Ka波段波導(dǎo)雙工器的研制

張志鴻，鄧友富

(中國電子科技集團公司第三十六研究所，浙江嘉興314033)

0 引言

隨著社會對信息量需求的不斷增加，頻譜資源越來越緊張，無線電技術(shù)不斷地朝著高頻段方向發(fā)展。目前，毫米波頻段的應(yīng)用越來越廣泛。微波雙工器作為微波網(wǎng)絡(luò)中的關(guān)鍵部件之一，廣泛地應(yīng)用于微波毫米波通信、衛(wèi)星通行、雷達、電子對抗等領(lǐng)域。波導(dǎo)雙工器是微波雙工器非常重要的分支，具有結(jié)構(gòu)緊湊、插損低、隔離度高等優(yōu)點［1，2］。本文研制的Ka波段雙工器是由E面膜片波導(dǎo)濾波器和H面T型結(jié)構(gòu)共同構(gòu)成，E面膜片波導(dǎo)濾波器是其重要的組成部分，具有性能優(yōu)良，設(shè)計精度高，容易實現(xiàn)等優(yōu)點。本文先用等效電路法對E面膜片波導(dǎo)濾波器模型進行分析，再利用HFSS仿真軟件對雙工器模型進行仿真優(yōu)化。

1 E面膜片波導(dǎo)濾波器

E面金屬膜片濾波器的基本結(jié)構(gòu)(a〉b)如圖1所示。E面金屬膜片濾波器的形狀如圖1(a)所示，是由在矩形波導(dǎo)寬邊插入的與E面平行的金屬膜片和矩形波導(dǎo)共同構(gòu)成，金屬膜片每隔一定長度被挖去一部分，這樣的金屬膜片每隔一段間距具有一個方形孔，被夾在了波導(dǎo)寬邊的正中間，方形孔與波導(dǎo)構(gòu)成了諧振腔，而未被挖去的膜片則起到了耦合的作用。這樣就可以將該結(jié)構(gòu)看作由E面金屬膜片的波導(dǎo)與空波導(dǎo)的交替級聯(lián)，可以等效為一個T型網(wǎng)絡(luò)。其等效T形電路如圖1(b)所示。空波導(dǎo)則可以等效為平行雙線，這樣由相鄰的不含膜片的諧振腔耦合起來的結(jié)構(gòu)就構(gòu)成了E面膜片波導(dǎo)濾波器［3］。

圖1 E面金屬膜片濾波器結(jié)構(gòu)

金屬膜片濾波器的剖面圖如圖1(c)所示，膜片關(guān)于z=w/2面(即T0面)對稱，通過奇偶模分析可以得出，由T0面開路以及短路時從z=0面看入的單口網(wǎng)絡(luò)歸一化輸入導(dǎo)納yoc和ysc與等效網(wǎng)絡(luò)歸一化串聯(lián)電抗xs和等效網(wǎng)絡(luò)歸一化并聯(lián)電抗xp之間有如下關(guān)系:

式1中，yoc是當T0面短路時，z=0面的歸一化輸入導(dǎo)納;相應(yīng)的，當T0面開路時，z=0面歸一化輸入導(dǎo)納的值為ysc;于是只要求出yoc和ysc的值則可以得到xs和xp的值［4］。

分別對圖1(c)中的Ⅰ區(qū)和Ⅱ區(qū)的場量進行分析，可以得到:

式2中，Г1為z=w/2面插入電壁時，TE10模在z=0面的反射系數(shù);Г2為z=w/2面插入磁壁時，TE10模在z=0面的反射系數(shù)。Г1和Г2可以通過分析z=0面的入射波和反射波，利用復(fù)功率守恒方法求得，從而得出ysc和yoc的值。

2 Ka波段雙工器的設(shè)計

計算出xs、xp的值，得到整個濾波器的特性［5］。運用濾波器原理結(jié)合具體指標則可以確定濾波器的尺寸，再利用HFSS仿真軟件進行建模仿真優(yōu)化，雙工器仿真模型以及仿真結(jié)果如圖2所示。

本設(shè)計中雙工器是由兩個7階E面膜片波導(dǎo)濾波器和一個H面T型結(jié)構(gòu)共同構(gòu)成，端口為7.12mm×3.56mm標準波導(dǎo)口。包含一個公共端口，和兩個通帶端口。在仿真過程中，先分別對T型結(jié)構(gòu)和E面膜片波導(dǎo)濾波器進行仿真優(yōu)化，再對整個雙工器進行仿真優(yōu)化，節(jié)約優(yōu)化時間。由于E面波導(dǎo)濾波器是對稱結(jié)構(gòu)，加上對其性能影響最大的是首尾兩級諧振腔，因此模型優(yōu)化主要針對的首尾兩級諧振腔。運用HFSS仿真軟件優(yōu)化后結(jié)果如圖2(b)、(c)所示，在兩個通帶內(nèi)，插入損耗都不超過0.5dB，回波損耗都在20dB以上，帶間隔離度達到了120dB以上。

圖2 TR組件的雙工器

3 雙工器的研制與測試

在仿真數(shù)據(jù)的基礎(chǔ)上，對雙工器模型進行加工制作，采用金屬鋁加工，為了方便加工，先在鋁塊上銑出雙工器的結(jié)構(gòu)，然后再添加蓋板，雙工器的加工實物與測試結(jié)果如圖3所示，圖3(a)為雙工器的加工實物。結(jié)合Ka波段的特點，對加工精度要求較高，所以在實際的加工中，需要加入調(diào)諧螺釘，以便在出現(xiàn)加工誤差的情況下可以對雙工器的性能進行調(diào)整。在濾波器每一個諧振腔中都加入兩顆調(diào)諧螺釘，通過調(diào)節(jié)調(diào)諧螺釘伸入濾波器諧振腔的長度改變?yōu)V波器的性能，兩顆調(diào)諧螺釘，一顆改變?nèi)葜担活w改變感值。

圖3 雙工器的制作

經(jīng)過調(diào)試，最終的測試數(shù)據(jù)如圖3(b)、(c)所示，在通帶內(nèi)插損不超過1.5dB，帶間隔離度達到了80dB以上，與仿真結(jié)果相比，雖然通帶內(nèi)平坦度變差，插入損耗更大，不過仿真結(jié)果與實際測試結(jié)果相差不大，曲線也基本吻合。仿真結(jié)果和實測結(jié)果存在著誤差，誤差可能形成的原因如下:(1)因為頻段較高，加工的精度以及后續(xù)腔體的處理不當，都會給性能帶來較大的影響;(2)仿真軟件的計算結(jié)果和實際情況也存在一定的誤差;(3)在測試過程中也可能因為操作的原因帶來一定的誤差。通過對上述3個問題進行分析對比，因為加入了調(diào)諧螺釘，仿真軟件帶來的誤差可以通過調(diào)整調(diào)諧螺釘加以改善，而經(jīng)過多次測量，則可以減少測試過程中操作不當帶來的誤差影響，因此可能造成這種情況的原因是加工的腔體表面不光滑，表面有尖刺或突出物，從而對器件的性能產(chǎn)生了影響，帶來了誤差。

4 結(jié)束語

本設(shè)計先分析E面膜片波導(dǎo)濾波器的等效電路，利用等效電路確定濾波器的特性，然后根據(jù)濾波器的原理和設(shè)計指標確定各參數(shù)尺寸，再運用HFSS仿真軟件進行仿真建模，最終研制出一款結(jié)構(gòu)簡單、加工方便、性能優(yōu)越的Ka波段波導(dǎo)雙工器，通過測試，雙工器的實測結(jié)果與仿真結(jié)果基本吻合，在端口隔離度方面具有出色的性能，在插入損耗方面可以滿足工程實際需要。

［1］ 李海洋，王清源，張貞鵬.凹形膜片電容加載波導(dǎo)濾波器［J］.微波學(xué)報，2009，15(3):207-211.

［2］ 張本全，王錫良，阮穎錚.Ku波段波導(dǎo)型雙工器的研制［J］.通信學(xué)報，2004，25(2):161-166.

［3］ 郭桂美.Ka波段波導(dǎo)帶通濾波器的仿真設(shè)計［J］.信息與電子工程，2009，7(3):210-217.

［4］ 丁華.毫米波雙工器的研制［D］.南京:南京理工大學(xué)，2002.

［5］ 馬敏.E面金屬膜片波導(dǎo)濾波器的研究［D］.成都:電子科技大學(xué)，2003.