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Ka波段波导双工器的研制

2013-11-26张志鸿邓友富

关键词:谐振腔波导面膜

张志鸿,邓友富

(中国电子科技集团公司第三十六研究所,浙江嘉兴314033)

0 引言

随着社会对信息量需求的不断增加,频谱资源越来越紧张,无线电技术不断地朝着高频段方向发展。目前,毫米波频段的应用越来越广泛。微波双工器作为微波网络中的关键部件之一,广泛地应用于微波毫米波通信、卫星通行、雷达、电子对抗等领域。波导双工器是微波双工器非常重要的分支,具有结构紧凑、插损低、隔离度高等优点[1,2]。本文研制的Ka波段双工器是由E面膜片波导滤波器和H面T型结构共同构成,E面膜片波导滤波器是其重要的组成部分,具有性能优良,设计精度高,容易实现等优点。本文先用等效电路法对E面膜片波导滤波器模型进行分析,再利用HFSS仿真软件对双工器模型进行仿真优化。

1 E面膜片波导滤波器

E面金属膜片滤波器的基本结构(a〉b)如图1所示。E面金属膜片滤波器的形状如图1(a)所示,是由在矩形波导宽边插入的与E面平行的金属膜片和矩形波导共同构成,金属膜片每隔一定长度被挖去一部分,这样的金属膜片每隔一段间距具有一个方形孔,被夹在了波导宽边的正中间,方形孔与波导构成了谐振腔,而未被挖去的膜片则起到了耦合的作用。这样就可以将该结构看作由E面金属膜片的波导与空波导的交替级联,可以等效为一个T型网络。其等效T形电路如图1(b)所示。空波导则可以等效为平行双线,这样由相邻的不含膜片的谐振腔耦合起来的结构就构成了E面膜片波导滤波器[3]。

图1 E面金属膜片滤波器结构

金属膜片滤波器的剖面图如图1(c)所示,膜片关于z=w/2面(即T0面)对称,通过奇偶模分析可以得出,由T0面开路以及短路时从z=0面看入的单口网络归一化输入导纳yoc和ysc与等效网络归一化串联电抗xs和等效网络归一化并联电抗xp之间有如下关系:

式1中,yoc是当T0面短路时,z=0面的归一化输入导纳;相应的,当T0面开路时,z=0面归一化输入导纳的值为ysc;于是只要求出yoc和ysc的值则可以得到xs和xp的值[4]。

分别对图1(c)中的Ⅰ区和Ⅱ区的场量进行分析,可以得到:

式2中,Г1为z=w/2面插入电壁时,TE10模在z=0面的反射系数;Г2为z=w/2面插入磁壁时,TE10模在z=0面的反射系数。Г1和Г2可以通过分析z=0面的入射波和反射波,利用复功率守恒方法求得,从而得出ysc和yoc的值。

2 Ka波段双工器的设计

计算出xs、xp的值,得到整个滤波器的特性[5]。运用滤波器原理结合具体指标则可以确定滤波器的尺寸,再利用HFSS仿真软件进行建模仿真优化,双工器仿真模型以及仿真结果如图2所示。

本设计中双工器是由两个7阶E面膜片波导滤波器和一个H面T型结构共同构成,端口为7.12mm×3.56mm标准波导口。包含一个公共端口,和两个通带端口。在仿真过程中,先分别对T型结构和E面膜片波导滤波器进行仿真优化,再对整个双工器进行仿真优化,节约优化时间。由于E面波导滤波器是对称结构,加上对其性能影响最大的是首尾两级谐振腔,因此模型优化主要针对的首尾两级谐振腔。运用HFSS仿真软件优化后结果如图2(b)、(c)所示,在两个通带内,插入损耗都不超过0.5dB,回波损耗都在20dB以上,带间隔离度达到了120dB以上。

图2 TR组件的双工器

3 双工器的研制与测试

在仿真数据的基础上,对双工器模型进行加工制作,采用金属铝加工,为了方便加工,先在铝块上铣出双工器的结构,然后再添加盖板,双工器的加工实物与测试结果如图3所示,图3(a)为双工器的加工实物。结合Ka波段的特点,对加工精度要求较高,所以在实际的加工中,需要加入调谐螺钉,以便在出现加工误差的情况下可以对双工器的性能进行调整。在滤波器每一个谐振腔中都加入两颗调谐螺钉,通过调节调谐螺钉伸入滤波器谐振腔的长度改变滤波器的性能,两颗调谐螺钉,一颗改变容值,一颗改变感值。

图3 双工器的制作

经过调试,最终的测试数据如图3(b)、(c)所示,在通带内插损不超过1.5dB,带间隔离度达到了80dB以上,与仿真结果相比,虽然通带内平坦度变差,插入损耗更大,不过仿真结果与实际测试结果相差不大,曲线也基本吻合。仿真结果和实测结果存在着误差,误差可能形成的原因如下:(1)因为频段较高,加工的精度以及后续腔体的处理不当,都会给性能带来较大的影响;(2)仿真软件的计算结果和实际情况也存在一定的误差;(3)在测试过程中也可能因为操作的原因带来一定的误差。通过对上述3个问题进行分析对比,因为加入了调谐螺钉,仿真软件带来的误差可以通过调整调谐螺钉加以改善,而经过多次测量,则可以减少测试过程中操作不当带来的误差影响,因此可能造成这种情况的原因是加工的腔体表面不光滑,表面有尖刺或突出物,从而对器件的性能产生了影响,带来了误差。

4 结束语

本设计先分析E面膜片波导滤波器的等效电路,利用等效电路确定滤波器的特性,然后根据滤波器的原理和设计指标确定各参数尺寸,再运用HFSS仿真软件进行仿真建模,最终研制出一款结构简单、加工方便、性能优越的Ka波段波导双工器,通过测试,双工器的实测结果与仿真结果基本吻合,在端口隔离度方面具有出色的性能,在插入损耗方面可以满足工程实际需要。

[1] 李海洋,王清源,张贞鹏.凹形膜片电容加载波导滤波器[J].微波学报,2009,15(3):207-211.

[2] 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(2):161-166.

[3] 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):210-217.

[4] 丁华.毫米波双工器的研制[D].南京:南京理工大学,2002.

[5] 马敏.E面金属膜片波导滤波器的研究[D].成都:电子科技大学,2003.

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