一種腔體雙工器的快速設計方法

馬雯瑩，孫海青，葛福蘭，陳建囡

(中國船舶集團有限公司第八研究院，南京 211153)

0 引 言

雙工器主要應用于天饋系統前端，是一種特殊的三端口濾波器。它既要保證發射和接收都能同時正常運作，又能將發射和接收信號相互隔離，是收發一體的微波器件。雙工器從結構上可分為平面雙工器和腔體雙工器[1-2]，其中腔體雙工器，由于帶內插損低、Q值高、功率容量大、調諧簡單等優點，廣泛應用于廣播、雷達和衛星通信等領域中。本文設計一款由1.995 GHz和2.185 GHz帶通濾波器組成的腔體雙工器，并測試驗證了設計的正確性。

1 設計和仿真

1.1 技術指標

本文所設計腔體雙工器的技術指標要求如下：

(1) 接收通道RX：頻率范圍1 980～2 010 MHz，帶內插損≤1.0 dB，帶內波動≤0.7 dB，駐波≤1.5，帶外抑制≥80 dB@2 170～2 200 MHz，≥60 dB@4 000～4 400 MHz；

(2) 發射通道TX：頻率范圍2 170～2 200 MHz， 帶內插損≤1.0 dB，帶內波動≤0.7 dB，駐波≤1.5，帶外抑制≥80 dB@1 980～2 010 MHz，≥60 dB@4 000～4 400 MHz。

1.2 計算機仿真設計

雙工器設計主要是通道濾波器和公共接頭的設計。本文濾波器選用腔體結構，在利用計算機仿真軟件Super Filter設計濾波器時，只要在參數設置項中輸入濾波器的中心頻率、帶寬、腔體數、回波損耗等指標，便可得到耦合系數等參數[3]。通過調整濾波器的諧振腔個數，結合幅頻特性窗口中的相關指標情況，確定合適的腔體濾波器腔數值。如果腔數設置太少，則帶外抑制指標無法滿足要求；如果腔數設置較多，則插入損耗指標不能滿足要求。

1.2.1 RX濾波器設計

根據指標要求，該款濾波器需要4腔、Q值達到2 000以上，其帶外抑制和帶內插損才能滿足要求，仿真結果如圖1所示?？梢钥闯?，濾波器回波損耗指標和帶寬指標都有一定余量，設計結果完全滿足項目指標要求。

圖1 計算機仿真設計結果

在確定了濾波器腔數后，Super Filter直接給出濾波器的耦合矩陣M[4]。由圖1可知，ms1=m4L=1.106，m12=m21=0.988，m23=m32=0.716，m34=m43=9 676。以這些參數為基礎，便能計算得到K系數，K值決定兩諧振腔間窗口的尺寸。

m與k的轉換關系為Kn(n-1)=bw×mn(n-1)，其中bw=50/1 995=0.025為相對帶寬比，n為諧振腔編號，由此得到耦合系數的K值如表1所示。

表1 濾波器的K系數

根據技術指標、諧振腔腔數、抽頭方式及外形尺寸要求，利用HFSS可得到單個諧振腔的仿真模型，如圖2所示。

圖2 RX單腔模型

可以看出頻率為2.028 8 GHz，Q值大于2 300，滿足要求(頻率很接近1.995 GHz，可調試到1.995 GHz，Q值大于1 500)。

根據單腔仿真結果和濾波器的K系數，利用HFSS雙腔仿真模型如圖3所示。

圖3 RX雙腔模型

由表1和圖3可知4個腔體的開窗尺寸依次為9.49 mm、8.3 mm、9.48 mm。

1.2.2 TX通道濾波器設計

TX通道與RX通道的設計方法相似，只須將中心頻率、帶寬等參數的設置做相應更改，便可得到仿真數據如圖4～圖6所示。

圖4 TX計算機仿真設計結果

圖5 耦合系數矩陣

圖6 TX雙腔模型

由圖4可知，TX濾波器同樣需要4腔、Q值達到2 000以上，才能滿足設計要求。根據圖5可得出濾波器k系數分別為k12=0.022 21、k23=0.016 49、k34=0.022 61。經過單腔仿真后頻率為2.155 2 GHz，Q值為2 413，滿足設計要求(頻率很接近2.185 GHz，可調試到2.185 GHz，Q值大于2 000)。再結合之前得到的k系數，利用HFSS建模得到圖6所示的雙腔結構模型和雙腔間的窗口尺寸依次為9.42 mm、8.23 mm、9.44 mm。

1.2.3 結構設計

仿真設計得到RX、TX兩個通道濾波器的具體結構和尺寸，而合路采用Y型結的方式在ANT公共端用銅絲直接連接兩個濾波器。圖7、圖8分別給出了雙工器的機加工圖和裝配圖。雙工器由盒體、蓋板、內導體、連接器、調諧螺釘及螺釘組成。腔體采用鍍銀工藝在保證高Q值、低插損的同時又降低了成本。

圖7 雙工器機加工圖

圖8 雙工器裝配圖

2 雙工器測試

根據設計和仿真結果將雙工器加工成實物，組裝完畢后對其進行調試。雙工器連接網絡分析儀，從RX通道開始，依次調整調諧螺釘，使諧振腔諧振于通道中心頻率。然后用網絡分析儀觀察S參數，同時不斷調整調諧螺釘的深度，使其各項數據均能滿足指標要求。最終測試結果如圖9所示：接收、發射通道帶內插損均小于0.7 dB，帶外衰減均大于60 dB，相互隔離度大于80 dB，滿足指標要求。

圖9 矢網測試結果

3 結束語

本文從廣義切比雪夫濾波器理論出發，根據實際指標要求，運用計算機仿真技術，設計了一款基于1.9～2.2 GHz的腔體雙工器。按照該設計方法加工出實物，其測試結果與仿真結果一致，充分證明了本設計的正確性和實用性。