基于Chebyshev函數(shù)的同軸腔體雙工器的設(shè)計

隨著通信技術(shù)應(yīng)用范圍的擴大，各種微波通信系統(tǒng)的發(fā)展非常迅速。在同一系統(tǒng)中，頻率擁擠與多信道實時雙向通信要求收、發(fā)信道必須同時使用同一副天線，這就必須在設(shè)備的前端設(shè)計雙通道的波道合成和分離器件即微波雙工器。雙工器主要由收發(fā)通帶的帶通濾波器和分支接頭兩部分組成。分支接頭可以是無方向性的T型接頭，或有方向性的鐵氧體環(huán)形器。

雙工器的設(shè)計方法大致有兩種：一是先設(shè)計好收發(fā)信道的帶通濾波器然后連接上T型接頭再對濾波器進行優(yōu)化；另一種是設(shè)計好兩個濾波器后再對T型接頭進行調(diào)整。不同設(shè)計方法的區(qū)別主要在于濾波器的結(jié)構(gòu)和T型接頭的結(jié)構(gòu)不同以及它們之間的匹配技術(shù)不同。文中的雙工器設(shè)計采用第二種設(shè)計方法，先設(shè)計兩個中心頻率分別為1．95 GHz和2．14 GHz的同軸腔體濾波器，然后通過T型接頭將兩個腔體帶通濾波器并聯(lián)構(gòu)成雙工器。利用微波CAD軟件對T型接頭進行了優(yōu)化處理，減小了非相鄰腔體帶通濾波器之間的影響，提高了非相鄰腔體帶通器之間的隔離度。文中給出了同軸腔體雙工器的設(shè)計實例的仿真結(jié)果及實物測量結(jié)果。

1 同軸腔濾波器的設(shè)計方法

對于同軸腔濾波器，在同軸腔諧振器之間通過開孔或加探針，可實現(xiàn)電感或電容耦合。改變孔的大小或者探針的粗細、長短等來控制耦合電感或電容的大小以實現(xiàn)窄帶濾波器，控制同軸腔諧振器之間的交叉耦合的數(shù)量和大小來實現(xiàn)傳輸零點的位置和數(shù)目。在兼顧無載Q值的情況下，可通過改變同軸腔內(nèi)外導(dǎo)體的大小，來實現(xiàn)需要的功率容量和體積。在有電容加載的情況下，同軸腔濾波器的體積可以做得很小?？傊S腔廣義Chebyshev濾波器具有體積小、帶寬窄、矩形系數(shù)高、功率容量高等優(yōu)點，是國內(nèi)外廣泛研究的熱點。

由雙工器的指標可得到兩個帶通濾波器的設(shè)計指標：中心頻率分別為1．95 GHz和2．14 GHz，帶寬均為60 MHz，帶內(nèi)的回波損耗為20 dB。為了使雙工器隔離較好，因此采用廣義Chebyshev濾波器的設(shè)計方法，使中心頻率在1．95 GHz的濾波器有兩個傳輸零點為：2．05 GHz和2．14 GHz；中心頻率在2．14 GHz的濾波器有兩個傳輸零點為：2．085 GHz和1．95 GHz 。

1．1 濾波器網(wǎng)絡(luò)拓撲結(jié)構(gòu)

具有有限傳輸零點的濾波器，一般采用諧振腔交叉耦合的方式實現(xiàn)，如圖1所示。綜合圖中的器件值就是求解交叉耦合矩陣M 。由于耦合矩陣和網(wǎng)絡(luò)拓撲直接相關(guān)，而目前還沒有方法完成任意拓撲結(jié)構(gòu)之間的轉(zhuǎn)換，所以確定網(wǎng)絡(luò)拓撲結(jié)構(gòu)相當重要。下面引入三腔耦合結(jié)構(gòu)分析，可快速地確定具有有限傳輸零點的網(wǎng)絡(luò)拓撲結(jié)構(gòu)。

因此采用CT級聯(lián)的拓撲結(jié)構(gòu)，如圖2所示。

1．2 求解交叉耦合矩陣

與圖2所示的拓撲結(jié)構(gòu)相對應(yīng)的M矩陣的求解如下：

首先根據(jù)濾波器指標由R J Cameron的文章求解歸一化的初始耦合矩陣分別為M01和M02。R1為歸一化電壓源內(nèi)阻，R2輸出端歸一化負載電阻。在初始耦合矩陣M01中R1＝R2=1．004 1 Ω，在初始耦合矩陣M02中R1=R2=1．003 2 Ω。

再根據(jù)Amari的關(guān)于交叉耦合腔體濾波器M矩陣的梯度優(yōu)化技術(shù)的文章，以上述M01和M02為初值編寫共軛梯度法Matlab程序?qū)矩陣進行優(yōu)化，之后進行反歸一即可得到設(shè)計所需的耦合矩陣，即式(3)與式(4)?；夭〒p耗和插入損耗的計算結(jié)果，分別如圖3，圖4所示。

1．3 在Ansoff中建立仿真模型

首先在Ansoft10．0中建立單腔模型并進行仿真，使單腔諧振頻率位于濾波器中心頻率上，且單腔尺寸要滿足設(shè)計要求及加工的可實現(xiàn)性；其次根據(jù)腔間耦合系數(shù)進行雙腔仿真來確定開孔尺寸和探針尺寸；然后根據(jù)圖2的拓撲結(jié)構(gòu)建立同軸腔體帶通濾波器的仿真模型，分別如圖5和圖6所示。

3 結(jié)束語

文中基于廣義Chebyshev函數(shù)的交叉耦合濾波器的設(shè)計和綜合，研究了與之相關(guān)的理論和技術(shù)。在此基礎(chǔ)上實現(xiàn)了，如圖7所示的高性能WCDMA同軸腔雙工器，實測結(jié)果與設(shè)計指標吻合較好。驗證了該設(shè)計方法的可行性。在工程實踐和理論研究上都具有一定的意義。