Ku频段波导双工器的优化设计

邵 丽，亢小宁，张 辉

(西安电子科技大学理学院，陕西西安 710071)

随着通信技术的不断发展，各系统间的频率间距变得越来越窄，例如卫星通信和机载雷达对滤波器的性能、体积、重量等都提出了严格要求。微波波导双工器在射频收发信机的前端，用于隔离两个频段的射频收发信号，具有将一个信号频谱分成两个频率范围的功能，广泛应用于毫米波通信、卫星通信、雷达、电子对抗、测试仪表等系统中。其分频作用由具有插入损耗小、阻带抑制好、Q值高等优点的波导滤波器来实现[1-4]。

金属模片波导滤波器自1974年Konishi提出以来，以结构简单、易于批量生产及优良的滤波效果等特点得以广泛使用[5]。目前分析设计波导型滤波器的方法有等效电路法和模式匹配法。文中结合两种分析方法，借助仿真软件HFSS完成该滤波器的仿真优化，设计了一款Ku波段的波导型双工器。

1 理论分析

金属膜片滤波器是在矩形波导内沿传播方向依次插入金属膜片要构成，膜片起耦合作用，相邻的膜片间形成波导谐振腔，可将其分为膜片和波导谐振器两部分结构模型进行分析。

膜片分析:等效电路法是将微波腔体滤波器等效为集总电路模型，其能够反映滤波器的拓扑结构，以及滤波器参数和几何尺寸的相互关系[6]。文献[7]利用等效电路法分析说明了实际中的膜片是一个无耗二端口网络，当其两端分别加上一段传输线时，可以表现为阻抗变换器的特性，如图1所示。

图1 膜片模型

利用模式匹配法可计算出S矩阵，借助网络变换得到传输矩阵AS，与级联的两小段特性阻抗为Z0的传输线，得到膜片模型的传输矩阵

将一段长度为l的矩形波导两端用金属平板封闭就构成了矩形波导谐振腔。如图2所示，矩形谐振腔的三边边长分别为a、b、l。由矩形谐振腔内声场分布相关理论得谐振波长

可见，m、s、n的不同就可能产生不同的谐振频率[8]。

综合分析膜片的传输特性与谐振腔的选频特性得知，若要得到一定频带的滤波器，可将在谐振频率连续变化的谐振器并联得到，由此实现了多阶膜片宽带波导滤波器。

2 双工器的设计

由文献[4～5]可知，膜片滤波器的特性函数是每级膜片长度与其间距的多元非线性方程，并且膜片厚度也对滤波器的性能产生影响，精确计算各膜片的特性参数会耗费大量时间，因此文中采用仿真软件HFSS优化设计了一款Ku波段的双工器，该双工器的两个带通滤波器均为5阶膜片型滤波器。设计的是具有对称结构的双工器，如图2所示，其中各膜片长度为Ln，n=1～6，厚度为tn，与对称面的距离为an，相邻膜片间间距dn，n=1～6。电磁波传入双工器后，先经过H面接头，再经过匹配膜片传输到滤波器，产生滤波作用，从而得到所需频段的电磁波。

图2 双工器的一个带通滤波器

表1 设计要求

根据设计指标，通过HFSS软件分别仿真此双工器的两个不同频带的带通滤波器，设定其模片高度为19.6 mm，优化图2中的参数。表2给出了滤波器的设计参数，图3为双工器仿真设计的S参数曲线图。

表2 双工器设计参数

图3 双工器仿真设计的S参数曲线

根据仿真设计的双工器尺寸进行加工与装配得到双工器实物如图4所示。使用波导同轴转换器将波导双工器与矢量网络分析仪连接后，进行测试，测试结果如图5所示。对比图3与图5可知，仿真与实测结果吻合。

4 结束语

结合HFSS仿真软件设计了一款Ku波段波导型双工器，该双工器的两个带通滤波器均为5阶膜片型滤波器。由于膜片型滤波器大大缩小了双工器的物理尺寸，同时它还具有两个频段端口的隔离度高、频带内具有插入损耗低及Q值高的优点。

[1]李海洋，王清源，张贞鹏.凹形膜片电容加载波导滤波器[C].西安:全国微波毫米波会议，2009.

[2]高秀晓.多模双工器技术[D].成都:电子科技大学，2010.

[3]张本全，王锡良，阮颖铮.Ku波段波导型双工器的研制[J].通信学报，2004，25(3):161-166.

[4]郭桂美.Ka波段波导带通滤波器的仿真设计[J].信息与电子工程，2009，7(3):210-211-217.

[5]马敏，黄健，喻志远，等.E面金属膜片波导滤波器的优化设计[J].电讯技术，2003(1):73-76.

[6]邓向科，何松柏.Ku波段交叉耦合波导滤波器的精确设计[J].现代电子技术，2010，33(5):15-18.

[7]翟博韬，梁昌洪，温海宾，等.宽带波导滤波器的准备设计[C].西安:全国微波毫米波会议，2009.

[8]翟彦芬，王清源，高秀晓，等.矩形双模波导滤波器的设计[C].西安:全国微波毫米波会议，2009.