微波注入實驗用高隔離度雙工器的研究

摘要：微波注入實驗要求微波注入電路和效應監測電路的接入不影響正常的電路器件工作狀態，同時要求注入電路隔離度足夠大。在此設計了一種高隔離度微波雙工器0~800 MHz和1.4~4.5 GHz，兩信號通道內插入損耗小于0.2 dB；0~400 MHz和1.5~4.5 GHz兩信號通道隔離度大于50 dB。這種微帶線型雙工器結構緊湊、研制周期短、性能穩定已經在微波效應注入實驗系統中獲得良好的應用。

關鍵詞：高隔離度； 雙工器； 注入實驗； 插入損耗

中圖分類號：TN91934文獻標識碼：A文章編號：1004373X(2012)04020503

Research on highisolation diplexer used in microwave injection experiment

HU Biao， LI Jiayin， WANG Haiyang

（High Power Radiation Laboratory， UESTC， Chengdu 610054， China）

Abstract： In the microwave injection experiment the insertion of the microwave injection circuit and the effect inspect circuit is required not to affect the work condition of the electrical devices. The injection circuit is required to have enough isolation. One microwave diplexer with high isolation was designed. Between 0~800 MHz and 1.4~4.5 GHz， the insertion loss of the microwave diplexer is less than 0.2 dB. The isolation between two channels is higher than 50 dB. The microwave diplexer owns the characteristics of compact structure， short developing cycle and steady performance. It works well in microwave effect injection experiment system.

Keywords： high isolation; diplexer; injection experiment; insertion loss

收稿日期：20110911

基金項目：武器裝備預研基金資助課題（103.1.2E022050205）微波雙工器是用來把一個信號頻譜分開成2個頻率范圍的微波器件。它在微波毫米波通信、衛星通信、雷達、電子對抗、測試等系統中都有著廣泛的應用。微帶線型雙工器是微波雙工器的一個非常重要的分支［1］。微帶線型雙工器結構緊湊，研制周期短，性能穩定，此外微帶線型雙工器可以實現高隔離度的優點，已經在高功率效應注入實驗系統中獲得應用［2］。

1微波注入實驗用雙工器

微波注入效應實驗是數字電路HPM效應機理研究的一個重要研究手段。效應機理研究注入實驗系統設計如圖1所示。微波脈沖經功率放大器后通過注入雙工器與低頻數字工作信號合路送入效應器件輸入端口，數字電路輸入、輸出信號、微波脈沖輸入和數字電路輸出包含的微波脈沖信號由示波器監測，微波脈沖反射信號經檢波后由示波器監測［3］。

數字電路效應機理注入實驗研究系統是一個大功率在線測試系統，與側重閾值效應注入電路實驗設計方法有所不同，這里要求微波脈沖注入設計電路和效應監測電路的接入不影響正常的數字電路器件工作狀態，如避免簡單偏置電路對數字電路器件輸入、輸出電容加載效應；另外一點是要求注入電路隔離度足夠大，即微波通道和數字邏輯電平信號通道之間具備很高隔離度，目的在于防止大功率微波脈沖泄漏功率對高精度測試儀器設備造成干擾甚至損傷。同時對于數字電路效應機理研究而言，需要更多觀測輸入、輸出信號細節部分，如輸出微波和數字低頻信號的分離，輸出微波信號頻譜分析等，以便更好研究數字電路非線性效應過程與作用機理。

針對注入效應實驗功率源0.8~4 GHz頻段范圍，自行設計與加工了0~100 MHz/1.5~4.4 GHz注入雙工器。注入雙工器由一個低通濾波器和帶通濾波器構成，低通濾波器傳輸器件正常工作低頻信號，而帶通濾波器傳輸注入微波脈沖，設計時注意帶通濾波器的功率容量指標以及插損盡量小。

微波雙工器的設計方法大致有兩種：一種是先設計好2個通道濾波器然后連接上T型或Y型結再對濾波器進行優化；另一種是設計好兩通道濾波器再對T型或Y型結進行調整。不同的設計方法主要在于濾波器的結構和T型或Y型結的結構不同以及它們之間匹配的技術不同。本文設計的高隔離度微帶線型雙工器采用先分別設計高、低阻抗線低通濾波器和電容間隙耦合帶通濾波器，然后連接T型結進行匹配調整。

圖1數字電路注入實驗系統1.1通道濾波器的設計

集總元件低通濾波器是現代網絡綜合法設計微波濾波器的基礎。根據濾波器理論和一般的設計方法，在設計各種濾波器時，一般從歸一化低通濾波器出發，通過函數關系可以變換為高通、帶通或帶阻濾波器［46］。

如圖2所示是一種雙終端低通濾波器的梯形電路，g0，g1，g2，…gn，gn+1是電路中個元件的數值，它們是由網絡綜合法得出的。簡單說來，網絡綜合方法首先是把傳輸系數（或其轉移函數）確定為復平面上的函數，由此求出復平面上的輸入阻抗。然后把該輸入阻抗表示成連分數或部分分式，從而得到電路元件的數值。

圖2低通原型濾波器的電路不同近似特性的濾波器在通頻帶內和通頻帶外的幅度頻響曲線的起伏性，過渡頻帶的下降速度，通頻帶內相位頻率特性等有很大差異，設計中首先要做的就是根據使用條件選擇濾波器的形式，即濾波器的近似特性，然后完成設計。為了實現好的阻帶衰減特性和平坦的通帶波紋，本文采用Chebyshev型濾波器來設計。Chebyshev低通原型濾波器的衰減特性，其數學表達式為：LA(ω′)=10lg{1+εcos2［ncos－1(ω′/ω1′)］}ω′<ω1′（1）

LA(ω′)=10lg{1+εcosh2［ncosh－1(ω′/ω1′)］}ω′≥ω1′（2）式中：ε=(10LAr10－1)12，LAr是通帶內衰減最大值。這種特性濾波器同樣可以用圖2梯形電路來實現。上式中n就是該梯形電路的電抗元件數目。若n為偶數，則響應內LA=0的頻率有n/2個；若n為奇數，則LA=0的頻率有(n+1)/2個。對于兩端都接電阻的雙終端Chebyshev低通原型濾波器，設其通帶波紋為LAr，g0=1，ω1′=1（歸一化），則其他元件數值可用下式計算：g1=2a1γ；gk=4ak－1akbk－1gk－1，k=2，3，…，n；

gn+1=1，n為奇數

tanh2(β/4)，n為偶數（3）式中:β=ln(cothLAr17.37)；γ=sinhβ2n；ak=sin［(2k－1)π2n］，k=1，2，…n；bk=γ2+sin2kπn，k=1，2，…n。

高、低阻抗線低通濾波器首先選定濾波器中的高、低阻抗值，設計出各高、低阻抗線中心導帶寬度，在給定高、低阻抗值和兩接地板的間距以及中心導帶的厚度后，查表計算出各線段的寬度；根據濾波器實際元件數值和不連續階梯的邊緣電容值，可以計算出各高、低阻抗線的長度。最后修正兩端阻抗的長度，以補償它們與50 Ω傳輸線間的不連續性。帶通濾波器可以由圖2低通原型濾波器經阻抗變換器K和串聯諧振器或導納變換器J和并聯諧振器轉換而成。根據低通原型元件數值和相對帶寬可以計算出各阻抗或導納變換器參數，然后得到各電容間隙的電納。由歸一化電納可以計算出各諧振器的實際長度。在給定兩接地板的間距以及中心導帶的厚度直接可以計算出各電容間隙，從而設計出電容間隙耦合帶通濾波器。

1.2微波雙工器T型接頭設計

微波雙工器T型接頭不僅起到功率分配的作用，同時起到端口匹配作用。如圖4所示為了使兩個濾波器相互不影響，在端口2低通濾波器前還需要串聯一段長度為λ1/4（λ1為端口3帶通濾波器中心頻率的介質波長）阻抗為50 Ω的特性阻抗微帶傳輸線變換后接到公共輸入端口1，使得帶通濾波器的傳輸頻率在低通濾波器端短路，經過λ1/4傳輸線阻抗后變成開路，從而不影響端口2的低通濾波器。

由于T型接頭效應，實際的串聯微帶線長度要略小于λ1/4，其具體的長度可以先根據濾波器中心介質波長計算λ1/4變換微帶線的長度來設定一個初始值，然后用ADS軟件進行優化確定。同理，在端口3帶通濾波器前也要串聯一段λ2/4（λ2為端口2低通濾波器中心頻率的介質波長）阻抗為50Ω的特性阻抗傳輸線，使低通濾波器的傳輸頻率在帶通濾波器端短路，經過λ2/4傳輸線阻抗后變成開路，從而不影響端口3的帶通濾波器。

圖3高隔離度微波雙工器的原理圖2微波雙工器的設計

2.1微波雙工器的仿真設計

本文設計的微波雙工器是由上面分析的高、低阻抗線低通濾波器和電容間隙耦合帶通濾波器通過T型接頭并聯構成［710］。微波雙工器原理圖3所示，設計的微波雙工器的兩信號通道分別為0~400 MHz和1.5~4.5 GHz。在設計過程中發現，由公式計算的尺寸和仿真的結果有一定的出入，這主要由于公式是在理想條件下簡易模型計算出來的，沒有考慮各個環節的互相影響，而仿真模擬盡可能的考慮到這方面的影響。實際影響器件頻率響應的還有很多其它因數，如貼片的邊緣電容對電磁波的影響，介質損耗等等，因此響應特性在頻率上有一定的搬移。為了滿足微波雙工器小型化的要求，對其低通濾波器的高阻抗線部分進行了折彎倒角設計，同時在其帶通濾波器的設計過程中采用了保留電容的設計，這種方法在頻率不是很高的情況下能夠進一步減小微波雙工作器的尺寸（因為一般的電容在高頻存在寄生通道，這將影響濾波器的頻率特性）。實驗中，采用陶瓷介質基板作為微波雙工器的制作材料，介質的相對介電常數εr=3.5，介質襯底厚度為h=0.8 mm，微帶金屬導體厚度t=0.035 mm介質的損耗角正切tg δ=0.001 8。微波雙工器結構如圖4所示，利用ADS軟件對連接構成的微波雙工器進行優化仿真，最終實現高隔離度的微波雙工器。

圖4微波雙工器的結構2.2微波雙工器調試和測試結果

實驗采用矢量網絡分析儀對微波雙工器進行調試。實驗中帶通濾波器通過調節并聯微帶線的長度來改變并聯電感大小，從而可以改善帶通濾波器的頻率響應；低通濾波器通過調節微帶線與地線之間的距離來改變耦合電容大小，從而可以改善低通濾波器的頻率響應。實驗分別對微波雙工器的插入損耗和隔離度進行測試，測試結果如下圖。

圖5微波雙工器的傳輸系數微波雙工器傳輸特性曲線測試結果圖5所示，在0~800 MHz和1.5~4.5 GHz頻率范圍內插入損耗小于0.2 dB。微波雙工器雙傳輸通道的隔離度測試結果圖6所示，在0~400 MHz和1.5~4.5 GHz頻率范圍內隔離度大于50 dB，完全滿足設計要求。

圖6微波雙工器的雙通道隔離度3結語

本文由高、低阻抗線低通濾波器和電容間隙耦合帶通濾波器通過T型接頭并聯合成微波雙工器，充分利用微波仿真軟件ADS強大的功能來提高微波雙工器設計效率和可靠性，其仿真結果與測試結果符合很好。該微帶型雙工器隔離度高、結構緊湊、研制周期短、性能穩定已經在微波效應注入實驗系統中獲得良好的應用。

參考文獻

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