一种宽频带毫米波微带双工器的研制

李亚丽+戈江娜+于明红

摘 要： 介绍了一种宽频带毫米波微带双工器，该双工器通过一个低通滤波器和一个高通滤波器并联构成，具有工作频率高、工作频带宽、体积小、插损低等特点，通带频率为 8～18 GHz和34～36 GHz，带内插损在8～18 GHz小于1 dB，34～36 GHz小于1.8 dB，隔离度在34～36 GHz 大于30 dB，在8～18 GHz大于10 dB，由于双工器两频带相距较远，应用时两频段之间器件隔离较好，因此低的隔离度不影响双工器的实际应用。

关键词： 宽频带； 毫米波； 滤波器； 微带双工器

中图分类号： TN925?34； TN713 文献标识码： A 文章编号： 1004?373X（2015）16?0103?03

Development of wide band millimeter wave microstrip diplexer

LI Yali， GE Jiangna， YU Minghong

（The 13th Research Institute， CETC， Shijiazhuang 050051， China）

Abstract： A kind of wideband millimeter wave microstrip diplexer is introduced， which is made up of parallel connection of a low pass filter and a high pass filter， and has high working frequency， broad working band， low insertion loss and small volume. The pass band of the diplexer is 8～18 GHz and 34～36 GHz. Its insertion loss is less than 1 dB in 8～18 GHz and 1.8 dB in 34～36 GHz. Its isolation is just more than 30 dB in 34～36 GHz and 10 dB in 8～18 GHz. Because of the high isolation between the two pass bands of the devices， the diplexer can satisfy the requirement of the application.

Keywords： wide band； millimeter wave； filter； microstrip diplexer

双工器是应用于无线通信领域的重要微波器件，频段双工器能够实现一副天线2个频段共用，2个频段之间互不影响[1]。随着通信领域向更高频段的发展，对双工器也提出了更高频率的要求，本文介绍了一种宽频带毫米波微带双工器的研制，工作频带为8～18 GHz和34～36 GHz，微带双工器与其他种类双工器比较，具有基板选材多样化，制作方便灵活，体积小易集成等方面的特点，能够满足小型化的应用要求[2?5]。本文介绍的双工器通过一个低通滤波器和一个高通滤波器并联构成[1]，滤波器采用最平坦低通滤波器原型，双工器通过HFSS仿真软件进行仿真优化，最终实现满足应用要求的宽频带毫米波微带双工器。

1 设计原理

本文低通滤波器原型采用最平坦低通原型，最平坦响应如图1所示，LAr是通带最大衰减，ω1′是带边频率，ω′≤ω1′为滤波器的通带，ω′≥ω1′为滤波器的阻带。最平坦响应的数学表示式为（单位：dB）：

[LAω′=10lg1+?ω′ω1′2n] （1）

式中：[?=10LAr10-1]。

由于式（1）中括号内的量，在ω′=0处，其2n-1阶导数都为零，故称为最平坦响应。式（1）中的[?]由带边ω1′上的衰减LAr的大小来决定。低通滤波器原型电路中的电抗元件数目n可通过最平坦低通原型的阻带衰减特性来进行估计。

图1 最平坦响应

最平坦低通原型的集总元件电路图如图2所示，它是个LC梯形网络，两端各接纯电阻负载，图2（a）与图2（b）互为对偶电路。电路中各元件值g0，g1，g2，…，gn，gn+1，是用现代网络综合法得出来的。当LAr=3 dB时，这些归一元件值为：

[g0=gn+1=1 gk=2sin2k-1π2n ，k=1，2，…，n] （2）

式中：n是图2电路中的电抗元件数目。n=1～8的归一元件值可以通过表直接查得元件值，不需要通过式（2）来计算[3]。

图2 低通原型电路结构

在用微带线实现滤波器时，有集总元件法、高、低阻抗法和开路、短路短截线法，本文中采用开路、短路短截线法，图3为采用开路、短路短截线法实现LC梯型网络。

图3 用开路、短路短截线实现梯型网络

梯形网络的并联电容，用2个相同的并联开路短截线来模拟，设此短截线的特性导纳为Yn，则其呈现的并联电容是：[Cn=2YnωItg2πlnλen]，式中ln是短截线的长度，[λen]是此短截线的微带波长。对于梯型网络中的串联电感，可用一段细的短截线来模拟，并将此短截线近似看成短路。设此短路短截线的长度为ln，特性阻抗为Zn，则其电感是[3][Ln=ZnωItg2πlnλen]。

2 微带双工器的设计

双工器是一种三端口微波器件，本文介绍的双工器通过一个低通滤波器和一个高通滤波器并联构成，高通滤波器通过频率变换实现，双工器的设计主要是考虑不同端口之间的匹配，本文中的双工器通过T型分支线将低通滤波器和高通滤波器并联起来，以减小滤波器之间的相互影响[3?4]， 运用滤波器原理结合双工器具体指标，通过开路、短路短截线法求得双工器具体微带尺寸[3，6]，再通过HFSS仿真软件进行建模优化仿真，双工器S参数仿真结果如图4（a）所示。从结果可以看出，在8～18 GHz和34～36 GHz两个通带的插损分别小于0.3 dB和小于2.7 dB，两个通带内的回波损耗在10 dB左右，两个频带间隔离度优于25 dB。微带图形仿真结果如图4（b）所示，尺寸仅为13 mm×15 mm。

图4 双工器仿真结果

3 微带双工器的研制与测试分析

根据仿真结果，采用RT5880基板（厚度为0.254 mm），进行了双工器样品的制备，样品实物如图5所示，利用Agilent E8363B型矢量网络分析仪对制备样品进行了测试，测试结果如图6所示。

图5 样品实物图

图6 测试结果

由测试结果可以看出， 双工器的插入损耗都比较小，在8～18 GHz，带内插损小于1 dB，在34～36 GHz，插损小于1.8 dB，优于仿真结果；回波损耗与仿真结果吻合，通带内在10 dB左右，在隔离度方面，毫米波频段与仿真结果一致， 在8～18 GHz隔离度稍差，最小只有10 dB，造成隔离度较低的原因可能是在高通滤波器设计时侧重了低插损的考虑，对高通滤波器中的串联电容进行了调整，因此在34～36 GHz的插损得到改善的同时，削弱了对低频段的抑制，但在实际工作中，由于双工器两个频带相距较远，两通带中所用器件之间隔离较好，因此隔离度指标不影响双工器在实际中的应用。另外，仿真结果与实测结果存在差异的一些其他原因：一是双工器工作到毫米波频段，频率较高，微带线的加工精度会对双工器的特性起一定的影响；再是软件仿真结果与实际研制结果也会存在一定的差异。

4 结 语

本文根据微带滤波器设计原理，设计出宽频带毫米波微带双工器，该双工器通过HFSS软件仿真优化，进行了样品的制备，样品测试结果与仿真结果基本吻合，该双工器具有工作频率高、工作频带宽、体积小、插损低的优点，虽然在低频段出现隔离度稍差的情况，但由于两个工作频段相距较远，不影响双工器在实际当中的应用。

参考文献

[1] 顾瑞龙，沈民谊，黎滨洪，等.微波技术与天线[M].北京：国防工业出版社，1980.

[2] 许悦，王胜福，鲁国林，等.一种新型超宽带小型化U型微带滤波器[J].半导体技术，2012，37（4）：291?311.

[3] 吴万春.集成固体微波电路[M].北京：国防工业出版社，1981.

[4] 杨毅，羊恺.连续通道微带双工器仿真研究[J].现代电子技术，2011，34（6）：179?184.

[5] 曹海林，陈世勇，杨士中.一种微带开路环双工器的设计[J].重庆邮电学院学报，2006，18（1）：26?29.

[6] 黄晓东，金秀华，程崇虎.基于短路/开路枝节线的小型化超宽带滤波器[J].南京邮电大学学报，2013，33（6）：24?28.