信道數目可拓展的新型微帶多工器設計

陳國強，何 明，肖玉花

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信道數目可拓展的新型微帶多工器設計

陳國強，何 明，肖玉花

（南開大學電子信息與光學工程學院，天津 300350）

提出了一種新型結構的多工器，能夠任意拓展信道數目，同時具有較小的體積，彌補了傳統結構的微帶多工器信道數目較小的缺陷。該結構利用一條饋線作為輸入端，各信道濾波器通過與該饋線的耦合合并在一起。信道合并時所帶來的相互干擾可以通過調節各信道部分參數來彌補，不需要額外的補償電路，縮減了多工器的尺寸；而且當輸入饋線被延長時，可以添加更多的信道。提出了新的多工器綜合方法及空間映射法，基于此方法設計并制作了一個微帶六工器，中心頻率3.97 GHz，各信道均為3階切比雪夫濾波器，帶寬80 MHz，信道間隔100 MHz，實物測試的插入損耗約為3.6 dB，回波損耗約為14 dB。實驗結果驗證了本文提出的設計方法。

輸入饋線；微帶線；多工器；可拓展；綜合；空間映射；

在當前通信系統中，為了滿足多頻帶和多服務的需求，用于合并和劃分信道的多工器的地位日趨重要。其中，小體積、信道數目多、低損耗、高隔離度、通帶靈活分布、易于實現等成為多工器的關鍵技術要求和發展趨勢。利用平面微帶線制作的器件具有更小的體積、更高的集成度，因此微帶結構的多工器成為當前研究的熱點。到目前為止，許多學者對微帶多工器的設計進行了研究。文獻[1-6]中，多工器的個信道濾波器通過具有+1個枝節的匹配網絡連接起來，利用匹配網絡使多工器在各個信道內阻抗匹配，然而其匹配網絡的設計較為復雜，還會大大增加多工器的體積；文獻[7-11]中，多工器利用共用的諧振器將各個信道濾波器合并起來，進而縮減多工器的尺寸，但是多工器各個信道的頻帶需要分布于共用諧振器的諧振頻率附近，而且這種結構所能連接的信道濾波器數目較少；在文獻[12]中，多工器利用環形枝節結構連接信道濾波器，其信道數目仍受環形枝節結構的限制。在文獻[13-14]中，也提出了一些多工器的設計方法，這些方法通過較為復雜的設計來改善多工器性能。總的來說，這些文獻中所設計的微帶多工器并沒有滿足多工器的小體積、信道數目多、通帶靈活分布的需求。本文提出一種新的結構的多工器，具有結構簡單、小體積、信道數目多、通帶靈活分布的特點，彌補了傳統結構多工器的一些缺陷；同時，提出了改進的多工器綜合方法和空間映射法，能夠快速、有效地設計多工器。

本文提出的多工器結構如圖1所示，多工器的各個信道濾波器是通過與50W的輸入饋線的縫隙耦合而合并在一起。延長輸入饋線，其兩側就可以放置更多的信道濾波器，進而拓展信道數目。在該結構中，信道合并帶來的互擾是通過調諧各信道濾波器的部分參數來彌補的，不需要額外的補償電路，這樣可以縮減多工器尺寸。隨著多工器信道數目的增加，仿真設計的難度也大大增加。本文提出了改進的多工器綜合方法，同時提出了一種基于空間映射的多工器設計方法，采用這兩種方法能夠縮短多工器的設計周期，降低設計難度。根據上述方法，本文設計、制作了一個六工器，并進行了測試，驗證了論文所提方法的有效性。

圖1 六工器版圖

1 多工器的綜合

多工器結構如圖1所示，該多工器含有6個信道，每個信道均為3階切比雪夫濾波器，各信道分布在輸入饋線的兩側并通過與輸入饋線的縫隙耦合合并在一起。可以看出，輸入饋線可以任意延長，其兩側可以放置更多的信道，因而多工器的信道數目可以拓展。此外，由于信道合并會導致信道之間的互相干擾。為了縮小多工器的體積，該結構不引入額外的補償電路(如匹配網絡、環形枝節等)，而是通過對各信道濾波器的參數進行調諧來彌補信道之間的干擾。

六工器的拓撲結構如圖2所示。圖2中，各個信道是并聯合并在一起，白色圓圈表示諧振器，黑色圓點表示端口，虛線表示各信道與端口的耦合，實線表示各信道內諧振器之間的耦合。

圖2 六工器的拓撲結構

Macchiarella等[15]提出了一種迭代的方法，用來綜合星型結多工器的耦合矩陣。然而，隨著多工器信道中總的諧振器數目的增加，該方法需要大量的迭代才能收斂，甚至會出現不收斂的現象。因此，在綜合復雜的多工器時，此方法不再適用。

本文提出新的優化方法來綜合多工器。步驟歸納如下：

（1）根據多工器的指標（表1所示），將各個信道濾波器的耦合矩陣綜合出來，再由耦合矩陣得到各信道濾波器的散射參數，方法如下[16]：

(2)

（2）根據各信道濾波器的散射參數，利用網絡理論[17]得到整個多工器的散射參數，并計算出最優頻率采樣點(如傳輸零點、反射零點、通帶截止頻率等)。

表1 多工器六個信道的指標

Tab.1 Specifications of the multiplexer’s six channels

(3)建立合適的目標函數:

（4）選取合適的優化變量。傳統優化方法中，都是將步驟(1)所得耦合矩陣中的所有非零元素均作為優化變量。隨著多工器中諧振數目的增多，優化變量也越來越多，傳統優化方法的優化難度將大大增加。根據相關理論[18]，在多工器設計中，信道并聯帶來的相互干擾可以通過調節各信道濾波器中與前兩階諧振器有關的參數來彌補。因此，本文只將各信道耦合矩陣中與其前兩階諧振器有關的元素作為優化變量，這樣就較大程度縮減優化變量、減少優化時間。

（5）選取初始值進行優化。將步驟(2)中得出的值作為初始值，利用梯度優化算法進行優化。

利用上述方法，得到了六工器的各信道耦合矩陣，以及其傳輸損耗和回波損耗曲線，如圖3所示。可以看出，各項指標均得到滿足。該優化綜合的方法適用于任何類型的多工器的綜合。

圖3 利用優化方法得到的六工器的響應曲線

2 多工器的設計

接下來，根據基于單端口群延時的主動空間映射法[19]，利用全波電磁仿真技術來設計多工器。本文選用Taconic RF35微帶板材，其相對介電常數為3.5，損耗角正切為0.0018，介質板厚度為0.76 mm，銅箔厚度約為0.035 mm。

首先，根據六工器的拓撲結構和優化方法提取的耦合矩陣建立六工器的電路模型(即空間映射法中的粗糙模型)，如圖4中電路所示。由于使用的微帶板材是有耗的，而圖4中的模型是無耗的，故需要在其中引入損耗。將圖4電路中的LC諧振器用RLC諧振器替換。其中，=×u，u為諧振器的無載品質因數，=50W。本文采用半波長微帶諧振器來設計多工器，為了縮減多工器尺寸，將半波長微帶線反復折疊，其最終結構如圖1所示。

圖4 六工器的電路模型

通過全波電磁仿真可以確定諧振器的無載品質因數，進而得到值。這樣就得到了六工器的有耗電路模型。引入損耗后，六工器的響應曲線如圖5所示。圖5與圖3相比，性能有所惡化，這是因為諧振器的品質因數下降(損耗增加)導致的。

圖5 六工器有耗電路模型的響應曲線

本文分兩步來設計多工器，(1)利用單端口群時延的方法設計包含輸入饋線以及各信道濾波器前兩階諧振器的部分，如圖6所示；(2)設計各個信道濾波器。

圖6 六工器輸入饋線與每個信道濾波器前兩階諧振器組合版圖

利用如下的基于群時延的空間映射法設計圖6所示部分：

(1)首先在有耗電路模型中選取相應的部分作為粗糙模型，其變量值為：

(5)

其中表示諧振器與饋線或者諧振器與諧振器的距離，表示諧振器的長度。通過全波電磁仿真得到、中對應元素的關系曲線，即()=f(())，=1, 2, 3, …, 24（各有24個元素），()表示矢量中的第個元素，f表示對應的函數關系。在*()附近，可以將f近似為線性關系，可得。根據*可以選取的初始值1，并初始化=1。

文獻[19]所采用的空間映射法中，B初始為對角矩陣，且對角元素為1，而上述方法中B的初始值更為準確地包含了和之間的映射關系，能夠縮減迭代次數；此外，上述方法在簡化計算的同時，也能保證較快的收斂速度。

在得到*后，就完成了前端(圖6)的設計。接著，再次使用空間映射法設計各個信道濾波器。最后，將前端和各信道濾波器拼接起來，就可得到最后的六工器版圖，如圖1所示。版圖的尺寸為67 mm120 mm(1.5×2.6,為六工器中心頻率對應的微帶波長)，相較于傳統結構的多工器，本設計在容納了更多的信道的同時具有較小的尺寸。其仿真結果如圖7所示。可以看出，設計版圖的仿真結果基本上滿足了設計指標的要求。

圖7 設計版圖的仿真結果

為了進一步說明論文提出的結構以及設計方法在多工器信道數目拓展方面的優越性，本文利用相對介電常數為9.75的氧化鎂基片，設計了一個具有16個信道的多工器，每個信道濾波器包含四個諧振器。設計版圖和仿真結果分別如圖8(a)、(b)所示。

(a)

(b)

圖8(a) 十六信道多工器設計版圖; (b) 十六信道多工器仿真結果

Fig.8 (a) The layout of the multiplexer with sixteen channels;(b) The simulation result of the sixteen-channel multiplexer

3 實物制作與測試

制作的六工器實物如圖9所示，用Agilent E5071C矢量網絡分析儀對其進行測試，結果如圖10所示。各個通帶內的插入損耗約為3.6 dB，回波損耗約為14 dB。測試結果與仿真結果較為一致，存在差異的主要原因在于信道濾波器與輸入饋線間距較小，而加工精度無法滿足要求。測試結果驗證了本文所提結構以及設計方法的可行性。

圖9 制作的六工器實物圖

圖10 六工器實物測試結果

4 結論

本文提出了一種信道數目可拓展的新型微帶多工器，各個信道通過與50 Ω輸入饋線的耦合合并在一起；隨著輸入饋線的延長，其兩側可以放置更多的信道濾波器，進而拓展多工器的信道數目。其中，信道濾波器之間的干擾可以通過調節信道濾波器的部分參數來彌補，無需額外補償電路，這樣可以縮減多工器體積。此外，本文提出了該多工器的優化綜合方法，并提出了一種改進的空間映射方法來設計多工器。基于本文所提出的結構以及相應的設計方法，可以快速設計出具有任意通道數目、通帶靈活分布的多工器。

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（編輯：陳豐）

Design of a novel microstrip multiplexer with extendable channel

CHEN Guoqiang, HE Ming, XIAO Yuhua

(College of Electronic Information and Optical Engineering, Nankai University, Tianjin 300350, China)

A novel microstrip multiplexer with arbitrary number of channels and small size was proposed, which overcome the conventional multiplexer’s disadvantage of not being able to combine too many channels. The multiplexer consisted of a common input feeder and multiple bandpass filters. Bandpass filters were combined together by coupling with the input feeder. The interaction between channel filters could be compensated by adjusting the parameters of the channel filters. Therefore, no additional compensation circuit was needed for the proposed multiplexer, which led to a lower volume or smaller size than conventional multiplexers. In addition, the length of the input feeder was extensible, making it feasible to design a multiplexer consisting of arbitrary number of channels. With the novel structure, the improved synthesis approach and the improved space mapping technique, a six-channel microstrip multiplexer was designed and fabricated. Its center frequency is 3.97 GHz. And its each channel is a three-order Chebyshev bandpass filter with a bandwidth of 80 MHz. The guard band is 100 MHz. Measurement results show that the return loss is about 14 dB and the insertion loss is about 3.6 dB. The experimental results verify the validity of the proposed method.

input feeder; microstrip line; multiplexer; extensible; synthesis; space mapping

10.14106/j.cnki.1001-2028.2017.04.017

TN61

A

1001-2028（2017）04-0085-06

2017-02-27

陳國強

國家自然科學基金資助（No. 61171028, 61176119, 61471208）

陳國強（1989－），男，河南鄭州人，研究生，研究方向為微波器件與超導電子學，E-mail: chenguoqiang@mail.nankai.edu.cn。

網絡出版時間：2017-04-11 10:49

http://kns.cnki.net/kcms/detail/51.1241.TN.20170411.1049.017.html