C波段SIR双工器小型化研究＊

沈洪明

（华中科技大学 武汉 430074）

1 引言

双工器或者多工器是一种广泛应用于无线电接收机的重要微波器件。在双工无线通信中采用频分多工系统，发射信号和接收信号的频带是分开的，从而要求双工器区分开发射波和接收波而使发射器和接收器共享一个天线［1］。因此，微波双工器是用来完成现代无线多频多服务收发系统共用一个天线的一个至关重要的部件，其性能的优劣会直接影响到整个射频前端的工作性能。双工器是一种多端口微波器件，可以通过一个低通滤波器和一个高通滤波器并联或两个带通滤波器并联构成［2～3］。一般的双工器是由发射端滤波器，接收端滤波器和结合电路组成。

现代无线通信系统要求双工器具有重量轻、体积小、高阻带抑制和高隔离度的特性。SIR滤波器具有结构简单与电学特性可调的特点，被广泛地应用于微波元件的设计［4］。本文采用了一种结构紧凑的改进型SIR谐振器—多边形SIR。相比于传统的平行耦合微带电路，基于多边形SIR结构的微带电路所需的尺寸大幅较小。基于此，本文使用软件HFSS设计了通频带为3.7～4.2GHz和5.925～6.425 GHz的双工器。

2 多边形SIR滤波器

阶跃阻抗滤波器（SIR），是由两个或者两个以上具有不同特性阻抗的传输线组合而成的谐振器［5～6］。而多边形SIR谐振器是由多条传输线通过中心点连接而成，其中一条传输线端口接地，其它传输线端口开路。图1（a）是微带形式的多边形SIR谐振结构。N表示开路传输线的个数。所有的传输线都采用相同宽度，因此其电路特性等效于阻抗比为N的传统SIR谐振器［7］。等效电路如图1（b）所示。

图1 多边形SIR谐振子及其等效形式

SIR谐振单元的谐振条件可以表述为

其中θ1和θ2分别代表多边形SIR谐振器开路端传输线和短路端传输线的电长度。为了简化计算，我们使θ1＝θ2，由此，谐振单元的总长度即为

其中θ0表示整个电长度。本文采用的滤波器谐振单元如图2（b）所示，由1条短路传输线和3条开路传输线组成。基板选取Rogers4003，介电常数为3.55，厚度h＝0.508mm。采用四阶切比雪夫滤波器低通原型，分别设计了接收通道和发送通道的带通滤波器［8～9］。使用HFSS计算出单个谐振器的频响特性，确定其谐振频率f，使其等于滤波器的中心频率，然后计算两个谐振器耦合时的频响特性，得到两个谐振频率f1和f2，由式（3）可以得到两个谐振器的耦合系数k。

图2 本文所采用的谐振单元

通过改变谐振单元间距离改变其耦合系数k，使其符合滤波器的要求。由此可以得到各个谐振单元之间的距离。最后根据滤波器外部品质因数和第一级谐振单元输入反射的相位变化特性，确定输出抽头的位置。最终得到接收通道滤波器和发送通道滤波器的仿真曲线，分别如图3和图4所示。

图3 中心频率为3.7～4.2GHz的滤波器插入及回波损耗频率响应

图4 中心频率为5.925～6.425GHz的滤波器插入及回波损耗频率响应

多边形SIR滤波器有诸多优点。以通频带为3.7～4.2GHz的接收通道滤波器为例，其谐振单元的横向长度为4.3mm，小于其相应波长的1／10。实验表明，相比于传统的微带平行耦合带通滤波器，该滤波器的面积减小了46%以上。此外，由于多变形SIR谐振单元本身的结构特点，该结构能够方便地用于交叉耦合滤波器的设计。

3 双工器的结构

本文双工器的原理图如图5所示，两个带通滤波器通过一个T型分支线并联。T型节通过1／4波长传输线与两个滤波器连接。使两个滤波器之间变为开路，从而实现隔离。接收通道的带通滤波器串联一段长度为λ2／4（λ2为图5中发送通道带通滤波器的中心频率导波波长）特征阻抗为50Ω的传输线；发送通道的带通滤波器串联一段长度为λ1／4（λ1为图5中接收通道带通滤波器的中心频率导波波长）特征阻抗为50Ω的传输线。由于接头处的阻抗不连续，实际长度会比四分之一波长略短。双工器的结构如图6所示。

图5 双工器示意图

图6 微带双工器电路图

双工器各个通带的插入损耗和回波损耗如图7所示，接收通道滤波器中心频率插损小于1.1dB，通带内回波损耗大于14dB，发送通道中心频率处插损小于1.4dB，通带内回波损耗大于16.5dB。在发送通道的中心频率处，接收通带的带外抑制大于49dB，在接收通道的中心频率处，发送通带的带外抑制远大于70dB。双工器的隔离度如图8所示，大于50dB。

图7 双工器插入及回波损耗频率响应

图8 隔离度仿真结果

4 结语

从仿真结果中我们看到，基于多边型谐振器的多工器，能够有效地减小电路面积，而且保证了良好的隔离度和带外抑制。

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