帶短路支節(jié)的FSS雙工器設(shè)計(jì)

1 引言

雙工器在微波中繼通信、微波通信、雷達(dá)、電子對抗及微波測量儀表中都得到極其廣泛的應(yīng)用。膜片波導(dǎo)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(tǒng)使用的雙工器相比，波導(dǎo)型雙工器省掉了環(huán)行器，故而結(jié)構(gòu)緊湊，一體化程度高。此外波導(dǎo)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(nèi)一般采用等效電路法設(shè)計(jì)波導(dǎo)型雙器。等效電路法是一種近似的方法，利用該法設(shè)計(jì)的雙工器綜合精度低，很難滿足高性能、高指標(biāo)要求的場合。近年來，將高精度的模式匹配法等技術(shù)應(yīng)用于波導(dǎo)無源器件中，得到了所設(shè)計(jì)器件的實(shí)測值與電磁仿真軟件綜合優(yōu)化值相當(dāng)吻合的優(yōu)良結(jié)果。

2 雙工器設(shè)計(jì)理論

圖1為雙工器結(jié)構(gòu)圖，角孔式膜片作為諧振腔，而四分之一波長波導(dǎo)作為耦合器。我們在知道設(shè)計(jì)指標(biāo)的情況下，可以根據(jù)經(jīng)典微波理認(rèn)來求得角孔膜片的大小。

圖1 FSS濾波器模型

濾波器模型設(shè)計(jì)所需要的參數(shù)，諧振頻率f₀，有載品質(zhì)因數(shù)Q_i。對應(yīng)于集總參數(shù)電路的關(guān)系由（1）和（2）式給出：

（1）

（2）

圖2所示，據(jù)經(jīng)典微波理論和等效電路法，便可以初步設(shè)計(jì)濾波器及雙工器。

圖2 FSS濾波器模型的集總參數(shù)等效電路

3 短路支節(jié)技術(shù)

工程中對雙工器的指標(biāo)要求越來越高，有時會要－100dB的隔離度。顯然，運(yùn)用傳統(tǒng)的腔體濾波技術(shù)難以設(shè)計(jì)出體積小，隔離度高的雙工器。

在結(jié)構(gòu)模型（圖1）的基礎(chǔ)上運(yùn)用短路支節(jié)技術(shù)，可以設(shè)計(jì)出體積小，性能良好的雙工器。以兩個FSS膜片和一個短路支節(jié)作為一個單元來研究它的特性。通過改變短路支節(jié)的寬度、高度和長度可以控制零點(diǎn)的位置。如圖3所示，是將零點(diǎn)控制在低端的一個單元結(jié)構(gòu)。隨著短路支節(jié)的寬度/長度的減小，傳輸零點(diǎn)往頻率高的位置移動，如圖4所示。圖3和圖4所示結(jié)構(gòu)對應(yīng)的尺寸如表格1所示。

圖3 帶短路支節(jié)的單元結(jié)構(gòu)一

圖4 帶短路支節(jié)的的單元結(jié)構(gòu)二

4 雙工器設(shè)計(jì)

本文以一個X波段的波導(dǎo)型雙工器為例，說明雙工器的設(shè)計(jì)方法。雙工器的具體技術(shù)指標(biāo)如下：

通帶1：中心頻率為8.307GHz，帶寬60 MHz， 通帶內(nèi)反射系數(shù)小于18dB；

通帶2：中心頻率為8.426GHz，帶寬60 MHz， 通帶內(nèi)反射系數(shù)小于18dB。

隔離度(中心頻點(diǎn))大于90dB；體積小于20×15×5cm³。

設(shè)計(jì)采用FSS諧振腔和短路支節(jié)技術(shù)，圖5所示。雙工器的設(shè)計(jì)步驟可分為四個步驟：

（1）根據(jù)所述設(shè)計(jì)理論優(yōu)化設(shè)計(jì)好兩個帶通濾波器的參數(shù)，包括膜片間距參數(shù)和FSS的參數(shù)；

（2）根據(jù)波導(dǎo)－同軸轉(zhuǎn)換接頭理論分別設(shè)計(jì)好兩濾波器的輸出結(jié)構(gòu)；

（3）根據(jù)要求選擇合適的輸入結(jié)構(gòu)，本例子采用的是標(biāo)準(zhǔn)波導(dǎo)E面底部輸入；

（4）然后將以上三個部分連接在一起，上面設(shè)計(jì)過程中得到的參數(shù)作為已知值，再優(yōu)化雙工器的尺寸參數(shù)。

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(jié)果，可知，仿真結(jié)果滿足設(shè)計(jì)指標(biāo)。

表1 濾波器單元結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)參數(shù)

5 工程實(shí)現(xiàn)及測試結(jié)果

按上述設(shè)計(jì)方法，我們設(shè)計(jì)、加工了同標(biāo)的雙工器，由于所述雙工器級數(shù)較多，且尺寸很小，器件的實(shí)際制作調(diào)試具有相當(dāng)?shù)睦щy。如圖7所示，用HP8320B矢網(wǎng)進(jìn)行測試，實(shí)測結(jié)果中包含了兩個SMA的插損和反射損耗，最終實(shí)現(xiàn)的FSS雙工器可達(dá)到如下指標(biāo)：

通帶1：中心頻率為8.31GHz，帶寬60 MHz， 通帶內(nèi)反射系數(shù)小于20dB，通帶內(nèi)插損小于3dB；

通帶2：中心頻率為8.436GHz，帶寬60 MHz， 通帶內(nèi)反射系數(shù)小于18dB，通帶內(nèi)插損小于2.9dB；

隔離度(中心頻點(diǎn))大于100dB。

由測試結(jié)果與仿真結(jié)果基本吻合，通帶2的中心頻率有10 MHz的上移。濾波器級數(shù)較多難以調(diào)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(jié)果

圖6 雙工器測試結(jié)果

6 結(jié)論

本文介紹了一種帶短路支節(jié)的FSS雙工器的設(shè)計(jì)方法，用兩個FSS膜片和一個短路支節(jié)作為雙工器的單元結(jié)構(gòu)。并設(shè)計(jì)、加工了一雙工器，結(jié)果表明此種方法所設(shè)計(jì)的雙工器具有體積小，設(shè)計(jì)靈活的優(yōu)點(diǎn)。這種方法同樣適用于濾波器的設(shè)計(jì)。