H面波导双工器的工程设计

  摘要：介绍了一种简便实用的矩形的工程设计方法。针对在宽频带跨度矩形设计过程中，有可能会出现的低频通道高次模落入高频通道的问题，提出了预加载的解决办法。针对双工器的总体优化方法和步骤。文章的双工器设计实例中心频率分别为21GHz和29.5GHz，带宽均为300MHz，通带内隔离分别小于-120dB和-65dB。

  微波双工器是用来把一个信号频谱分开成为两个频率范围的微波器件。它是微波网络中的关键器件，在毫米波通信、卫星通信、雷达、电子对抗等领域都存在广泛的应用。波导型双工器是微波双工器的一个很重要的分支。它具有损耗小、体积小、隔离度高和一体化程度高的特点。因此在工程上得到了广泛的应用。

  波导双工器的设计方法很多，但这一些方法的设计过程都相对来说还是比较复杂，因此这在增加了设计人员的工作难度的同时，也增加了设计周期。为此本文介绍了一种较为简便的双工器设计方法。同时，针对在双工器设计过程中常会遇到双工器的两个工作频段跨度大，工作在低频段的波导滤波器的高次模会落入高频通带内的问题，本文给出了工程解决办法。针对双工器的两个工作频段跨度大的问题，提出了新型的T形头结构。同时宽频带波导同轴转换器作为波导双工器配套应用的一部分，本文也做了简要的介绍。

  本文设计的双工器如图1所示，双工器主要由同轴波导变换、T形头、滤波器I、滤波器II、同轴波导变换I和同轴波导变换II组成。其中滤波器I和滤波器 II通过频率选择两个不同的通带的频率信号。滤波器I中心频率29.5GHz，带宽300MHz;滤波器II中心频率21GHZ，带宽300MHz，两滤波器通过T形头连接起来。同轴波导变换实现信号传输形式的转换。

  关于波导滤波器的设计，在此介绍一种简单实用的设计方法，运用这种方法设计波导滤波器可分为两步。

  图2给出了波导滤波器的电结构拓扑图，波导滤波器是由波导段和K变换器组成的。在确定滤波器的级数和逼近函数之后，就能够最终靠式子(1)-(3)计算出K 变换器的耦合系数K，再通过式子(4)能得出K变换器的S21参数值，这样就能够最终靠软件仿真的方法得出波导滤波器中耦合膜片的宽度。

  两个膜片之间的一节波导为谐振腔，通过a)得出的膜片宽度。接下来调节谐振腔的长度，使谐振腔谐振在中心频率，就确定了谐振腔的长度。

  本文举例的双工器，低频滤波器谐振腔的二次谐波刚好落在高频通带内，能够使用调谐杆预加载的方法，即在滤波器设计过程中，为谐振腔加载调谐螺钉，使二次谐波向高频方向偏移，并且远离高频通带。因此本文在设计滤波器的过程中，已经将调谐杆预加载的性能考虑在内。

  T形头在工程上能够使用较为成熟的形式，如图3(a)所示，但是本文的双工器覆盖频带较宽，因此就需要对T形头进一步进行结构优化。优化结果如图3(b)所示，能够准确的看出分别在T形头的分口单边和总口两边对称位置添加了电感膜片。改进后的T形头的总口S11参数性能如图4所示，满足双工器的设计需求。

  如图1所示，双工器的同轴波导变换一共有三个，通常在工程应用中只设计一种，这一同轴变换性能要覆盖所有工作频带。本文采用阶梯式同轴波导变换结构，如图 5所示，其中填充部分为三阶阶梯状金属匹配块，阶梯状金属匹配块与外界同轴连接器相连接。同轴波导变换性能在图6中给出，其S11参数在工作频带内都小于 -26dB。

  在完成同轴波导变换、T形头、滤波器I、滤波器II的设计之后需要对双工器进行总体优化，优化的步骤和方法如下。

  a)优化滤波器I、滤波器II与T形头的间距。将滤波器I和滤波器II带入到T形头两侧联合设计，通过调节两滤波器与T形头的间距来使滤波器的驻波达到最优。

  b)优化滤波器I、滤波器II的靠近T形头一侧的膜片宽度。以滤波器设计原型数据为依据，将滤波器I、滤波器II的第一级膜片带入到T形头两侧联合设计，直到设计参数达到滤波器原型数据参数为止。

  c)优化滤波器I、滤波器II的靠近T形头一侧的第级谐振腔长度。以滤波器设计原型数据为依据，将滤波器I、滤波器Ⅱ的第一级谐振腔带入到T形头两侧联合设计，直到设计参数达到滤波器原型数据参数为止。

  经过以上优化就能确定双工器的最终尺寸，双工器的最终三维结构图如图7所示。

  双工器的性能在图8中给出。在低工作频段，双工器驻波小于1.2，抑制大于-120dB;在高工作频段，双工器驻波小于1.5，抑制大于-65dB。

  本文介绍了一种简便实用的矩形波导双工器工程设计方法，并给出了设计实例。在设计过程中，针对两工作频带相距较远的双工器，提出了预加载的方法，通过这种办法能够有效地控制滤波器二次谐波的位置。另外，还提出了具有宽频带特性的T形头结构和同轴波导变换结构。