基于交叉耦合的同轴腔双工器设计

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随着通信技术应用范围的扩大，各种微波通信系统的发展非常迅速。在同一系统中，频率拥挤与多信道实时双向通信要求收、发信道必须同时使用同一副天线，这就 必须在设备的前端设计双通道的波道合成和分离器件即微波双工器。双工器主要由收发通带的带通滤波器和分支接头两部分组成。分支接头可以是无方向性的T型接头，或有方向性的铁氧体环形器。
       
        双工器的设计方法大致有两种：一是先设计好收发信道的带通滤波器然后连接上T型接头再对滤波器进行优化；另一种是设计好两个滤波器后再对T型接头进行调 整。不同设计方法的区别主要在于滤波器的结构和T型接头的结构不同以及它们之间的匹配技术不同。文中的双工器设计采用第二种设计方法，先设计两个中心频率 分别为1．95 GHz和2．14 GHz的同轴腔体滤波器，然后通过T型接头将两个腔体带通滤波器并联构成双工器。利用微波CAD软件对T型接头进行了优化处理，减小了非相邻腔体带通滤波 器之间的影响，提高了非相邻腔体带通器之间的隔离度。文中给出了同轴腔体双工器的设计实例的仿真结果及实物测量结果。
       
        1 同轴腔滤波器的设计方法
       
        对于同轴腔滤波器，在同轴腔谐振器之间通过开孔或加探针，可实现电感或电容耦合。改变孔的大小或者探针的粗细、长短等来控制耦合电感或电容的大小以实现窄 带滤波器，控制同轴腔谐振器之间的交叉耦合的数量和大小来实现传输零点的位置和数目。在兼顾无载Q值的情况下，可通过改变同轴腔内外导体的大小，来实现需 要的功率容量和体积。在有电容加载的情况下，同轴腔滤波器的体积可以做得很小。总之，同轴腔广义Chebyshev滤波器具有体积小、带宽窄、矩形系数 高、功率容量高等优点，是国内外广泛研究的热点。
       
        由双工器的指标可得到两个带通滤波器的设计指标：中心频率分别为1．95 GHz和2．14 GHz，带宽均为60 MHz，带内的回波损耗为20 dB。为了使双工器隔离较好，因此采用广义Chebyshev滤波器的设计方法，使中心频率在1．95 GHz的滤波器有两个传输零点为：2．05 GHz和2．14 GHz；中心频率在2．14 GHz的滤波器有两个传输零点为：2．085 GHz和1．95 GHz 。
       
        1．1 滤波器网络拓扑结构
        具有有限传输零点的滤波器，一般采用谐振腔交叉耦合的方式实现，如图1所示。综合图中的器件值就是求解交叉耦合矩阵M 。由于耦合矩阵和网络拓扑直接相关，而目前还没有方法完成任意拓扑结构之间的转换，所以确定网络拓扑结构相当重要。下面引入三腔耦合结构分析，可快速地确 定具有有限传输零点的网络拓扑结构。
         

       

         

        因此采用CT级联的拓扑结构，如图2所示。

       

         
<div class="epages">                        1．2 求解交叉耦合矩阵
                       
                与图2所示的拓扑结构相对应的M矩阵的求解如下：
                       
                       
                       
                首先根据滤波器指标由R J Cameron的文章求解归一化的初始耦合矩阵分别为M01和M02。R1为归一化电压源内阻，R2输出端归一化负载电阻。在初始耦合矩阵M01中 R1＝R2=1．004 1 &Omega;，在初始耦合矩阵M02中R1=R2=1．003 2 &Omega;。
               
                再根据Amari的关于交叉耦合腔体滤波器M矩阵的梯度优化技术的文章，以上述M01和M02为初值编写共轭梯度法Matlab程序对M矩阵进行优化，之 后进行反归一即可得到设计所需的耦合矩阵，即式(3)与式(4)。回波损耗和插入损耗的计算结果，分别如图3，图4所示。
                         
       

               

       

                        

                         
                        1．3 在Ansoff中建立仿真模型
                       
                首先在Ansoft10．0中建立单腔模型并进行仿真，使单腔谐振频率位于滤波器中心频率上，且单腔尺寸要满足设计要求及加工的可实现性；其次根据腔间耦 合系数进行双腔仿真来确定开孔尺寸和探针尺寸；然后根据图2的拓扑结构建立同轴腔体带通滤波器的仿真模型，分别如图5和图6所示。
       

               

       

               

       

                　

                         
                        3 结束语
                       
                文中基于广义Chebyshev函数的交叉耦合滤波器的设计和综合，研究了与之相关的理论和技术。在此基础上实现了，如图7所示的高性能WCDMA同轴腔双工器，实测结果与设计指标吻合较好。验证了该设计方法的可行性。在工程实践和理论研究上都具有一定的意义。