基于同軸腔濾波器的五工器設計

易 波，李麗英，陳紫琪

(解放軍78118部隊，四川 成都 610000)

0 引 言

隨著現代無線電技術的快速發展，短波、超短波、集群通信等多種通信手段集成至單一平臺成為發展趨勢[1-2]。為合理利用單一平臺的有限空間，通常采用多裝備共用1副天線[3-4]。多工器能夠同時收/發多路特定頻率信號，屏蔽干擾信號頻率，保證多套通信系統同時正常工作[5-6]。同軸腔濾波器具有插入損耗低、Q值高、功率容量大、寄生通帶頻帶間隔寬且設計靈活等優點，已在無源器件中得到越來越廣泛的應用[7-8]。本文針對750～950 MHz頻段內包含集群通信、移動電信業務、數據鏈、接力通信等多種通信業務天線共用需求[9-10]，設計了一款基于同軸腔濾波器的五工器，能夠被該頻段通信系統天線共用。

1 同軸腔體濾波器設計基本原理

同軸諧振腔內部結構與電磁場分布如圖1所示[11]。

圖1 同軸諧振腔內場分布

為了方便濾波器的調試，在設計同軸諧振腔時，通常會在開路端加入調諧螺釘，通過調節調諧螺釘伸入腔體長度，改變同軸腔諧振頻率[12]。

當2個諧振腔串聯時，諧振腔間電磁能量會相互耦合。耦合系數是表征2個諧振腔之間耦合強度的一個物理量，耦合系數絕對值越大，說明2個諧振腔間耦合越強。雙模提取法是一種簡單而實用的耦合系數提取算法[13]，公式為：

(1)

式中：f1和f2分別代表第1個和第2個諧振腔諧振頻率。

除卻諧振腔間的耦合，在設計腔體濾波器時，還需要考慮諧振腔與輸入輸出之間的耦合，同軸腔微波濾波器常用的輸入輸出結構有：直接耦合、電容耦合(電耦合)以及磁環耦合(磁耦合)，如圖2所示[14]。

3種耦合結構中，直接耦合結構相對簡單，損耗小，適合目標多工器設計。

2 同軸腔體濾波器設計

目標五工器性能指標如表1所示。

根據表1中五工器技術指標，本文首先設計了單路濾波器。在此基礎之上，完成五工器結構整體優化。為保證目標五工器整體指標滿足表1要求，單路濾波器結構形式采用四腔體濾波器。

在HFSS電磁仿真軟件中建立單通道濾波器三維仿真模型，如圖3所示。調節調諧螺釘進入腔體長度可調節諧振頻率，在兩相鄰腔體間窗中央加入調諧螺釘，調節相鄰兩腔體之間的耦合度。為了便于加工，在邊緣處進行了R5的倒角。

圖3 HFSS中3D仿真結構模型

利用HFSS參數掃描功能，對五工器結構進行優化，得到各通帶濾波器結構參數(如表2所示)。各個通帶傳輸特性如圖4所示，仿真結果滿足目標要求。

表2 各通道尺寸(MHz，mm)

3 五工器結構設計

圖4 HFSS中各通道傳輸特性仿真結果

鏈式結構五工器將各通道帶通濾波器接入到主干的特殊位置，以保證在通道接入點以下的電抗無窮大。由于鏈式結構五工器結構較為復雜，直接進行全波仿真耗時長。因此在五工器結構設計時，先利用ADS仿真確定鏈式結構各段傳輸線初值，再代入HFSS中對五工器模型進行全波仿真優化[15-16]。ADS中仿真模型如圖5，SNP文件為HFSS中導出的對應濾波器傳輸特性文件。

圖5 五工器在ADS中的物理電路模型

經過優化設計后，各個枝節的同軸線物理長度如表3所示。

根據ADS優化得到各個枝節同軸線長度初值，在HFSS建立鏈式結構五工器模型(如圖6所示)，并進行全波仿真與優化。優化后五工器的S參數仿真結果如圖7所示。由圖7可知，所設計鏈式結構五工器通帶插入損耗不大于0.7 dB，不同通帶之間隔離度不小于40 dB，頻率響應符合技術指標要求。

表3 各個枝節同軸線物理長度優化結果

圖6 HFSS中鏈式結構五工器仿真模型

圖7 鏈式結構五工器在HFSS中的S11和S21仿真結果

4 加工與測試

按照圖6結構加工制作了多工器實物(如圖8所示)，利用思儀矢量網絡分析儀3762A對所加工的多工器進行測試，測試原理圖如圖9所示。在測試中，矢量網絡分析儀一端口接多工器輸入端口，另一端口接一路輸出端口，其余4路輸出端口接匹配負載。

圖8 多工器加工實物

多工器各路通道傳輸系數測試結果如圖10與表4所示。

從圖10和表4中可以看出，通道頻率仿真與實測結果一致性較好。相比仿真結果，實測結果帶內插入損耗和3 dB帶寬有所增加，插入損耗最大為0.8 dB，3 dB帶寬最大達到19 MHz。實測結果表明，所設計的五工器能夠滿足使用要求。

圖10 五工器各通道傳輸

表4 各通道仿真與實測結果

5 結束語

本文針對750～950 MHz頻段設備天線共用需求，設計了帶寬為11 MHz的五工器。通過HFSS電磁仿真軟件與ADS電路仿真軟件聯合仿真，對所設計的五工器結構進行了優化，加工制作了五工器實物。實測結果表明，帶內插入損耗最大為0.8 dB，3 dB帶寬最大達到19 MHz，測試結果表明所設計的五工器能夠滿足使用要求。