一種腔體雙工器的快速設(shè)計(jì)方法

馬雯瑩，孫海青，葛福蘭，陳建囡

(中國船舶集團(tuán)有限公司第八研究院，南京 211153)

0 引 言

雙工器主要應(yīng)用于天饋系統(tǒng)前端，是一種特殊的三端口濾波器。它既要保證發(fā)射和接收都能同時(shí)正常運(yùn)作，又能將發(fā)射和接收信號(hào)相互隔離，是收發(fā)一體的微波器件。雙工器從結(jié)構(gòu)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(nèi)插損低、Q值高、功率容量大、調(diào)諧簡單等優(yōu)點(diǎn)，廣泛應(yīng)用于廣播、雷達(dá)和衛(wèi)星通信等領(lǐng)域中。本文設(shè)計(jì)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(yàn)證了設(shè)計(jì)的正確性。

1 設(shè)計(jì)和仿真

1.1 技術(shù)指標(biāo)

本文所設(shè)計(jì)腔體雙工器的技術(shù)指標(biāo)要求如下：

(1) 接收通道RX：頻率范圍1 980～2 010 MHz，帶內(nèi)插損≤1.0 dB，帶內(nèi)波動(dòng)≤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(fā)射通道TX：頻率范圍2 170～2 200 MHz， 帶內(nèi)插損≤1.0 dB，帶內(nèi)波動(dòng)≤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(jì)算機(jī)仿真設(shè)計(jì)

雙工器設(shè)計(jì)主要是通道濾波器和公共接頭的設(shè)計(jì)。本文濾波器選用腔體結(jié)構(gòu)，在利用計(jì)算機(jī)仿真軟件Super Filter設(shè)計(jì)濾波器時(shí)，只要在參數(shù)設(shè)置項(xiàng)中輸入濾波器的中心頻率、帶寬、腔體數(shù)、回波損耗等指標(biāo)，便可得到耦合系數(shù)等參數(shù)[3]。通過調(diào)整濾波器的諧振腔個(gè)數(shù)，結(jié)合幅頻特性窗口中的相關(guān)指標(biāo)情況，確定合適的腔體濾波器腔數(shù)值。如果腔數(shù)設(shè)置太少，則帶外抑制指標(biāo)無法滿足要求；如果腔數(shù)設(shè)置較多，則插入損耗指標(biāo)不能滿足要求。

1.2.1 RX濾波器設(shè)計(jì)

根據(jù)指標(biāo)要求，該款濾波器需要4腔、Q值達(dá)到2 000以上，其帶外抑制和帶內(nèi)插損才能滿足要求，仿真結(jié)果如圖1所示。可以看出，濾波器回波損耗指標(biāo)和帶寬指標(biāo)都有一定余量，設(shè)計(jì)結(jié)果完全滿足項(xiàng)目指標(biāo)要求。

圖1 計(jì)算機(jī)仿真設(shè)計(jì)結(jié)果

在確定了濾波器腔數(shù)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(shù)為基礎(chǔ)，便能計(jì)算得到K系數(shù)，K值決定兩諧振腔間窗口的尺寸。

m與k的轉(zhuǎn)換關(guān)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(hào)，由此得到耦合系數(shù)的K值如表1所示。

表1 濾波器的K系數(shù)

根據(jù)技術(shù)指標(biāo)、諧振腔腔數(shù)、抽頭方式及外形尺寸要求，利用HFSS可得到單個(gè)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(diào)試到1.995 GHz，Q值大于1 500)。

根據(jù)單腔仿真結(jié)果和濾波器的K系數(shù)，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(gè)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(shè)計(jì)

TX通道與RX通道的設(shè)計(jì)方法相似，只須將中心頻率、帶寬等參數(shù)的設(shè)置做相應(yīng)更改，便可得到仿真數(shù)據(jù)如圖4～圖6所示。

圖4 TX計(jì)算機(jī)仿真設(shè)計(jì)結(jié)果

圖5 耦合系數(shù)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(dá)到2 000以上，才能滿足設(shè)計(jì)要求。根據(jù)圖5可得出濾波器k系數(shù)分別為k12=0.022 21、k23=0.016 49、k34=0.022 61。經(jīng)過單腔仿真后頻率為2.155 2 GHz，Q值為2 413，滿足設(shè)計(jì)要求(頻率很接近2.185 GHz，可調(diào)試到2.185 GHz，Q值大于2 000)。再結(jié)合之前得到的k系數(shù)，利用HFSS建模得到圖6所示的雙腔結(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

仿真設(shè)計(jì)得到RX、TX兩個(gè)通道濾波器的具體結(jié)構(gòu)和尺寸，而合路采用Y型結(jié)的方式在ANT公共端用銅絲直接連接兩個(gè)濾波器。圖7、圖8分別給出了雙工器的機(jī)加工圖和裝配圖。雙工器由盒體、蓋板、內(nèi)導(dǎo)體、連接器、調(diào)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(shí)又降低了成本。

圖7 雙工器機(jī)加工圖

圖8 雙工器裝配圖

2 雙工器測試

根據(jù)設(shè)計(jì)和仿真結(jié)果將雙工器加工成實(shí)物，組裝完畢后對其進(jìn)行調(diào)試。雙工器連接網(wǎng)絡(luò)分析儀，從RX通道開始，依次調(diào)整調(diào)諧螺釘，使諧振腔諧振于通道中心頻率。然后用網(wǎng)絡(luò)分析儀觀察S參數(shù)，同時(shí)不斷調(diào)整調(diào)諧螺釘?shù)纳疃?，使其各?xiàng)數(shù)據(jù)均能滿足指標(biāo)要求。最終測試結(jié)果如圖9所示：接收、發(fā)射通道帶內(nèi)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(biāo)要求。

圖9 矢網(wǎng)測試結(jié)果

3 結(jié)束語

本文從廣義切比雪夫?yàn)V波器理論出發(fā)，根據(jù)實(shí)際指標(biāo)要求，運(yùn)用計(jì)算機(jī)仿真技術(shù)，設(shè)計(jì)了一款基于1.9～2.2 GHz的腔體雙工器。按照該設(shè)計(jì)方法加工出實(shí)物，其測試結(jié)果與仿真結(jié)果一致，充分證明了本設(shè)計(jì)的正確性和實(shí)用性。