr=3 dB時(shí)，這些歸一元件值為：

[g0=gn+1=1 gk=2sin2k-1π2n ，k=1，2，…，n] （2）

式中：n是圖2電路中的電抗元件數(shù)目。n=1～8的歸一元件值可以通過表直接查得元件值，不需要通過式（2）來計(jì)算[3]。

圖2 低通原型電路結(jié)構(gòu)

在用微帶線實(shí)現(xiàn)濾波器時(shí)，有集總元件法、高、低阻抗法和開路、短路短截線法，本文中采用開路、短路短截線法，圖3為采用開路、短路短截線法實(shí)現(xiàn)LC梯型網(wǎng)絡(luò)。

圖3 用開路、短路短截線實(shí)現(xiàn)梯型網(wǎng)絡(luò)

梯形網(wǎng)絡(luò)的并聯(lián)電容，用2個(gè)相同的并聯(lián)開路短截線來模擬，設(shè)此短截線的特性導(dǎo)納為Yn，則其呈現(xiàn)的并聯(lián)電容是：[Cn=2YnωItg2πl(wèi)nλen]，式中l(wèi)n是短截線的長(zhǎng)度，[λen]是此短截線的微帶波長(zhǎng)。對(duì)于梯型網(wǎng)絡(luò)中的串聯(lián)電感，可用一段細(xì)的短截線來模擬，并將此短截線近似看成短路。設(shè)此短路短截線的長(zhǎng)度為ln，特性阻抗為Zn，則其電感是[3][Ln=ZnωItg2πl(wèi)nλen]。

2 微帶雙工器的設(shè)計(jì)

雙工器是一種三端口微波器件，本文介紹的雙工器通過一個(gè)低通濾波器和一個(gè)高通濾波器并聯(lián)構(gòu)成，高通濾波器通過頻率變換實(shí)現(xiàn)，雙工器的設(shè)計(jì)主要是考慮不同端口之間的匹配，本文中的雙工器通過T型分支線將低通濾波器和高通濾波器并聯(lián)起來，以減小濾波器之間的相互影響[3?4]， 運(yùn)用濾波器原理結(jié)合雙工器具體指標(biāo)，通過開路、短路短截線法求得雙工器具體微帶尺寸[3，6]，再通過HFSS仿真軟件進(jìn)行建模優(yōu)化仿真，雙工器S參數(shù)仿真結(jié)果如圖4（a）所示。從結(jié)果可以看出，在8～18 GHz和34～36 GHz兩個(gè)通帶的插損分別小于0.3 dB和小于2.7 dB，兩個(gè)通帶內(nèi)的回波損耗在10 dB左右，兩個(gè)頻帶間隔離度優(yōu)于25 dB。微帶圖形仿真結(jié)果如圖4（b）所示，尺寸僅為13 mm×15 mm。

圖4 雙工器仿真結(jié)果

3 微帶雙工器的研制與測(cè)試分析

根據(jù)仿真結(jié)果，采用RT5880基板（厚度為0.254 mm），進(jìn)行了雙工器樣品的制備，樣品實(shí)物如圖5所示，利用Agilent E8363B型矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀對(duì)制備樣品進(jìn)行了測(cè)試，測(cè)試結(jié)果如圖6所示。

圖5 樣品實(shí)物圖

圖6 測(cè)試結(jié)果

由測(cè)試結(jié)果可以看出， 雙工器的插入損耗都比較小，在8～18 GHz，帶內(nèi)插損小于1 dB，在34～36 GHz，插損小于1.8 dB，優(yōu)于仿真結(jié)果；回波損耗與仿真結(jié)果吻合，通帶內(nèi)在10 dB左右，在隔離度方面，毫米波頻段與仿真結(jié)果一致， 在8～18 GHz隔離度稍差，最小只有10 dB，造成隔離度較低的原因可能是在高通濾波器設(shè)計(jì)時(shí)側(cè)重了低插損的考慮，對(duì)高通濾波器中的串聯(lián)電容進(jìn)行了調(diào)整，因此在34～36 GHz的插損得到改善的同時(shí)，削弱了對(duì)低頻段的抑制，但在實(shí)際工作中，由于雙工器兩個(gè)頻帶相距較遠(yuǎn)，兩通帶中所用器件之間隔離較好，因此隔離度指標(biāo)不影響雙工器在實(shí)際中的應(yīng)用。另外，仿真結(jié)果與實(shí)測(cè)結(jié)果存在差異的一些其他原因：一是雙工器工作到毫米波頻段，頻率較高，微帶線的加工精度會(huì)對(duì)雙工器的特性起一定的影響；再是軟件仿真結(jié)果與實(shí)際研制結(jié)果也會(huì)存在一定的差異。

4 結(jié) 語(yǔ)

本文根據(jù)微帶濾波器設(shè)計(jì)原理，設(shè)計(jì)出寬頻帶毫米波微帶雙工器，該雙工器通過HFSS軟件仿真優(yōu)化，進(jìn)行了樣品的制備，樣品測(cè)試結(jié)果與仿真結(jié)果基本吻合，該雙工器具有工作頻率高、工作頻帶寬、體積小、插損低的優(yōu)點(diǎn)，雖然在低頻段出現(xiàn)隔離度稍差的情況，但由于兩個(gè)工作頻段相距較遠(yuǎn)，不影響雙工器在實(shí)際當(dāng)中的應(yīng)用。

參考文獻(xiàn)

[1] 顧瑞龍，沈民誼，黎濱洪，等.微波技術(shù)與天線[M].北京：國(guó)防工業(yè)出版社，1980.

[2] 許悅，王勝福，魯國(guó)林，等.一種新型超寬帶小型化U型微帶濾波器[J].半導(dǎo)體技術(shù)，2012，37（4）：291?311.

[3] 吳萬(wàn)春.集成固體微波電路[M].北京：國(guó)防工業(yè)出版社，1981.

[4] 楊毅，羊愷.連續(xù)通道微帶雙工器仿真研究[J].現(xiàn)代電子技術(shù)，2011，34（6）：179?184.

[5] 曹海林，陳世勇，楊士中.一種微帶開路環(huán)雙工器的設(shè)計(jì)[J].重慶郵電學(xué)院學(xué)報(bào)，2006，18（1）：26?29.

[6] 黃曉東，金秀華，程崇虎.基于短路/開路枝節(jié)線的小型化超寬帶濾波器[J].南京郵電大學(xué)學(xué)報(bào)，2013，33（6）：24?28.