摘 要： 利用電路等效分析法結合全波建模提出具有寬帶工作特性的改進型H面T型結。結合交叉耦合原理和一腔多模理論，通過S參數的多項式綜合和矩陣消零的方法提取濾波器耦合矩陣。設計了新型結構的雙模交叉耦合毫米波雙工器。測試結果表明，相比于傳統的單模直接耦合雙工器，這種雙工器不但尺寸更加緊湊，而且具有更好的頻率選擇性及隔離度等優點。
關鍵詞： 波導；H面T型結；交叉耦合；雙模濾波器；雙工器
毫米波雙工器[1]是一種用于把兩路不同頻段的信號分開或合并的三端口器件。它由兩個帶通濾波器和一個連接元件組成，被廣泛應用于毫米波通信、衛星通信等多種領域。隨著毫米波技術的發展，毫米波系統對雙工器的頻率選擇性、兩通道之間的隔離度以及尺寸的小型化等性能都提出更高的要求。因此，設計高性能小型化毫米波雙工器具有非常重要的意義。
在傳統的通道濾波器設計中，常采用切比雪夫或巴特沃斯函數逼近并進行直接耦合。為了得到好的頻率選擇性只能增加濾波器的階數，這明顯增加了濾波器的體積和重量，不能滿足小型化的要求。對此，在雙工器通道濾波器設計中，通過結合交叉耦合理論和一腔多模技術實現具有廣義切比雪夫函數響應的雙模濾波器，不但提高了雙工器的頻率選擇性能，同時也實現了雙工器的小型化。
1 設計理論
1.1 傳輸零點分析和耦合矩陣綜合
根據電路網絡理論，雙端口網絡特性可以描述為：
1.2 雙模濾波器設計理論
雙模波導濾波器通常是由對稱的濾波器單元級聯構成[2]，為了使設計出的通道濾波器具有更好的帶外抑制性能以及使雙工器具有更加緊湊的尺寸，本文提出非對稱結構的濾波器單元，如圖1所示。可以看出，該對稱濾波器單元是由兩個凋落模耦合波導連接在諧振腔的兩個相鄰邊上構成。諧振腔的長、寬和高分別為a、l和b。
凋落模耦合波導可激勵出兩個相互正交耦合的工作模式，當它們幅度相同且相位相差180°時，就引入了一個傳輸零點。在濾波器設計中，根據設計指標進行矩陣綜合得出耦合矩陣后，就可以利用軟件對耦合結構進行參數提取，最終確定耦合結構的尺寸。由耦合理論可知，通過改變耦合波導的位置及寬度可獲得正耦合與負耦合。
由矩形諧振腔內場分布相關理論[3]，得出矩形諧振腔的諧振頻率和諧振波長為：
實際中諧振腔的兩邊長度稍有不等，當a與l比值適當變化時，可以將傳輸零點從通帶右側移動到左側[4]。
圖2是非對稱濾波器單元的S參數仿真曲線，可以看出它的傳輸零點在通帶右側。在雙工器設計中，為了使兩個濾波器通道之間具有更高的隔離度，可通過調整a與l的比值使濾波器1的濾波單元傳輸零點都在通帶右側，而濾波器2的濾波單元傳輸零點都在通帶左側。
2 設計實例
2.1 設計要求
雙工器通道濾波器1的中心頻率為40.5 GHz，帶寬為500 MHz；通道濾波器2的中心頻率為42.5 GHz，帶寬為500 MHz；濾波器帶內插損小于1.5 dB，兩通道的隔離度大于70 dB。
2.2 T型結設計
T型接頭是一種可用作功率分配/合成的最簡單的三端口網絡器件，由微波網絡理論可知T型結不可能做到三個端口同時匹配，接頭處存在與不連續性有關的邊緣場和高次模而產生等效電抗。為了減少由波導不連續性導致的失配和損耗，往往在T結中插入金屬圓柱或者金屬膜片[5-6]。但這種方法設計出的T型結不但工作頻帶窄，而且調配難度大、加工成本高，因此本文在經過等效電路分析和軟件優化之后確定出一種新型的H面T型結，在功分分支底部和共同分支側邊分別加上匹配矩形金屬柱，如圖3所示。經過仿真優化后得到尺寸為：c1=2.14，k1=1.42，c2=2.3，k2=0.55，h=2.83(單位：mm)。圖4是改進型H面T型結的仿真曲線，由圖可以看出其具有端口匹配良好、工作寬頻帶及易于加工等優點。
2.3 雙工器設計及結果分析
根據設計指標，在確定濾波器逼近函數的階數、零點個數和波紋特性等參數后進行矩陣綜合，得出耦合矩陣，然后使用HFSS軟件對耦合結構進行參數提取以確定出耦合結構的初始尺寸；同時根據式(11)得出諧振腔的初始尺寸。最終得出兩個通道帶通濾波器的結構如圖5所示，其參數(單位：mm)：
通道濾波器1：a1=a2=7.845，l1=7.851，l2=7.868，off1=off2=off3=1，t1=t3=1，t2=4.22，d1=d3=3.03，d2=3.06。
通道濾波器2：a1=a2=7.717，l1=7.435，l2=7.433，off1=off2=off3=1，t1=t3=1，t2=2.7，d1=d3=2.84，d2=2.56。
在通道濾波器設計好之后，把它們與上述H面T型結連接起來，得到雙工器的總體結構，實物如圖6所示。
圖7是雙工器S仿真和測試對比曲線，可以看出，測試與仿真結果良好吻合，兩個通帶內插損均小于1.2 dB，帶內波紋小于1 dB，兩通道之間的隔離度大于70 dB，各項指標均滿足設計要求。
本文根據一腔多模理論和交叉耦合濾波器設計原理，分析設計具有廣義切比雪夫函數響應的雙模濾波器，通過將采用改進結構的T型波導功分器和新型結構的波導雙模濾波器相結合，實現了高性能緊湊型的毫米波雙工器，為設計緊湊高性能的毫米波雙工器提供了一種思路。
參考文獻
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