一種Ku頻段機載同軸雙工器設計*

(成都天奧電子有限公司，成都 610036)

1 引 言

在采用頻分多工系統的雙工無線通信中，微波雙工器起到收發信號頻分、隔離的作用，并使得收發信號共享一副天線，是實現多信道實時雙向通信的重要器件之一，在衛星通信、雷達、電子對抗等系統中都有著廣泛的應用[1]。

在Ku頻段，常見雙工器大多采用波導型設計，文獻[2,3]采用高精度模式匹配法獲得S參數，再對目標函數編程優化，得到設計尺寸；文獻[4,5]采用多項式綜合法獲得耦合系數矩陣進行設計。文獻中Ku頻段雙工器實例均采用波導結構，同軸雙工器設計鮮有報道。Ku頻段同軸雙工器由兩個同軸腔帶通濾波器組成，與波導雙工器相比，同軸雙工器同樣具有高Q值、低損耗、高隔離等特點，體積相對同頻段波導雙工器而言降低了50%～70%。

本文給出了一種Ku頻段同軸腔雙工器設計方法。首先，分別對兩個帶通濾波器采用KQ值法設計，獲得耦合系數矩陣和外部品質因素；其次，采用等效電路優化法，應用微波仿真軟件對雙工器公共端T型頭電參數進行優化，獲得最佳頻響特性下的群時延理論值，獲取T型頭電參數；最后，將所有電參數轉化為可實現的物理結構尺寸。

2 Ku頻段同軸腔帶通濾波器設計

本文所設計的雙工器其兩個帶通濾波器技術指標要求如下：通帶1為14.5～14.7 GHz，通帶2為15.7～16.2 GHz，插入損耗小于等于1.2 dB，駐波比小于等于1.4，隔離度大于等于80 dB。

選定切比雪夫低通原型后，首先確定濾波器的拓撲結構，受尺寸限制，不能采用交叉耦合拓撲結構[6-7]，只能采用傳輸零點都在無窮遠處的普通耦合拓撲結構。然后，根據駐波比要求確定波紋因子Lar，根據阻帶衰減指標，考慮插損因數適當放寬通帶帶寬，使用式(1)確定階數N：

La(N)=10 lg[1+ε·cosh2(N·acosh(q))]

(1)

用經典公式[8-9]計算出低通原型元件值gi，再使用式(2)和式(3)計算出歸一化耦合系數Kij和歸一化外部品質因素Qe：

(2)

Qe=g0g1

(3)

至此計算出了所有帶通濾波器的電參數。使用微波仿真軟件ADS，將電參數代入圖1所示的KQ值等效電路模型中，獲得帶通濾波器的仿真性能特性如圖2所示。圖1中，傳輸線工作于fo，長為1/4波長，阻抗為1/kij；并聯諧振回路中，L=C=1/(2πfo)，源和負載內阻為1。

圖1 帶通濾波器等效電路模型

(a)通帶1

(b)通帶2

3 Ku頻段同軸腔雙工器設計

雙工器的綜合方法有S矩陣綜合和等效電路優化提取參數兩種，我們采用后一種方法進行設計。雙工器等效電路優化法是算法優化，利用微波仿真軟件中的優化器提供的優化算法，如梯度優化算法、隨機優化算法等，對等效電路設定多個優化目標(如回波損耗、阻帶衰減、插損等)，對等效電路中的關鍵參數進行優化，從而獲得最佳的頻響特性，最終提取有用參數。該法特別適于工程快速設計。

將上節所得的兩個帶通濾波器等效電路輸入端并接，構成三端口微波網絡，即雙工器的等效電路，代入KQ設計法中獲得KQ值。先對等效電路設定優化目標：兩個通帶內回波損耗大于20 dB, 各自的阻帶衰減大于86 dB。為節約仿真資源，結合雙工器實際，選擇關鍵參數進行初始優化：從等效電路可知，兩個帶通濾波器并接后，T型接頭參數對原單個帶通濾波器在各自通帶內的輸入導納或阻抗影響，使其導納或阻抗值不為實數，對第一級諧振回路參數影響很大，從而影響雙工器各自通帶內的頻響特性，對后續諧振回路參數影響很小，所以選擇構成T型頭的兩端傳輸線的特性阻抗參數進行優化。

優化時，先采用隨機優化算法獲取變量初值，再采用梯度優化算法進一步仿真。最終的雙工器頻響特性仿真結果如圖3所示，T型頭的群時延響應曲線如圖4所示。T型頭通帶1公共端的Qe值確定為29.791 2，對應中心頻率14.6 GHz處群時延值為1.53 ns；通帶2公共端的Qe值確定為24.891 8，對應中心頻率15.95 GHz處群時延值為1.17 ns。

圖3 雙工器S參數仿真結果

圖4 T型頭的群時延響應圖

4 電參數的物理結構實現以及仿真優化

4.1 單個同軸諧振腔設計

由插損指標1.2 dB，得出需無載Qu為3 400以上，為獲得最大無載Qu,取方同軸腔諧振器特性阻抗為76 Ω左右。在Ku頻段，為使同軸腔工作于TEM模，避免高次模的破壞，內外導體半徑之和需滿足下式：

(4)

式中,f為16.2 GHz,內導體半徑r=1.4 mm，方腔邊長L=9 mm，方腔高7 mm，通帶1的內導體高為2.8 mm，通帶2的內導體高為2.6 mm。經場仿真軟件HFSS計算得Qu=3 600，特性阻抗為75.17 Ω，插損小于1.2 dB。

4.2 同軸諧振腔級間耦合及非公共端輸出耦合設計

取耦合壁厚1.5 mm，級間耦合采用全通型混合耦合槽，仿真模型如圖5所示。采用雙腔本征模法，經HFSS仿真，耦合系數對應的耦合槽寬度為：

通帶1：k12=k56←→槽寬為5.1 mm；

k23=k45←→槽寬為4.4 mm；

k346←→槽寬為4.3 mm；

通帶2：k12=k56←→槽寬為5.3 mm；

k23=k45←→槽寬為4.6 mm；

k346←→槽寬為4.6 mm。

非公共端輸出耦合采用S11單終端法，仿真模型如圖6所示，得出通帶1輸出端抽頭位置距離諧振器短路端1.65 mm，通帶2輸出端抽頭位置距離諧振器短路端2.1 mm。

圖5 同軸腔級間耦合仿真模型

圖6 單終端法輸出耦合仿真模型

4.3 同軸腔雙工器公共端T型頭設計

采用群時延擬合法快速獲得T型頭的結構尺寸：利用第3節電路設計所獲得的T型頭群時延值作為目標值，使用場仿真物理模型，設定T型頭高度變量，利用場仿真軟件HFSS計算出物理模型的群時延值作為實際值，與目標值比較，若差異較大則修改變量，直到實際值與目標值相近為止。

T型頭仿真物理模型如圖7所示，群時延值仿真結果如圖8所示，對應中心頻率14.6 GHz處群時延值為1.8 ns，對應中心頻率15.95 GHz處群時延值為0.95 ns，與目標值相近，從而得到T型頭公共端與通帶1濾波器第一個諧振腔連接高度為距離諧振器短路端2.5 mm，與通帶2濾波器第一個諧振腔連接高度為距離諧振器短路端1.5 mm。

圖7 T型頭仿真物理模型

圖8 T型頭物理模型群時延值仿真結果

5 試驗結果

根據上述尺寸參數，對Ku頻段同軸腔雙工器進行了實物加工、調試和測量，實物圖片及實測曲線如圖9示。由圖可見，測試結果與設計仿真結果比較吻合，主要電性能指標測試結果如下：駐波為1.35；插入損耗在14.5～14.7 GHz處為0.83 dB，15.7～16.2 GHz處為0.86 dB；隔離大于80 dB；物理尺寸為70 mm(長)×29 mm(寬)×12 mm(高)。

(a)實物圖片

(b)實測曲線

6 結 論

針對Ku頻段雙工器在實際應用中的小型化問題，本文提出了一種Ku頻段同軸雙工器的設計方法。通過使用兩個同軸帶通濾波器構成雙工器實現小體積，大大縮減了Ku頻段雙工器尺寸。采用等效電路優化法進行快速準確設計，使得同軸雙工器同樣具有低損耗、高隔離等特點。使用文中提出的方法設計加工并進行了實物測量，結果表明所設計的Ku頻段同軸雙工器的通帶插損、駐波比、隔離均優于指標要求，證明本法切實可行。與同頻段H-T波導雙工器相比，體積降低了70%，明顯具有小體積的優勢，滿足了機載環境使用。同時，本文所述設計方法同樣適用于Ku頻段以下的其它頻段同軸雙工器設計。

參考文獻：

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