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    一种腔体双工器的快速设计方法

    时间：2023-07-03 18:00:07来源：百花范文网本文已影响人

    马雯莹，孙海青，葛福兰，陈建囡

    (中国船舶集团有限公司第八研究院，南京 211153)

    双工器主要应用于天馈系统前端，是一种特殊的三端口滤波器。它既要保证发射和接收都能同时正常运作，又能将发射和接收信号相互隔离，是收发一体的微波器件。双工器从结构上可分为平面双工器和腔体双工器[1-2]，其中腔体双工器，由于带内插损低、Q值高、功率容量大、调谐简单等优点，广泛应用于广播、雷达和卫星通信等领域中。本文设计一款由1.995 GHz和2.185 GHz带通滤波器组成的腔体双工器，并测试验证了设计的正确性。

    1.1 技术指标

    本文所设计腔体双工器的技术指标要求如下：

    (1) 接收通道RX：频率范围1 980～2 010 MHz，带内插损≤1.0 dB，带内波动≤0.7 dB，驻波≤1.5，带外抑制≥80 dB@2 170～2 200 MHz，≥60 dB@4 000～4 400 MHz；

    (2) 发射通道TX：频率范围2 170～2 200 MHz， 带内插损≤1.0 dB，带内波动≤0.7 dB，驻波≤1.5，带外抑制≥80 dB@1 980～2 010 MHz，≥60 dB@4 000～4 400 MHz。

    1.2 计算机仿真设计

    双工器设计主要是通道滤波器和公共接头的设计。本文滤波器选用腔体结构，在利用计算机仿真软件Super Filter设计滤波器时，只要在参数设置项中输入滤波器的中心频率、带宽、腔体数、回波损耗等指标，便可得到耦合系数等参数[3]。通过调整滤波器的谐振腔个数，结合幅频特性窗口中的相关指标情况，确定合适的腔体滤波器腔数值。如果腔数设置太少，则带外抑制指标无法满足要求；
    如果腔数设置较多，则插入损耗指标不能满足要求。

    1.2.1 RX滤波器设计

    根据指标要求，该款滤波器需要4腔、Q值达到2 000以上，其带外抑制和带内插损才能满足要求，仿真结果如图1所示。可以看出，滤波器回波损耗指标和带宽指标都有一定余量，设计结果完全满足项目指标要求。

    图1 计算机仿真设计结果

    在确定了滤波器腔数后，Super Filter直接给出滤波器的耦合矩阵M[4]。由图1可知，ms1=m4L=1.106，m12=m21=0.988，m23=m32=0.716，m34=m43=9 676。以这些参数为基础，便能计算得到K系数，K值决定两谐振腔间窗口的尺寸。

    m与k的转换关系为Kn(n-1)=bw×mn(n-1)，其中bw=50/1 995=0.025为相对带宽比，n为谐振腔编号，由此得到耦合系数的K值如表1所示。

    表1 滤波器的K系数

    根据技术指标、谐振腔腔数、抽头方式及外形尺寸要求，利用HFSS可得到单个谐振腔的仿真模型，如图2所示。

    图2 RX单腔模型

    可以看出频率为2.028 8 GHz，Q值大于2 300，满足要求(频率很接近1.995 GHz，可调试到1.995 GHz，Q值大于1 500)。

    根据单腔仿真结果和滤波器的K系数，利用HFSS双腔仿真模型如图3所示。

    图3 RX双腔模型

    由表1和图3可知4个腔体的开窗尺寸依次为9.49 mm、8.3 mm、9.48 mm。

    1.2.2 TX通道滤波器设计

    TX通道与RX通道的设计方法相似，只须将中心频率、带宽等参数的设置做相应更改，便可得到仿真数据如图4～图6所示。

    图4 TX计算机仿真设计结果

    图5 耦合系数矩阵

    图6 TX双腔模型

    由图4可知，TX滤波器同样需要4腔、Q值达到2 000以上，才能满足设计要求。根据图5可得出滤波器k系数分别为k12=0.022 21、k23=0.016 49、k34=0.022 61。经过单腔仿真后频率为2.155 2 GHz，Q值为2 413，满足设计要求(频率很接近2.185 GHz，可调试到2.185 GHz，Q值大于2 000)。再结合之前得到的k系数，利用HFSS建模得到图6所示的双腔结构模型和双腔间的窗口尺寸依次为9.42 mm、8.23 mm、9.44 mm。

    1.2.3 结构设计

    仿真设计得到RX、TX两个通道滤波器的具体结构和尺寸，而合路采用Y型结的方式在ANT公共端用铜丝直接连接两个滤波器。图7、图8分别给出了双工器的机加工图和装配图。双工器由盒体、盖板、内导体、连接器、调谐螺钉及螺钉组成。腔体采用镀银工艺在保证高Q值、低插损的同时又降低了成本。

    图7 双工器机加工图

    图8 双工器装配图

    根据设计和仿真结果将双工器加工成实物，组装完毕后对其进行调试。双工器连接网络分析仪，从RX通道开始，依次调整调谐螺钉，使谐振腔谐振于通道中心频率。然后用网络分析仪观察S参数，同时不断调整调谐螺钉的深度，使其各项数据均能满足指标要求。最终测试结果如图9所示：接收、发射通道带内插损均小于0.7 dB，带外衰减均大于60 dB，相互隔离度大于80 dB，满足指标要求。

    图9 矢网测试结果

    本文从广义切比雪夫滤波器理论出发，根据实际指标要求，运用计算机仿真技术，设计了一款基于1.9～2.2 GHz的腔体双工器。按照该设计方法加工出实物，其测试结果与仿真结果一致，充分证明了本设计的正确性和实用性。

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