寬調(diào)諧電調(diào)雙工器小型化設(shè)計(jì)

李春紅，魏 雋

(中國電子科技集團(tuán)公司第五十四研究所，河北 石家莊 050081)

0 引言

現(xiàn)代無線通信電磁環(huán)境日漸復(fù)雜，通信系統(tǒng)采用多種抗干擾措施提高通信系統(tǒng)的抗干擾能力，其中，采用可即時(shí)改變通信頻率的電調(diào)濾波器是通信設(shè)備中非常有效的抗干擾措施之一，且對(duì)濾波器小型化提出要求[1-2]。

目前電調(diào)濾波器種類較多[3-9]，能夠?qū)崿F(xiàn)高選擇性、高抑制度的都是中功率以上對(duì)損耗及阻帶要求較高的腔體可調(diào)濾波器，可有效地抑制干擾信號(hào)。文獻(xiàn)[5]提出了Q值高、承受功率大的波導(dǎo)電調(diào)濾波器，而在射頻低頻段，為了減小整機(jī)體積，更多采用的是同軸腔體濾波器，文獻(xiàn)[6-9]提出的電調(diào)濾波器分別采用多種形狀的耦合孔或耦合環(huán)和耦合窗口相結(jié)合的混合形式作為腔間耦合結(jié)構(gòu)，均在多個(gè)波段實(shí)現(xiàn)了可調(diào)濾波器。

隨著大容量微波機(jī)的研制，要求電調(diào)濾波器具有更寬的通帶帶寬以及更多的可用頻段，而現(xiàn)有的耦合結(jié)構(gòu)形式在設(shè)計(jì)帶寬增加以后，全頻段內(nèi)的通帶帶寬變化劇烈引起阻帶性能下降，更有部分頻段的諧振腔失諧而導(dǎo)致頻率調(diào)諧范圍變窄。

為滿足無線通信系統(tǒng)對(duì)微波設(shè)備大容量、高靈敏度的要求，降低設(shè)備復(fù)雜度，需要設(shè)計(jì)出寬通帶、寬調(diào)諧、體積又小的電調(diào)濾波器和雙工器。本文在同軸諧振腔的基礎(chǔ)上，通過Ansoft HFSS仿真軟件建模,分析了多種耦合形式對(duì)濾波器性能的影響，提出一種新型耦合結(jié)構(gòu)和拓寬頻率調(diào)諧范圍的方法，解決了機(jī)械調(diào)諧腔體電調(diào)濾波器小型化及頻率統(tǒng)調(diào)的設(shè)計(jì)難點(diǎn)。

1 雙工器方案選擇

具有改頻功能的腔體結(jié)構(gòu)雙工器形式主要有幾種，其中橋式雙工器[10]發(fā)射通道由2個(gè)帶通濾波器和2個(gè)3 dB定向耦合器組成，優(yōu)點(diǎn)是反向隔離高且功率容量增加一倍，但體積和重量大，適用于kW量級(jí)功率的可調(diào)雙工器。

文獻(xiàn)[11]可調(diào)雙工器采用環(huán)形器加可調(diào)濾波器的形式，其可調(diào)濾波器是電控開關(guān)控制的固定濾波器組，優(yōu)點(diǎn)是改頻速度快，但需開關(guān)組合切換多個(gè)固定頻率濾波器以滿足設(shè)備抗干擾要求，結(jié)構(gòu)復(fù)雜。

文獻(xiàn)[12]采用耦合網(wǎng)絡(luò)與可調(diào)濾波器級(jí)聯(lián)實(shí)現(xiàn)多路可調(diào)多工器，其中N個(gè)可調(diào)濾波器經(jīng)N段特定長度的傳輸線級(jí)聯(lián)到耦合網(wǎng)絡(luò)，每路可調(diào)濾波器均通過電機(jī)旋轉(zhuǎn)同軸諧振腔內(nèi)加載的電容片來改變諧振頻率，由于金屬片間距影響到承受功率，因此大功率濾波器調(diào)諧范圍較窄，實(shí)現(xiàn)寬頻段內(nèi)頻率覆蓋，需要多路的可調(diào)濾波器，體積比較大。

因此，有高功率要求的電調(diào)雙工器，采用收、發(fā)電調(diào)濾波器聯(lián)合環(huán)形器的方案，其中小型化設(shè)計(jì)的電調(diào)濾波器為同軸腔體結(jié)構(gòu)，承受功率大，頻率調(diào)諧范圍寬，可在全頻段內(nèi)頻率連續(xù)可調(diào)。

2 電調(diào)濾波器關(guān)鍵技術(shù)

電調(diào)濾波器采用一端短路一端開路的λ/4型同軸諧振腔形式，工作于TEM模式，通過改變短路端內(nèi)導(dǎo)體的長度來調(diào)整頻率。由于設(shè)計(jì)及加工的復(fù)雜性，通常采用4腔，選擇最小波紋的切比雪夫響應(yīng)形式，利于全頻段有較好的幅頻特性。

電調(diào)濾波器使用中由于機(jī)械累計(jì)誤差和環(huán)境溫度變化易引起工作頻率漂移，考慮可能引起的不確定因素，在滿足系統(tǒng)信號(hào)帶寬要求的基礎(chǔ)上增加帶寬設(shè)計(jì)余量。因此，為了不降低濾波器的帶外抑制度，惡化通信系統(tǒng)的抗干擾性能，要求可調(diào)濾波器在整個(gè)工作頻段內(nèi)絕對(duì)帶寬恒定[13]。

2.1 濾波器輸入輸出耦合結(jié)構(gòu)

同軸濾波器輸入、輸出耦合激勵(lì)主要有探針耦合和環(huán)耦合2種方式。探針耦合方式實(shí)現(xiàn)簡單，但耦合能量小，適用于相對(duì)帶寬小且頻率調(diào)諧范圍比較窄的電調(diào)濾波器，對(duì)于寬調(diào)諧范圍尤其是相對(duì)帶寬比較寬的可調(diào)濾波器，只有使用以磁耦合為主的耦合環(huán)作為能量耦合方式。

外部Q值表達(dá)式為：

(1)

(2)

式中，g0，g1，gn，gn+1為歸一化的低通元件值；n為濾波器腔數(shù)；W為帶通濾波器相對(duì)帶寬。

選擇耦合環(huán)合適的位置，同軸激勵(lì)端口離腔體短路端λ/12左右，另一端在最低頻率點(diǎn)時(shí)調(diào)諧桿的頂端位置附近。通過式(1)和式(2)可知，可調(diào)濾波器如果在整個(gè)調(diào)諧范圍內(nèi)保持絕對(duì)帶寬不變時(shí)，耦合環(huán)的Qe與f0成正比，外部Q值隨著調(diào)諧頻率升高而增加，因此對(duì)于寬調(diào)諧的濾波器，減小高端頻率的耦合面積或增加低端頻率的耦合面積，即直角梯形的耦合環(huán)能夠均衡頻率高低端所需的Qe值。

2.2 濾波器諧振腔級(jí)間耦合結(jié)構(gòu)

2.2.1 諧振腔耦合孔分析

可調(diào)濾波器級(jí)間耦合采用孔耦合的形式，側(cè)面小孔耦合模型的歸一化電納公式[14]為：

(3)

由式(3)可知，側(cè)面小孔中既包含磁耦合又包含了電耦合，其中，M為孔的磁極化率；P為孔的電極化率；P為負(fù)值；θ為耦合孔中心到諧振腔短路面的電長度，θ=2πl(wèi)/λ，l為耦合孔中心到諧振腔短路面的機(jī)械長度，λ為工作波長。

同時(shí)，歸一化電納b定義為：

(4)

式中，j=i+1，由式(3)和式(4)得到耦合電抗Xij的表達(dá)式為：

(5)

式中，Z0為同軸腔特性阻抗；ω=2πf；c=λf。

根據(jù)濾波器網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)理論[15]，有：

(6)

式中，諧振器電抗斜率參量表達(dá)式為：

(7)

結(jié)合式(5)～式(7)，濾波器的通帶寬度可表示為：

(8)

由式(8)可知，濾波器耦合帶寬Δf和工作頻率f0有關(guān)，也取決于耦合孔的位置θ、開孔尺寸以及開孔形狀所決定的電極化率M和磁極化率P。

2.2.2 諧振腔耦合孔仿真

微波濾波器耦合系數(shù)表達(dá)式為：

(9)

由式(2)和式(9)得出濾波器耦合帶寬和耦合系數(shù)的關(guān)系為：

(10)

可調(diào)濾波器如果在整個(gè)調(diào)諧范圍內(nèi)保持絕對(duì)帶寬不變時(shí)，耦合系數(shù)Kij與f0成反比，Kij隨著頻率升高而減小。

通過Ansoft HFSS仿真軟件，建立腔體濾波器相鄰諧振腔側(cè)壁上圓形和矩形耦合孔的三維模型，并分析耦合結(jié)構(gòu)中矩形耦合孔長度對(duì)濾波器耦合帶寬Δf的影響，用耦合系數(shù)法仿真計(jì)算，耦合孔與耦合帶寬Δf對(duì)比曲線如圖1所示。

圖1 圓形孔、矩形孔與耦合帶寬關(guān)系Fig.1 Coupling bandwidth at holes of different shapes

通過以上分析，只要耦合孔的中心位置在θ=36°左右，可保持中心頻率帶寬最寬，兩端頻率帶寬最窄，即耦合帶寬Δf變化最小。其中圓形耦合孔的帶寬最窄，適用于窄帶可調(diào)濾波器，其次，矩形耦合孔的帶寬最寬，在孔高一定的條件下，耦合帶寬Δf隨矩形孔開孔長度增加而增加。

為了進(jìn)一步擴(kuò)展可調(diào)濾波器的調(diào)諧范圍，減小帶寬變化，在單孔耦合的基礎(chǔ)上提出一種多孔耦合的級(jí)間耦合結(jié)構(gòu)，即可在諧振腔相鄰側(cè)壁的主耦合孔的另一側(cè)增加附加耦合窗口，補(bǔ)償?shù)投笋詈想娍?，平衡濾波器高中低頻率的耦合帶寬，耦合模型圖及仿真曲線如圖2所示。與單孔耦合相比，雙孔耦合的耦合帶寬Δf變化最小，有利于濾波器在保持低插損、高阻帶抑制度的特性下增寬頻率調(diào)諧范圍。

(a) 雙耦合孔結(jié)構(gòu)模型

可調(diào)濾波器采用梯形耦合孔加附加耦合的腔間耦合結(jié)構(gòu)，分別在高、中、低3個(gè)頻率點(diǎn)仿真，結(jié)構(gòu)模型及幅頻特性曲線如圖3所示。從仿真曲線上看，濾波器帶外抑制度、插入損耗以及駐波都能滿足指標(biāo)要求，各個(gè)頻點(diǎn)的絕對(duì)帶寬變化1 MHz左右。

圖3 可調(diào)濾波器仿真曲線Fig.3 Simulation curves of tunable filter

2.3 濾波器頻率統(tǒng)調(diào)設(shè)計(jì)

電調(diào)濾波器為了降低通信設(shè)備的復(fù)雜性，不能采用單腔單調(diào)的方式控制諧振腔頻率，小型化設(shè)計(jì)要求使用單個(gè)電機(jī)控制多腔濾波器。因此，在濾波器恒定帶寬設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)上，需同步改變各個(gè)諧振腔中內(nèi)導(dǎo)體的長度，以統(tǒng)調(diào)的方式連續(xù)改變工作頻率。

2.3.1 諧振腔頻率失諧分析

λ/4諧振同軸濾波器各腔中內(nèi)導(dǎo)體長度與其耦合電抗的關(guān)系[15]為：

(11)

其中，第1,4諧振腔內(nèi)導(dǎo)體或第2,3諧振腔內(nèi)導(dǎo)體長度相等，二者長度差為：

(12)

由式(12)可知，當(dāng)fmax內(nèi)導(dǎo)體長度差等于fmin內(nèi)導(dǎo)體長度差時(shí)，即各內(nèi)導(dǎo)體改頻行程一致，可以視為調(diào)諧桿同步調(diào)諧，是濾波器具備統(tǒng)調(diào)的條件。

耦合環(huán)的外部Q值與耦合電抗關(guān)系表達(dá)式[15]為：

(13)

各諧振腔耦合系數(shù)與耦合電抗關(guān)系表達(dá)式[15]為：

(14)

通過式(13)和式(14)可以分析出，耦合電抗X01，X23不僅與工作頻率及工作帶寬有關(guān)，也與同軸腔特性阻抗Z0有關(guān)。當(dāng)以fmax時(shí)各內(nèi)導(dǎo)體長度為基點(diǎn)，隨著工作頻率降低長度差值越大，導(dǎo)致各諧振腔頻率不一致，使濾波器失諧，帶內(nèi)波動(dòng)增加，嚴(yán)重時(shí)惡化幅頻特性。

2.3.2 諧振腔頻率補(bǔ)償設(shè)計(jì)

文獻(xiàn)[7]提出了在濾波器第1，4腔各加入一段三角形金屬片作為低端頻率的電抗補(bǔ)償，以擴(kuò)大濾波器調(diào)諧范圍。但由于導(dǎo)致濾波器統(tǒng)調(diào)失諧的因素較多不易計(jì)算，且在批量生產(chǎn)中電調(diào)雙工器的加工制造精度控制難度大，解決濾波器頻率失諧問題的更為有效的簡單方法，如圖4所示。

(a) 諧振頻率與調(diào)諧長度仿真曲線

在濾波器的第1,2諧振腔外壁上加載邊緣電容，通過依次加入調(diào)耦螺釘，可略微降低該腔在中低頻段時(shí)的諧振頻率，使濾波器各腔都諧振在同一頻率點(diǎn)上。同時(shí)在濾波器的2,3諧振腔中也配合1,4諧振腔的頻率加入部分調(diào)耦螺釘，通過靈活可調(diào)整的頻率補(bǔ)償裝置，腔體可調(diào)濾波器完成統(tǒng)調(diào)改頻，達(dá)到全頻段內(nèi)無波動(dòng)、不變的幅頻響應(yīng)形狀，使得電調(diào)濾波器的調(diào)諧范圍更寬。

3 電調(diào)雙工器實(shí)現(xiàn)

3.1 電調(diào)雙工器組成

電調(diào)雙工器[16]采用一收兩發(fā)結(jié)構(gòu)，由收、發(fā)濾波器、上變頻濾波器、傳動(dòng)機(jī)構(gòu)、步進(jìn)電機(jī)、驅(qū)動(dòng)電路以及環(huán)行器組成，組成框圖如圖5所示。其中上變頻濾波器和發(fā)濾波器由于采用了頻率補(bǔ)償，完全達(dá)到工作頻率及幅頻特性一致，共用一套步進(jìn)電機(jī)和傳動(dòng)機(jī)構(gòu)。通過電調(diào)濾波器自動(dòng)化測試系統(tǒng)[17]，分別完成收、發(fā)通道濾波器的專用程序。

3.2 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

電調(diào)濾波器傳動(dòng)機(jī)構(gòu)使用圓形步進(jìn)電機(jī)，反向折疊裝配在傳動(dòng)機(jī)構(gòu)的間隙中配合齒輪傳動(dòng)，腔體內(nèi)填充聚四氟乙烯介質(zhì)縮小濾波器的長度，且腔體及傳動(dòng)機(jī)構(gòu)一體化共壁、共殼體、共骨架設(shè)計(jì)，減小了雙工器的寬度，提高結(jié)構(gòu)集成度，使電調(diào)雙工器更為小型化，結(jié)構(gòu)示意如圖6所示。

圖6 電調(diào)雙工器結(jié)構(gòu)示意Fig.6 Structural diagram of electrically tunable duplexer

3.3 測試結(jié)果

UHF頻段電調(diào)雙工器在610～960 MHz全頻段內(nèi)統(tǒng)調(diào)測試，變頻濾波器插損小于0.7 dB，雙工器插損小于1.5 dB，Δf3 dB大于19 MHz，駐波小于1.4。變頻濾波器測試曲線如圖7所示。

(a) 610 MHz

4 結(jié)束語

本文研究并提出了一種可擴(kuò)展濾波器調(diào)諧范圍的耦合結(jié)構(gòu)以及滿足統(tǒng)調(diào)的頻率補(bǔ)償措施，能夠解決UHF頻段電調(diào)雙工器體積大和不易調(diào)試等難點(diǎn)。不足之處是雙工器制造采用薄板拼焊工藝，精度難控制使帶寬略有變化，且銀焊易影響短路簧片的彈性而增加損耗，同時(shí)傳動(dòng)螺桿超差引起的回差也影響到濾波器的定標(biāo)數(shù)據(jù)，這些不確定因素導(dǎo)致個(gè)別產(chǎn)品調(diào)試時(shí)間加長。因此，當(dāng)本文設(shè)計(jì)方法使用于L波段電調(diào)雙工器時(shí)，改進(jìn)采用了直線電機(jī)和數(shù)控銑加工方式，不僅實(shí)現(xiàn)70%以上的頻率調(diào)諧范圍，還降低了加工難度，設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)可為其他頻段的電調(diào)濾波器和雙工器提供了一定的參考價(jià)值。