一種S頻段同軸雙工器設(shè)計(jì)

李鴻斌 王曉天 高曉艷 董楠

（北京空間飛行器總體設(shè)計(jì)部，北京 100094）

1 引言

現(xiàn)代衛(wèi)星通信中，雙工器使收發(fā)信號(hào)共用一副天線，起到收發(fā)信號(hào)頻分、隔離的作用，是實(shí)現(xiàn)雙信道實(shí)時(shí)雙向通信的重要器件之一。對(duì)于理想的雙工器，要求其在輸入端的反射系數(shù)在雙通道上都應(yīng)該盡可能的低，雙工器雙通道彼此之間的相互影響很嚴(yán)重，如果僅是將兩個(gè)濾波器簡(jiǎn)單地連接起來(lái)，大多數(shù)情況下其技術(shù)指標(biāo)難以達(dá)標(biāo)，所以，對(duì)于絕大多數(shù)的雙工器來(lái)說(shuō)，它的設(shè)計(jì)比單個(gè)濾波器的設(shè)計(jì)工作量大，復(fù)雜程度高。

目前，國(guó)內(nèi)外濾波器的主要研究方向是設(shè)計(jì)方法的改進(jìn)與優(yōu)化，如R．J．Cameron 提出了用耦合矩陣來(lái)綜合濾波器的方法［1］；S．Amari給出了耦合矩陣的梯度優(yōu)化以及具有源和負(fù)載耦合濾波器綜合的通用迭代技術(shù)［2-3］；此外，關(guān)于雙通帶和多通帶濾波器的綜合理論也成為研究熱點(diǎn)［4-5］；G．Macchiarella等人提出的公共腔結(jié)構(gòu)的雙工器結(jié)構(gòu)及其綜合方法［6］，為雙工器的設(shè)計(jì)提供新的選擇。國(guó)內(nèi)對(duì)于濾波器的研究起步較晚，進(jìn)入21世紀(jì)后，已成為研究熱點(diǎn)，但主要以高校研究為主，如華中科技大學(xué)的梁飛，西安電子科技大學(xué)的李剛等人在微波濾波器、雙工器研制上做出了一些探索并取得了一系列成果［7-10］。然而，傳統(tǒng)的雙工器設(shè)計(jì)策略往往需要大量復(fù)雜的公式計(jì)算和繁瑣的曲線查找，首先需要單獨(dú)設(shè)計(jì)各個(gè)通道的濾波器，然后通過(guò)優(yōu)化接頭處的電長(zhǎng)度來(lái)補(bǔ)償各個(gè)通路的相互影響。由于要對(duì)整個(gè)雙工器模型進(jìn)行全波仿真優(yōu)化，計(jì)算過(guò)程十分復(fù)雜，耗時(shí)長(zhǎng)且得不到好的結(jié)果。在通帶相隔很近的情況下，各個(gè)通路相互影響嚴(yán)重，其原因是在濾波器設(shè)計(jì)過(guò)程中沒(méi)有考慮到其他濾波器通路的影響。

近年來(lái)，商用微波電路仿真、優(yōu)化軟件和電磁分析軟件迅速發(fā)展，通過(guò)這些軟件可建立起多種電路模型和實(shí)物模型進(jìn)行協(xié)調(diào)仿真設(shè)計(jì)。本文就是利用電路仿真與腔體模型仿真協(xié)同設(shè)計(jì)了一種雙工器，首先應(yīng)用電路仿真軟件ADS優(yōu)化獲得腔體間的耦合系數(shù)及品質(zhì)因數(shù)；然后應(yīng)用微波仿真軟件HFSS對(duì)雙工器單腔模型、腔體耦合及T 型頭電參數(shù)等進(jìn)行優(yōu)化，獲得最佳頻響特性下的耦合系數(shù)和外界品質(zhì)因數(shù)；最后將所有電參數(shù)轉(zhuǎn)化為可實(shí)現(xiàn)的物理結(jié)構(gòu)尺寸。通過(guò)加工實(shí)物實(shí)測(cè)，驗(yàn)證了該方法的可行性。

2 等效電路仿真設(shè)計(jì)

2．1 S頻段同軸腔帶通濾波器設(shè)計(jì)

本文根據(jù)某衛(wèi)星參數(shù)設(shè)計(jì)需求，設(shè)計(jì)的星載S頻段同軸雙工器指標(biāo)如下：接收通道工作頻帶為2．018～2．120GHz；發(fā)射通道工作頻帶為2．200～2．302GHz；兩通道收發(fā)隔離度≥90dB，通帶插損≤1．5dB，駐波≤1．5。

首先考慮到星載大功率條件及可靠性要求，確定該雙工器采用全金屬同軸腔體濾波器結(jié)構(gòu)，同軸腔濾波器結(jié)構(gòu)功率容量大［9］，且為全金屬結(jié)構(gòu)可靠性高，濾波器的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)采用傳輸零點(diǎn)都在無(wú)窮遠(yuǎn)處的普通耦合拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，降低微放電風(fēng)險(xiǎn)?？紤]插損及星載熱環(huán)境因素適當(dāng)放寬通帶帶寬，設(shè)計(jì)帶寬較指標(biāo)帶寬上下頻點(diǎn)拓寬約±4 MHz。根據(jù)腔體濾波器階數(shù)計(jì)算公式［10］，阻帶衰減指標(biāo)隔離度要求≥90dB，最終選擇階數(shù)為10階的同軸腔體濾波器方案。圖1是低通濾波器原型圖，為電感與電容的組合電路，通過(guò)切比雪夫低通濾波器原型表［11］查得低通電路基本元件數(shù)值gi（i＝0，1，2…10），再根據(jù)式（1）、（2）［11］計(jì)算出歸一化耦合系數(shù)Kij和外界品質(zhì)因數(shù)Qe。

式中：f0為通帶中心頻點(diǎn)；Δf為通帶帶寬；gj為低通電路基本元件數(shù)值。

至此計(jì)算出所有帶通濾波器的電參數(shù)，使用電路仿真軟件ADS進(jìn)行等效電路建模，將電參數(shù)代入圖2所示等效電路模型中進(jìn)行優(yōu)化，圖2中L1為等效電感值，C1為等效電容值，L1＝C1＝，K12、K23、K34、K45、K56為歸一化耦合系數(shù)。通過(guò)優(yōu)化計(jì)算，接收和發(fā)射通道的ADS軟件仿真結(jié)果如圖3、圖4所示（圖中紅色線代表插損和頻率曲線，藍(lán)色線代表回波損耗和頻率曲線）。

圖1 低通濾波器電路模型Fig．1 Lowpass filter circuit model

圖2 等效電路仿真模型Fig．2 Equivalent circuit model

圖3 接收通道性能仿真結(jié)果Fig．3 Simulated performance of receiving channel

圖4 發(fā)射通道性能仿真結(jié)果Fig．4 Simulated performance of transmitting channel

2．2 S頻段同軸雙工器設(shè)計(jì)

將2．1節(jié)所得的兩個(gè)帶通濾波器等效電路輸入端并接，構(gòu)成三端口微波網(wǎng)絡(luò)，即雙工器的等效電路。先對(duì)等效電路設(shè)定優(yōu)化目標(biāo)：兩個(gè)通帶內(nèi)回波損耗大于20dB，各自的阻帶衰減大于90dB。結(jié)合雙工器實(shí)際，選擇關(guān)鍵參數(shù)進(jìn)行初始優(yōu)化：從等效電路可知，兩個(gè)帶通濾波器并接后，T 型接頭參數(shù)對(duì)原單個(gè)帶通濾波器在各自通帶內(nèi)的輸入導(dǎo)納或阻抗影響，使其導(dǎo)納或阻抗值不為實(shí)數(shù)，對(duì)第一級(jí)諧振回路參數(shù)影響很大，從而影響雙工器各自通帶內(nèi)的頻響特性，對(duì)后續(xù)諧振回路參數(shù)影響很小，所以選擇構(gòu)成T 型頭的兩端傳輸線的特性阻抗參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化。最終的雙工器頻響特性仿真結(jié)果及通道隔離度仿真結(jié)果如圖5、圖6所示。

圖5 雙工器頻響特性曲線Fig．5 Frequency response curves of the diplexer

圖6 雙工器通道隔離度仿真曲線Fig．6 Simulated channel isolation curve of the diplexer

3 腔體模型仿真設(shè)計(jì)

3．1 單個(gè)同軸諧振腔設(shè)計(jì)

根據(jù)2．1節(jié)插損指標(biāo)≤1．5dB，由無(wú)載品質(zhì)因數(shù)計(jì)算公式［12］，求得無(wú)載品質(zhì)因數(shù)Qu為2000 以上。為使同軸腔工作于TEM 模，避免高次模的破壞，內(nèi)外導(dǎo)體半徑之和須滿足下式［12］：

式中：r為內(nèi)導(dǎo)體半徑；L為單腔邊長(zhǎng)。選取內(nèi)導(dǎo)體r半徑為6mm，單腔邊長(zhǎng)L為30mm，滿足式（3）要求，經(jīng)過(guò)單腔本征模仿真計(jì)算，該尺寸腔體無(wú)載品質(zhì)因數(shù)Qu為8000以上。

3．2 同軸諧振腔級(jí)間耦合設(shè)計(jì)

為得到較大的耦合系數(shù)，耦合方式選取耦合窗及腔體級(jí)聯(lián)方式進(jìn)行耦合，腔體間耦合仿真模型如圖7所示。采用雙腔本征模法，經(jīng)HFSS軟件仿真，耦合系數(shù)與耦合窗寬度對(duì)應(yīng)曲線如圖8所示。

圖7 腔體耦合仿真模型Fig．7 Cavity-coupling simulation model

圖8 腔體耦合仿真結(jié)果Fig．8 Simulated curves of cavity-coupling coefficients

圖8給出了腔體耦合窗與耦合系數(shù)的對(duì)應(yīng)關(guān)系，根據(jù)2．2節(jié)ADS軟件仿真得出的耦合系數(shù)求得對(duì)應(yīng)的耦合窗物理參數(shù)如下。

接收通道：耦合系數(shù)k1，2＝k9，10＝0．052，對(duì)應(yīng)的耦合窗寬為21．4 mm；耦 合 系 數(shù)k2，3＝k8，9＝0．035，對(duì)應(yīng)的耦合窗寬為15．1mm；耦合系數(shù)k3，4＝k7，8＝0．032，對(duì)應(yīng)的耦合窗寬為14．1mm；耦合系數(shù)k4，5＝k6，7＝0．030 5，對(duì)應(yīng)的耦合窗寬為13．44mm；耦合系數(shù)k5，6＝0．030 3，對(duì)應(yīng)的耦合窗寬為13．42mm。

發(fā)射通道：耦合系數(shù)k1，2＝k9，10＝0．048，對(duì)應(yīng)的耦合窗寬為19．8 mm；耦 合 系 數(shù)k2，3＝k8，9＝0．033 5，對(duì)應(yīng)的耦合窗寬為14．6 mm；耦合系數(shù)k3，4＝k7，8＝0．030 2，對(duì)應(yīng)的耦合窗寬為13．41mm；耦合系數(shù)k4，5＝k6，7＝0．029，對(duì)應(yīng)的耦合窗寬為13．0mm；耦合系數(shù)k5，6＝0．029，對(duì)應(yīng)的耦合窗寬為13．0mm。

3．3 非公共端輸出耦合設(shè)計(jì)

非公共端輸出耦合采用S11單終端法［12］，根據(jù)2．2節(jié)電路仿真優(yōu)化，得出發(fā)射通道的外界品質(zhì)因數(shù)Qe目標(biāo)值為16．77；接收通道的外界品質(zhì)因數(shù)Qe目標(biāo)值為15．42。非公共端輸出耦合接收通道和發(fā)射通道的外界品質(zhì)因數(shù)仿真結(jié)果如圖9、圖10所示，得出接收和發(fā)射的通道輸出端抽頭位置與諧振短路端距離分別為10．2mm 和8．8mm。

圖9 接收通道外界品質(zhì)因數(shù)仿真結(jié)果Fig．9 Simulated external Qeof receiving channel

圖10 發(fā)射通道外界品質(zhì)因數(shù)仿真結(jié)果Fig．10 Simulated external Qeof transmitting channel

3．4 公共端T型頭輸入耦合設(shè)計(jì)

同軸腔雙工器公共端T 型頭即輸入端口設(shè)計(jì)與非公共端輸出耦合設(shè)計(jì)不同，公共端耦合同時(shí)連接接收通道和發(fā)射通道，由于同時(shí)連接兩個(gè)通道，因此兩個(gè)通道之間勢(shì)必會(huì)互相影響，具體仿真模型如圖11所示。

圖11 公共端T 型頭輸入耦合仿真模型Fig．11 T-joints input couple simulation model

本文采用外界品質(zhì)因數(shù)擬合法快速獲取T 型頭的結(jié)構(gòu)尺寸，具體如下：首先利用2．2節(jié)電路仿真所獲得的T 型頭外界品質(zhì)因數(shù)作為目標(biāo)值，使用腔體仿真模型，設(shè)定T 型頭高度為變量，利用HFSS軟件計(jì)算出物理模型的外界品質(zhì)因數(shù)作為實(shí)際值與目標(biāo)值比較，若差異較大則修改變量，直到實(shí)際值與目標(biāo)值相近為止。

經(jīng)過(guò)優(yōu)化仿真，外界品質(zhì)因數(shù)仿真結(jié)果如圖12所示。接收和發(fā)射的通道中心頻率對(duì)應(yīng)外界品質(zhì)因數(shù)Qe分別為15．17和17．44，與目標(biāo)值接近。此時(shí)，公共端T 型頭與接收和發(fā)射通道第一個(gè)諧振柱短路端距離分別為20．0mm 和14．0mm。

圖12 T 型頭外界品質(zhì)因數(shù)仿真結(jié)果Fig．12 Simulated external Qeof T-joints

4 試驗(yàn)結(jié)果

按照上述設(shè)計(jì)方法制作雙工器，外形尺寸為210mm×38 mm×140 mm，如圖13所示，僅需對(duì)調(diào)諧螺釘進(jìn)行微調(diào)就可取得較好性能。實(shí)測(cè)結(jié)果如圖14、圖15所示。測(cè)試結(jié)果表明，星載S頻段同軸雙工器插損≤0．75dB，帶內(nèi)駐波≤1．32，通道隔離度＞95dB，滿足設(shè)計(jì)要求。

圖13 雙工器實(shí)物照片F(xiàn)ig．13 Photo of the diplexer

圖14 接收通道實(shí)測(cè)曲線Fig．14 Testing curves of receiving channel

圖15 發(fā)射通道實(shí)測(cè)曲線Fig．15 Testing curves of transmitting channel

5 結(jié)束語(yǔ)

本文針對(duì)傳統(tǒng)雙工器設(shè)計(jì)過(guò)程全尺寸建模仿真的復(fù)雜性及設(shè)計(jì)過(guò)程中未考慮公共端接頭互相影響等缺點(diǎn)，采用等效電路與腔體模型協(xié)同仿真進(jìn)行快速雙工器設(shè)計(jì)，并加工實(shí)物進(jìn)行驗(yàn)證，實(shí)測(cè)結(jié)果表明：設(shè)計(jì)的星載S頻段同軸雙工器通帶插損、駐波及隔離度滿足設(shè)計(jì)要求，同時(shí)該雙工器功率容量大，結(jié)構(gòu)可靠性高，已通過(guò)星載環(huán)境試驗(yàn)的考核，成功應(yīng)用于多顆衛(wèi)星上。本文所述方法可以應(yīng)用于其他頻段同軸雙工器的設(shè)計(jì)。

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