李亞麗，戈江娜，於明紅
（中國電子科技集團公司第十三研究所，河北石家莊050051）
摘要：介紹了一種寬頻帶毫米波微帶雙工器，該雙工器通過一個低通濾波器和一個高通濾波器並聯構成，具有工作頻率高、工作頻帶寬、體積小、插損低等特點，通帶頻率為8～18 GHz 和34～36 GHz，帶內插損在8～18 GHz 小於1 dB，34～36 GHz小於1.8 dB，隔離度在34～36 GHz 大於30 dB，在8～18 GHz大於10 dB，由於雙工器兩頻帶相距較遠，應用時兩頻段之間器件隔離較好，因此低的隔離度不影響雙工器的實際應用。
關鍵詞 ：寬頻帶；毫米波；濾波器；微帶雙工器
中圖分類號：TN925?34；TN713 文獻標識碼：A 文章編號：1004?373X（2015）16?0103?03
收稿日期：2015?01?26
雙工器是應用於無線通信領域的重要微波器件，頻段雙工器能夠實現一副天線2個頻段共用，2個頻段之間互不影響[1]。隨著通信領域向更高頻段的發展，對雙工器也提出了更高頻率的要求，本文介紹了一種寬頻帶毫米波微帶雙工器的研製，工作頻帶為8～18 GHz 和34～36 GHz，微帶雙工器與其他種類雙工器比較，具有基板選材多樣化，製作方便靈活，體積小易集成等方面的特點，能夠滿足小型化的應用要求[2?5]。本文介紹的雙工器通過一個低通濾波器和一個高通濾波器並聯構成[1]，濾波器採用最平坦低通濾波器原型，雙工器通過HFSS仿真軟體進行仿真優化，最終實現滿足應用要求的寬頻帶毫米波微帶雙工器。
1 設計原理
本文低通濾波器原型採用最平坦低通原型，最平坦響應如圖1 所示，LAr 是通帶最大衰減，ω1′是帶邊頻率，ω′≤ω1′為濾波器的通帶，ω′≥ω1′為濾波器的阻帶。最平坦響應的數學表示式為（單位：dB）：
由於式（1）中括號內的量，在ω′=0處，其2n-1階導數都為零，故稱為最平坦響應。式（1）中的? 由帶邊ω1′上的衰減LAr的大小來決定。低通濾波器原型電路中的電抗元件數目n 可通過最平坦低通原型的阻帶衰減特性來進行估計。
最平坦低通原型的集總元件電路圖如圖2所示，它是個LC梯形網絡，兩端各接純電阻負載，圖2（a）與圖2（b）互為對偶電路。電路中各元件值g0，g1，g2，…，gn，gn+1，是用現代網絡綜合法得出來的。當LAr=3 dB時，這些歸一元件值為：
式中：n 是圖2 電路中的電抗元件數目。n=1~8 的歸一元件值可以通過表直接查得元件值，不需要通過式（2）來計算[3]。
在用微帶線實現濾波器時，有集總元件法、高、低阻抗法和開路、短路短截線法，本文中採用開路、短路短截線法，圖3為採用開路、短路短截線法實現LC梯型網絡。
2 微帶雙工器的設計
雙工器是一種三埠微波器件，本文介紹的雙工器通過一個低通濾波器和一個高通濾波器並聯構成，高通濾波器通過頻率變換實現，雙工器的設計主要是考慮不同埠之間的匹配，本文中的雙工器通過T型分支線將低通濾波器和高通濾波器並聯起來，以減小濾波器之間的相互影響[3?4]，運用濾波器原理結合雙工器具體指標，通過開路、短路短截線法求得雙工器具體微帶尺寸[3，6]，再通過HFSS仿真軟體進行建模優化仿真，雙工器S 參數仿真結果如圖4（a）所示。從結果可以看出，在8～18 GHz和34～36 GHz兩個通帶的插損分別小於0.3 dB和小於2.7 dB，兩個通帶內的回波損耗在10 dB 左右，兩個頻帶間隔離度優於25 dB。微帶圖形仿真結果如圖4（b）所示，尺寸僅為13 mm×15 mm。
3 微帶雙工器的研製與測試分析
根據仿真結果，採用RT5880基板（厚度為0.254 mm），進行了雙工器樣品的製備，樣品實物如圖5所示，利用Agilent E8363B 型矢量網絡分析儀對製備樣品進行了測試，測試結果如圖6所示。
由測試結果可以看出，雙工器的插入損耗都比較小，在8～18 GHz，帶內插損小於1 dB，在34～36 GHz，插損小於1.8 dB，優於仿真結果；回波損耗與仿真結果吻合，通帶內在10 dB左右，在隔離度方面，毫米波頻段與仿真結果一致，在8～18 GHz隔離度稍差，最小只有10 dB，造成隔離度較低的原因可能是在高通濾波器設計時側重了低插損的考慮，對高通濾波器中的串聯電容進行了調整，因此在34～36 GHz的插損得到改善的同時，削弱了對低頻段的抑制，但在實際工作中，由於雙工器兩個頻帶相距較遠，兩通帶中所用器件之間隔離較好，因此隔離度指標不影響雙工器在實際中的應用。另外，仿真結果與實測結果存在差異的一些其他原因：一是雙工器工作到毫米波頻段，頻率較高，微帶線的加工精度會對雙工器的特性起一定的影響；再是軟體仿真結果與實際研製結果也會存在一定的差異。
4 結語
本文根據微帶濾波器設計原理，設計出寬頻帶毫米波微帶雙工器，該雙工器通過HFSS軟體仿真優化，進行了樣品的製備，樣品測試結果與仿真結果基本吻合，該雙工器具有工作頻率高、工作頻帶寬、體積小、插損低的優點，雖然在低頻段出現隔離度稍差的情況，但由於兩個工作頻段相距較遠，不影響雙工器在實際當中的應用。
參考文獻
[1] 顧瑞龍，沈民誼，黎濱洪，等.微波技術與天線[M].北京：國防工業出版社，1980.
[2] 許悅，王勝福，魯國林，等.一種新型超寬頻小型化U型微帶濾波器[J].半導體技術，2012，37（4）：291?311.
[3] 吳萬春.集成固體微波電路[M].北京：國防工業出版社，1981.
[4] 楊毅，羊愷.連續通道微帶雙工器仿真研究[J].現代電子技術，2011，34（6）：179?184.
[5] 曹海林，陳世勇，楊士中.一種微帶開路環雙工器的設計[J].重慶郵電學院學報，2006，18（1）：26?29.
[6] 黃曉東，金秀華，程崇虎.基於短路/開路枝節線的小型化超寬頻濾波器[J].南京郵電大學學報，2013，33（6）：24?28.
作者簡介：李亞麗（1979—），女，河北饒陽人，工程師，碩士。主要研究方向為微波T/R組件技術。
（中國電子科技集團公司第十三研究所，河北石家莊050051）
摘要：介紹了一種寬頻帶毫米波微帶雙工器，該雙工器通過一個低通濾波器和一個高通濾波器並聯構成，具有工作頻率高、工作頻帶寬、體積小、插損低等特點，通帶頻率為8～18 GHz 和34～36 GHz，帶內插損在8～18 GHz 小於1 dB，34～36 GHz小於1.8 dB，隔離度在34～36 GHz 大於30 dB，在8～18 GHz大於10 dB，由於雙工器兩頻帶相距較遠，應用時兩頻段之間器件隔離較好，因此低的隔離度不影響雙工器的實際應用。
關鍵詞 ：寬頻帶；毫米波；濾波器；微帶雙工器
中圖分類號：TN925?34；TN713 文獻標識碼：A 文章編號：1004?373X（2015）16?0103?03
收稿日期：2015?01?26
雙工器是應用於無線通信領域的重要微波器件，頻段雙工器能夠實現一副天線2個頻段共用，2個頻段之間互不影響[1]。隨著通信領域向更高頻段的發展，對雙工器也提出了更高頻率的要求，本文介紹了一種寬頻帶毫米波微帶雙工器的研製，工作頻帶為8～18 GHz 和34～36 GHz，微帶雙工器與其他種類雙工器比較，具有基板選材多樣化，製作方便靈活，體積小易集成等方面的特點，能夠滿足小型化的應用要求[2?5]。本文介紹的雙工器通過一個低通濾波器和一個高通濾波器並聯構成[1]，濾波器採用最平坦低通濾波器原型，雙工器通過HFSS仿真軟體進行仿真優化，最終實現滿足應用要求的寬頻帶毫米波微帶雙工器。
1 設計原理
本文低通濾波器原型採用最平坦低通原型，最平坦響應如圖1 所示，LAr 是通帶最大衰減，ω1′是帶邊頻率，ω′≤ω1′為濾波器的通帶，ω′≥ω1′為濾波器的阻帶。最平坦響應的數學表示式為（單位：dB）：
由於式（1）中括號內的量，在ω′=0處，其2n-1階導數都為零，故稱為最平坦響應。式（1）中的? 由帶邊ω1′上的衰減LAr的大小來決定。低通濾波器原型電路中的電抗元件數目n 可通過最平坦低通原型的阻帶衰減特性來進行估計。
最平坦低通原型的集總元件電路圖如圖2所示，它是個LC梯形網絡，兩端各接純電阻負載，圖2（a）與圖2（b）互為對偶電路。電路中各元件值g0，g1，g2，…，gn，gn+1，是用現代網絡綜合法得出來的。當LAr=3 dB時，這些歸一元件值為：
式中：n 是圖2 電路中的電抗元件數目。n=1~8 的歸一元件值可以通過表直接查得元件值，不需要通過式（2）來計算[3]。
在用微帶線實現濾波器時，有集總元件法、高、低阻抗法和開路、短路短截線法，本文中採用開路、短路短截線法，圖3為採用開路、短路短截線法實現LC梯型網絡。
2 微帶雙工器的設計
雙工器是一種三埠微波器件，本文介紹的雙工器通過一個低通濾波器和一個高通濾波器並聯構成，高通濾波器通過頻率變換實現，雙工器的設計主要是考慮不同埠之間的匹配，本文中的雙工器通過T型分支線將低通濾波器和高通濾波器並聯起來，以減小濾波器之間的相互影響[3?4]，運用濾波器原理結合雙工器具體指標，通過開路、短路短截線法求得雙工器具體微帶尺寸[3，6]，再通過HFSS仿真軟體進行建模優化仿真，雙工器S 參數仿真結果如圖4（a）所示。從結果可以看出，在8～18 GHz和34～36 GHz兩個通帶的插損分別小於0.3 dB和小於2.7 dB，兩個通帶內的回波損耗在10 dB 左右，兩個頻帶間隔離度優於25 dB。微帶圖形仿真結果如圖4（b）所示，尺寸僅為13 mm×15 mm。
3 微帶雙工器的研製與測試分析
根據仿真結果，採用RT5880基板（厚度為0.254 mm），進行了雙工器樣品的製備，樣品實物如圖5所示，利用Agilent E8363B 型矢量網絡分析儀對製備樣品進行了測試，測試結果如圖6所示。
由測試結果可以看出，雙工器的插入損耗都比較小，在8～18 GHz，帶內插損小於1 dB，在34～36 GHz，插損小於1.8 dB，優於仿真結果；回波損耗與仿真結果吻合，通帶內在10 dB左右，在隔離度方面，毫米波頻段與仿真結果一致，在8～18 GHz隔離度稍差，最小只有10 dB，造成隔離度較低的原因可能是在高通濾波器設計時側重了低插損的考慮，對高通濾波器中的串聯電容進行了調整，因此在34～36 GHz的插損得到改善的同時，削弱了對低頻段的抑制，但在實際工作中，由於雙工器兩個頻帶相距較遠，兩通帶中所用器件之間隔離較好，因此隔離度指標不影響雙工器在實際中的應用。另外，仿真結果與實測結果存在差異的一些其他原因：一是雙工器工作到毫米波頻段，頻率較高，微帶線的加工精度會對雙工器的特性起一定的影響；再是軟體仿真結果與實際研製結果也會存在一定的差異。
4 結語
本文根據微帶濾波器設計原理，設計出寬頻帶毫米波微帶雙工器，該雙工器通過HFSS軟體仿真優化，進行了樣品的製備，樣品測試結果與仿真結果基本吻合，該雙工器具有工作頻率高、工作頻帶寬、體積小、插損低的優點，雖然在低頻段出現隔離度稍差的情況，但由於兩個工作頻段相距較遠，不影響雙工器在實際當中的應用。
參考文獻
[1] 顧瑞龍，沈民誼，黎濱洪，等.微波技術與天線[M].北京：國防工業出版社，1980.
[2] 許悅，王勝福，魯國林，等.一種新型超寬頻小型化U型微帶濾波器[J].半導體技術，2012，37（4）：291?311.
[3] 吳萬春.集成固體微波電路[M].北京：國防工業出版社，1981.
[4] 楊毅，羊愷.連續通道微帶雙工器仿真研究[J].現代電子技術，2011，34（6）：179?184.
[5] 曹海林，陳世勇，楊士中.一種微帶開路環雙工器的設計[J].重慶郵電學院學報，2006，18（1）：26?29.
[6] 黃曉東，金秀華，程崇虎.基於短路/開路枝節線的小型化超寬頻濾波器[J].南京郵電大學學報，2013，33（6）：24?28.
作者簡介：李亞麗（1979—），女，河北饒陽人，工程師，碩士。主要研究方向為微波T/R組件技術。
收藏