信道数目可拓展的新型微带多工器设计
2017-04-20陈国强肖玉花
陈国强,何 明,肖玉花
信道数目可拓展的新型微带多工器设计
陈国强,何 明,肖玉花
(南开大学电子信息与光学工程学院,天津 300350)
提出了一种新型结构的多工器,能够任意拓展信道数目,同时具有较小的体积,弥补了传统结构的微带多工器信道数目较小的缺陷。该结构利用一条馈线作为输入端,各信道滤波器通过与该馈线的耦合合并在一起。信道合并时所带来的相互干扰可以通过调节各信道部分参数来弥补,不需要额外的补偿电路,缩减了多工器的尺寸;而且当输入馈线被延长时,可以添加更多的信道。提出了新的多工器综合方法及空间映射法,基于此方法设计并制作了一个微带六工器,中心频率3.97 GHz,各信道均为3阶切比雪夫滤波器,带宽80 MHz,信道间隔100 MHz,实物测试的插入损耗约为3.6 dB,回波损耗约为14 dB。实验结果验证了本文提出的设计方法。
输入馈线;微带线;多工器;可拓展;综合;空间映射;
在当前通信系统中,为了满足多频带和多服务的需求,用于合并和划分信道的多工器的地位日趋重要。其中,小体积、信道数目多、低损耗、高隔离度、通带灵活分布、易于实现等成为多工器的关键技术要求和发展趋势。利用平面微带线制作的器件具有更小的体积、更高的集成度,因此微带结构的多工器成为当前研究的热点。到目前为止,许多学者对微带多工器的设计进行了研究。文献[1-6]中,多工器的个信道滤波器通过具有+1个枝节的匹配网络连接起来,利用匹配网络使多工器在各个信道内阻抗匹配,然而其匹配网络的设计较为复杂,还会大大增加多工器的体积;文献[7-11]中,多工器利用共用的谐振器将各个信道滤波器合并起来,进而缩减多工器的尺寸,但是多工器各个信道的频带需要分布于共用谐振器的谐振频率附近,而且这种结构所能连接的信道滤波器数目较少;在文献[12]中,多工器利用环形枝节结构连接信道滤波器,其信道数目仍受环形枝节结构的限制。在文献[13-14]中,也提出了一些多工器的设计方法,这些方法通过较为复杂的设计来改善多工器性能。总的来说,这些文献中所设计的微带多工器并没有满足多工器的小体积、信道数目多、通带灵活分布的需求。本文提出一种新的结构的多工器,具有结构简单、小体积、信道数目多、通带灵活分布的特点,弥补了传统结构多工器的一些缺陷;同时,提出了改进的多工器综合方法和空间映射法,能够快速、有效地设计多工器。
本文提出的多工器结构如图1所示,多工器的各个信道滤波器是通过与50W的输入馈线的缝隙耦合而合并在一起。延长输入馈线,其两侧就可以放置更多的信道滤波器,进而拓展信道数目。在该结构中,信道合并带来的互扰是通过调谐各信道滤波器的部分参数来弥补的,不需要额外的补偿电路,这样可以缩减多工器尺寸。随着多工器信道数目的增加,仿真设计的难度也大大增加。本文提出了改进的多工器综合方法,同时提出了一种基于空间映射的多工器设计方法,采用这两种方法能够缩短多工器的设计周期,降低设计难度。根据上述方法,本文设计、制作了一个六工器,并进行了测试,验证了论文所提方法的有效性。
图1 六工器版图
1 多工器的综合
多工器结构如图1所示,该多工器含有6个信道,每个信道均为3阶切比雪夫滤波器,各信道分布在输入馈线的两侧并通过与输入馈线的缝隙耦合合并在一起。可以看出,输入馈线可以任意延长,其两侧可以放置更多的信道,因而多工器的信道数目可以拓展。此外,由于信道合并会导致信道之间的互相干扰。为了缩小多工器的体积,该结构不引入额外的补偿电路(如匹配网络、环形枝节等),而是通过对各信道滤波器的参数进行调谐来弥补信道之间的干扰。
六工器的拓扑结构如图2所示。图2中,各个信道是并联合并在一起,白色圆圈表示谐振器,黑色圆点表示端口,虚线表示各信道与端口的耦合,实线表示各信道内谐振器之间的耦合。
图2 六工器的拓扑结构
Macchiarella等[15]提出了一种迭代的方法,用来综合星型结多工器的耦合矩阵。然而,随着多工器信道中总的谐振器数目的增加,该方法需要大量的迭代才能收敛,甚至会出现不收敛的现象。因此,在综合复杂的多工器时,此方法不再适用。
本文提出新的优化方法来综合多工器。步骤归纳如下:
(1)根据多工器的指标(表1所示),将各个信道滤波器的耦合矩阵综合出来,再由耦合矩阵得到各信道滤波器的散射参数,方法如下[16]:
(2)
(2)根据各信道滤波器的散射参数,利用网络理论[17]得到整个多工器的散射参数,并计算出最优频率采样点(如传输零点、反射零点、通带截止频率等)。
表1 多工器六个信道的指标
Tab.1 Specifications of the multiplexer’s six channels
(3)建立合适的目标函数:
(4)选取合适的优化变量。传统优化方法中,都是将步骤(1)所得耦合矩阵中的所有非零元素均作为优化变量。随着多工器中谐振数目的增多,优化变量也越来越多,传统优化方法的优化难度将大大增加。根据相关理论[18],在多工器设计中,信道并联带来的相互干扰可以通过调节各信道滤波器中与前两阶谐振器有关的参数来弥补。因此,本文只将各信道耦合矩阵中与其前两阶谐振器有关的元素作为优化变量,这样就较大程度缩减优化变量、减少优化时间。
(5)选取初始值进行优化。将步骤(2)中得出的值作为初始值,利用梯度优化算法进行优化。
利用上述方法,得到了六工器的各信道耦合矩阵,以及其传输损耗和回波损耗曲线,如图3所示。可以看出,各项指标均得到满足。该优化综合的方法适用于任何类型的多工器的综合。
图3 利用优化方法得到的六工器的响应曲线
2 多工器的设计
接下来,根据基于单端口群延时的主动空间映射法[19],利用全波电磁仿真技术来设计多工器。本文选用Taconic RF35微带板材,其相对介电常数为3.5,损耗角正切为0.0018,介质板厚度为0.76 mm,铜箔厚度约为0.035 mm。
首先,根据六工器的拓扑结构和优化方法提取的耦合矩阵建立六工器的电路模型(即空间映射法中的粗糙模型),如图4中电路所示。由于使用的微带板材是有耗的,而图4中的模型是无耗的,故需要在其中引入损耗。将图4电路中的LC谐振器用RLC谐振器替换。其中,=×u,u为谐振器的无载品质因数,=50W。本文采用半波长微带谐振器来设计多工器,为了缩减多工器尺寸,将半波长微带线反复折叠,其最终结构如图1所示。
图4 六工器的电路模型
通过全波电磁仿真可以确定谐振器的无载品质因数,进而得到值。这样就得到了六工器的有耗电路模型。引入损耗后,六工器的响应曲线如图5所示。图5与图3相比,性能有所恶化,这是因为谐振器的品质因数下降(损耗增加)导致的。
图5 六工器有耗电路模型的响应曲线
本文分两步来设计多工器,(1)利用单端口群时延的方法设计包含输入馈线以及各信道滤波器前两阶谐振器的部分,如图6所示;(2)设计各个信道滤波器。
图6 六工器输入馈线与每个信道滤波器前两阶谐振器组合版图
利用如下的基于群时延的空间映射法设计图6所示部分:
(1)首先在有耗电路模型中选取相应的部分作为粗糙模型,其变量值为:
(5)
其中表示谐振器与馈线或者谐振器与谐振器的距离,表示谐振器的长度。通过全波电磁仿真得到、中对应元素的关系曲线,即()=f(()),=1, 2, 3, …, 24(各有24个元素),()表示矢量中的第个元素,f表示对应的函数关系。在*()附近,可以将f近似为线性关系,可得。根据*可以选取的初始值1,并初始化=1。
文献[19]所采用的空间映射法中,B初始为对角矩阵,且对角元素为1,而上述方法中B的初始值更为准确地包含了和之间的映射关系,能够缩减迭代次数;此外,上述方法在简化计算的同时,也能保证较快的收敛速度。
在得到*后,就完成了前端(图6)的设计。接着,再次使用空间映射法设计各个信道滤波器。最后,将前端和各信道滤波器拼接起来,就可得到最后的六工器版图,如图1所示。版图的尺寸为67 mm120 mm(1.5×2.6,为六工器中心频率对应的微带波长),相较于传统结构的多工器,本设计在容纳了更多的信道的同时具有较小的尺寸。其仿真结果如图7所示。可以看出,设计版图的仿真结果基本上满足了设计指标的要求。
图7 设计版图的仿真结果
为了进一步说明论文提出的结构以及设计方法在多工器信道数目拓展方面的优越性,本文利用相对介电常数为9.75的氧化镁基片,设计了一个具有16个信道的多工器,每个信道滤波器包含四个谐振器。设计版图和仿真结果分别如图8(a)、(b)所示。
(a)
(b)
图8(a) 十六信道多工器设计版图; (b) 十六信道多工器仿真结果
Fig.8 (a) The layout of the multiplexer with sixteen channels;(b) The simulation result of the sixteen-channel multiplexer
3 实物制作与测试
制作的六工器实物如图9所示,用Agilent E5071C矢量网络分析仪对其进行测试,结果如图10所示。各个通带内的插入损耗约为3.6 dB,回波损耗约为14 dB。测试结果与仿真结果较为一致,存在差异的主要原因在于信道滤波器与输入馈线间距较小,而加工精度无法满足要求。测试结果验证了本文所提结构以及设计方法的可行性。
图9 制作的六工器实物图
图10 六工器实物测试结果
4 结论
本文提出了一种信道数目可拓展的新型微带多工器,各个信道通过与50 Ω输入馈线的耦合合并在一起;随着输入馈线的延长,其两侧可以放置更多的信道滤波器,进而拓展多工器的信道数目。其中,信道滤波器之间的干扰可以通过调节信道滤波器的部分参数来弥补,无需额外补偿电路,这样可以缩减多工器体积。此外,本文提出了该多工器的优化综合方法,并提出了一种改进的空间映射方法来设计多工器。基于本文所提出的结构以及相应的设计方法,可以快速设计出具有任意通道数目、通带灵活分布的多工器。
[1] LIN Y S, WANG P C, YOU C W, et al. New designs of bandpass diplexer and switchplexer based on parallel-coupled bandpass filters [J]. IEEE Trans Microwave Theory Tech, 2010, 58(12): 3417-3426.
[2] DENG P H, LAI M I, JENG S K, et al. Design of matching circuits for microstrip triplexers based on stepped-impedance resonators [J]. IEEE Trans Microwave Theory Tech, 2006, 54(12): 4185-4192.
[3] LIN S C, YEH C Y. Design of microstrip triplexer with high isolation based on parallel coupled-line filters using t-shaped short-circuited resonators [J]. IEEE Microwave Wireless Compon Lett, 2015, 25(10): 648-650.
[4] TARAVATI S, KHALAJ AMIRHOSSEINI M. Design method for matching circuits of general multiplexers [J]. IET Microwave Antenna Propagation, 2013, 7(4): 237-244.
[5] DENG P H, HUANG B L, CHEN B L. Designs of microstrip four- and five-channel multiplexers using branch-line-shaped matching circuits [J]. IEEE Trans Compon Packg Manuf Technol, 2015, 5(9): 1331-1338.
[6] HENG Y, GUO X B, CAO B, et al. A narrowband superconducting quadruplexer with high isolation [J]. IEEE Trans Appl Supercond, 2014, 24(2): 1500506.
[7] CHEN C F, HUANG T Y, SHEN T M, et al. A miniaturized microstrip common resonator triplexer without extra matching network [C]// 2006 Asia-Pacific Microwave Conference. New York: IEEE, 2006: 1439-1442.
[8] ZHANG X, HE M, JI L, et al. Compact design of high-temperature superconducting duplexer and triplexer for satellite communications [J]. Supercond Sci Technol, 2012, 25(10): 105005.
[9] ZHANG X, LIU, J P, YAN S L, et al. Miniaturized high-temperature superconducting multiplexer with cascaded quadruplet structure [J]. Supercond Sci Technol, 2015, 28(6): 065016.
[10] CHUANG M L, WU M T. Microstrip multiplexer and switchable diplexer with joint T-shaped resonators [J]. IEEE Microwave Wireless Compon Lett, 2014, 24(5): 309-311.
[11] CHEN C F, SHEN T M, HUANG T Y, et al. Design of multimode net-type resonators and their applications to filters and multiplexers [J]. IEEE Trans Microwave Theory Tech, 2011, 59(4): 848-856.
[12] ZEWANI M, HUNTER I C. Design of ring-manifold microwave multiplexers [C]// 2006 IEEE MTT-S International Microwave Symposium Digest. New York: IEEE, 2006: 689-692.
[13] AKSOY S C, YILDI İ. A multilayered triplexer based on interdigital filter topology with PCB technology [C]// 2015 IEEE MTT-S International Microwave Symposium. New York: IEEE, 2015: 1-4.
[14] OHNO T, WADA K, HASHIMOTO O. Design methodologies of planar duplexers and triplexers by manipulating attenuation poles [J]. IEEE Trans Microwave Theory Tech, 2005, 53(6): 2088-2095.
[15] MACCHIARELLA G, TAMIAZZO S. Synthesis of star-junction multiplexers [J]. IEEE Trans Microwave Theory Tech, 2010, 58(12): 3732-3741.
[16] CAMERON R J. Advanced coupling matrix synthesis techniques for microwave filters [J]. IEEE Trans Microwave Theory Tech, 2003, 51(1): 1-10.
[17] CAMERON R J, KUDSIA C M, MANSOUR R R. Microwave filters for communication systems [M]. Chichester, East Sussex: Wiley-Interscience, 2007: 106-127.
[18] RHODES J D, LEVY R. A generalized multiplexer theory [J]. IEEE Trans Microwave Theory Tech, 1979, 27(2): 99-111.
[19] 葛德勇,张旭,何明,等. 基于单端口群时延优化的高温超导滤波器和四工器设计 [J].电子学报,2013,41(11):2216-2222.
(编辑:陈丰)
Design of a novel microstrip multiplexer with extendable channel
CHEN Guoqiang, HE Ming, XIAO Yuhua
(College of Electronic Information and Optical Engineering, Nankai University, Tianjin 300350, China)
A novel microstrip multiplexer with arbitrary number of channels and small size was proposed, which overcome the conventional multiplexer’s disadvantage of not being able to combine too many channels. The multiplexer consisted of a common input feeder and multiple bandpass filters. Bandpass filters were combined together by coupling with the input feeder. The interaction between channel filters could be compensated by adjusting the parameters of the channel filters. Therefore, no additional compensation circuit was needed for the proposed multiplexer, which led to a lower volume or smaller size than conventional multiplexers. In addition, the length of the input feeder was extensible, making it feasible to design a multiplexer consisting of arbitrary number of channels. With the novel structure, the improved synthesis approach and the improved space mapping technique, a six-channel microstrip multiplexer was designed and fabricated. Its center frequency is 3.97 GHz. And its each channel is a three-order Chebyshev bandpass filter with a bandwidth of 80 MHz. The guard band is 100 MHz. Measurement results show that the return loss is about 14 dB and the insertion loss is about 3.6 dB. The experimental results verify the validity of the proposed method.
input feeder; microstrip line; multiplexer; extensible; synthesis; space mapping
10.14106/j.cnki.1001-2028.2017.04.017
TN61
A
1001-2028(2017)04-0085-06
2017-02-27
陈国强
国家自然科学基金资助(No. 61171028, 61176119, 61471208)
陈国强(1989-),男,河南郑州人,研究生,研究方向为微波器件与超导电子学,E-mail: chenguoqiang@mail.nankai.edu.cn。
网络出版时间:2017-04-11 10:49
http://kns.cnki.net/kcms/detail/51.1241.TN.20170411.1049.017.html