基于交叉耦合的同軸腔雙工器設計

?隨著通信技術應用范圍的擴大，各種微波通信系統的發展非常迅速。在同一系統中，頻率擁擠與多信道實時雙向通信要求收、發信道必須同時使用同一副天線，這就必須在設備的前端設計雙通道的波道合成和分離器件即微波雙工器。雙工器主要由收發通帶的帶通濾波器和分支接頭兩部分組成。分支接頭可以是無方向性的T型接頭，或有方向性的鐵氧體環形器。
??? 雙工器的設計方法大致有兩種：一是先設計好收發信道的帶通濾波器然后連接上T型接頭再對濾波器進行優化；另一種是設計好兩個濾波器后再對T型接頭進行調整。不同設計方法的區別主要在于濾波器的結構和T型接頭的結構不同以及它們之間的匹配技術不同。文中的雙工器設計采用第二種設計方法，先設計兩個中心頻率分別為1．95 GHz和2．14 GHz的同軸腔體濾波器，然后通過T型接頭將兩個腔體帶通濾波器并聯構成雙工器。利用微波CAD軟件對T型接頭進行了優化處理，減小了非相鄰腔體帶通濾波器之間的影響，提高了非相鄰腔體帶通器之間的隔離度。文中給出了同軸腔體雙工器的設計實例的仿真結果及實物測量結果。

1 同軸腔濾波器的設計方法
??? 對于同軸腔濾波器，在同軸腔諧振器之間通過開孔或加探針，可實現電感或電容耦合。改變孔的大小或者探針的粗細、長短等來控制耦合電感或電容的大小以實現窄帶濾波器，控制同軸腔諧振器之間的交叉耦合的數量和大小來實現傳輸零點的位置和數目。在兼顧無載Q值的情況下，可通過改變同軸腔內外導體的大小，來實現需要的功率容量和體積。在有電容加載的情況下，同軸腔濾波器的體積可以做得很小。總之，同軸腔廣義Chebyshev濾波器具有體積小、帶寬窄、矩形系數高、功率容量高等優點，是國內外廣泛研究的熱點。
??? 由雙工器的指標可得到兩個帶通濾波器的設計指標：中心頻率分別為1．95 GHz和2．14 GHz，帶寬均為60 MHz，帶內的回波損耗為20 dB。為了使雙工器隔離較好，因此采用廣義Chebyshev濾波器的設計方法，使中心頻率在1．95 GHz的濾波器有兩個傳輸零點為：2．05 GHz和2．14 GHz；中心頻率在2．14 GHz的濾波器有兩個傳輸零點為：2．085 GHz和1．95 GHz 。
1．1 濾波器網絡拓撲結構
??? 具有有限傳輸零點的濾波器，一般采用諧振腔交叉耦合的方式實現，如圖1所示。綜合圖中的器件值就是求解交叉耦合矩陣M 。由于耦合矩陣和網絡拓撲直接相關，而目前還沒有方法完成任意拓撲結構之間的轉換，所以確定網絡拓撲結構相當重要。下面引入三腔耦合結構分析，可快速地確定具有有限傳輸零點的網絡拓撲結構。

??? 因此采用CT級聯的拓撲結構，如圖2所示。

1．2 求解交叉耦合矩陣
??? 與圖2所示的拓撲結構相對應的M矩陣的求解如下：
??? 首先根據濾波器指標由R J Cameron的文章求解歸一化的初始耦合矩陣分別為M01和M02。R1為歸一化電壓源內阻，R2輸出端歸一化負載電阻。在初始耦合矩陣M01中R1＝R2=1．004 1 Ω，在初始耦合矩陣M02中R1=R2=1．003 2 Ω。
??? 再根據Amari的關于交叉耦合腔體濾波器M矩陣的梯度優化技術的文章，以上述M01和M02為初值編寫共軛梯度法Matlab程序對M矩陣進行優化，之后進行反歸一即可得到設計所需的耦合矩陣，即式(3)與式(4)。回波損耗和插入損耗的計算結果，分別如圖3，圖4所示。

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1．3 在Ansoff中建立仿真模型
??? 首先在Ansoft10．0中建立單腔模型并進行仿真，使單腔諧振頻率位于濾波器中心頻率上，且單腔尺寸要滿足設計要求及加工的可實現性；其次根據腔間耦合系數進行雙腔仿真來確定開孔尺寸和探針尺寸；然后根據圖2的拓撲結構建立同軸腔體帶通濾波器的仿真模型，分別如圖5和圖6所示。

　3 結束語
??? 文中基于廣義Chebyshev函數的交叉耦合濾波器的設計和綜合，研究了與之相關的理論和技術。在此基礎上實現了，如圖7所示的高性能WCDMA同軸腔雙工器，實測結果與設計指標吻合較好。驗證了該設計方法的可行性。在工程實踐和理論研究上都具有一定的意義。