一种S频段同轴双工器设计

李鸿斌 王晓天 高晓艳 董楠

（北京空间飞行器总体设计部，北京 100094）

1 引言

现代卫星通信中，双工器使收发信号共用一副天线，起到收发信号频分、隔离的作用，是实现双信道实时双向通信的重要器件之一。对于理想的双工器，要求其在输入端的反射系数在双通道上都应该尽可能的低，双工器双通道彼此之间的相互影响很严重，如果仅是将两个滤波器简单地连接起来，大多数情况下其技术指标难以达标，所以，对于绝大多数的双工器来说，它的设计比单个滤波器的设计工作量大，复杂程度高。

目前，国内外滤波器的主要研究方向是设计方法的改进与优化，如R．J．Cameron 提出了用耦合矩阵来综合滤波器的方法［1］；S．Amari给出了耦合矩阵的梯度优化以及具有源和负载耦合滤波器综合的通用迭代技术［2-3］；此外，关于双通带和多通带滤波器的综合理论也成为研究热点［4-5］；G．Macchiarella等人提出的公共腔结构的双工器结构及其综合方法［6］，为双工器的设计提供新的选择。国内对于滤波器的研究起步较晚，进入21世纪后，已成为研究热点，但主要以高校研究为主，如华中科技大学的梁飞，西安电子科技大学的李刚等人在微波滤波器、双工器研制上做出了一些探索并取得了一系列成果［7-10］。然而，传统的双工器设计策略往往需要大量复杂的公式计算和繁琐的曲线查找，首先需要单独设计各个通道的滤波器，然后通过优化接头处的电长度来补偿各个通路的相互影响。由于要对整个双工器模型进行全波仿真优化，计算过程十分复杂，耗时长且得不到好的结果。在通带相隔很近的情况下，各个通路相互影响严重，其原因是在滤波器设计过程中没有考虑到其他滤波器通路的影响。

近年来，商用微波电路仿真、优化软件和电磁分析软件迅速发展，通过这些软件可建立起多种电路模型和实物模型进行协调仿真设计。本文就是利用电路仿真与腔体模型仿真协同设计了一种双工器，首先应用电路仿真软件ADS优化获得腔体间的耦合系数及品质因数；然后应用微波仿真软件HFSS对双工器单腔模型、腔体耦合及T 型头电参数等进行优化，获得最佳频响特性下的耦合系数和外界品质因数；最后将所有电参数转化为可实现的物理结构尺寸。通过加工实物实测，验证了该方法的可行性。

2 等效电路仿真设计

2．1 S频段同轴腔带通滤波器设计

本文根据某卫星参数设计需求，设计的星载S频段同轴双工器指标如下：接收通道工作频带为2．018～2．120GHz；发射通道工作频带为2．200～2．302GHz；两通道收发隔离度≥90dB，通带插损≤1．5dB，驻波≤1．5。

首先考虑到星载大功率条件及可靠性要求，确定该双工器采用全金属同轴腔体滤波器结构，同轴腔滤波器结构功率容量大［9］，且为全金属结构可靠性高，滤波器的拓扑结构采用传输零点都在无穷远处的普通耦合拓扑结构，降低微放电风险。考虑插损及星载热环境因素适当放宽通带带宽，设计带宽较指标带宽上下频点拓宽约±4 MHz。根据腔体滤波器阶数计算公式［10］，阻带衰减指标隔离度要求≥90dB，最终选择阶数为10阶的同轴腔体滤波器方案。图1是低通滤波器原型图，为电感与电容的组合电路，通过切比雪夫低通滤波器原型表［11］查得低通电路基本元件数值gi（i＝0，1，2…10），再根据式（1）、（2）［11］计算出归一化耦合系数Kij和外界品质因数Qe。

式中：f0为通带中心频点；Δf为通带带宽；gj为低通电路基本元件数值。

至此计算出所有带通滤波器的电参数，使用电路仿真软件ADS进行等效电路建模，将电参数代入图2所示等效电路模型中进行优化，图2中L1为等效电感值，C1为等效电容值，L1＝C1＝，K12、K23、K34、K45、K56为归一化耦合系数。通过优化计算，接收和发射通道的ADS软件仿真结果如图3、图4所示（图中红色线代表插损和频率曲线，蓝色线代表回波损耗和频率曲线）。

图1 低通滤波器电路模型Fig．1 Lowpass filter circuit model

图2 等效电路仿真模型Fig．2 Equivalent circuit model

图3 接收通道性能仿真结果Fig．3 Simulated performance of receiving channel

图4 发射通道性能仿真结果Fig．4 Simulated performance of transmitting channel

2．2 S频段同轴双工器设计

将2．1节所得的两个带通滤波器等效电路输入端并接，构成三端口微波网络，即双工器的等效电路。先对等效电路设定优化目标：两个通带内回波损耗大于20dB，各自的阻带衰减大于90dB。结合双工器实际，选择关键参数进行初始优化：从等效电路可知，两个带通滤波器并接后，T 型接头参数对原单个带通滤波器在各自通带内的输入导纳或阻抗影响，使其导纳或阻抗值不为实数，对第一级谐振回路参数影响很大，从而影响双工器各自通带内的频响特性，对后续谐振回路参数影响很小，所以选择构成T 型头的两端传输线的特性阻抗参数进行优化。最终的双工器频响特性仿真结果及通道隔离度仿真结果如图5、图6所示。

图5 双工器频响特性曲线Fig．5 Frequency response curves of the diplexer

图6 双工器通道隔离度仿真曲线Fig．6 Simulated channel isolation curve of the diplexer

3 腔体模型仿真设计

3．1 单个同轴谐振腔设计

根据2．1节插损指标≤1．5dB，由无载品质因数计算公式［12］，求得无载品质因数Qu为2000 以上。为使同轴腔工作于TEM 模，避免高次模的破坏，内外导体半径之和须满足下式［12］：

式中：r为内导体半径；L为单腔边长。选取内导体r半径为6mm，单腔边长L为30mm，满足式（3）要求，经过单腔本征模仿真计算，该尺寸腔体无载品质因数Qu为8000以上。

3．2 同轴谐振腔级间耦合设计

为得到较大的耦合系数，耦合方式选取耦合窗及腔体级联方式进行耦合，腔体间耦合仿真模型如图7所示。采用双腔本征模法，经HFSS软件仿真，耦合系数与耦合窗宽度对应曲线如图8所示。

图7 腔体耦合仿真模型Fig．7 Cavity-coupling simulation model

图8 腔体耦合仿真结果Fig．8 Simulated curves of cavity-coupling coefficients

图8给出了腔体耦合窗与耦合系数的对应关系，根据2．2节ADS软件仿真得出的耦合系数求得对应的耦合窗物理参数如下。

接收通道：耦合系数k1，2＝k9，10＝0．052，对应的耦合窗宽为21．4 mm；耦 合 系 数k2，3＝k8，9＝0．035，对应的耦合窗宽为15．1mm；耦合系数k3，4＝k7，8＝0．032，对应的耦合窗宽为14．1mm；耦合系数k4，5＝k6，7＝0．030 5，对应的耦合窗宽为13．44mm；耦合系数k5，6＝0．030 3，对应的耦合窗宽为13．42mm。

发射通道：耦合系数k1，2＝k9，10＝0．048，对应的耦合窗宽为19．8 mm；耦 合 系 数k2，3＝k8，9＝0．033 5，对应的耦合窗宽为14．6 mm；耦合系数k3，4＝k7，8＝0．030 2，对应的耦合窗宽为13．41mm；耦合系数k4，5＝k6，7＝0．029，对应的耦合窗宽为13．0mm；耦合系数k5，6＝0．029，对应的耦合窗宽为13．0mm。

3．3 非公共端输出耦合设计

非公共端输出耦合采用S11单终端法［12］，根据2．2节电路仿真优化，得出发射通道的外界品质因数Qe目标值为16．77；接收通道的外界品质因数Qe目标值为15．42。非公共端输出耦合接收通道和发射通道的外界品质因数仿真结果如图9、图10所示，得出接收和发射的通道输出端抽头位置与谐振短路端距离分别为10．2mm 和8．8mm。

图9 接收通道外界品质因数仿真结果Fig．9 Simulated external Qeof receiving channel

图10 发射通道外界品质因数仿真结果Fig．10 Simulated external Qeof transmitting channel

3．4 公共端T型头输入耦合设计

同轴腔双工器公共端T 型头即输入端口设计与非公共端输出耦合设计不同，公共端耦合同时连接接收通道和发射通道，由于同时连接两个通道，因此两个通道之间势必会互相影响，具体仿真模型如图11所示。

图11 公共端T 型头输入耦合仿真模型Fig．11 T-joints input couple simulation model

本文采用外界品质因数拟合法快速获取T 型头的结构尺寸，具体如下：首先利用2．2节电路仿真所获得的T 型头外界品质因数作为目标值，使用腔体仿真模型，设定T 型头高度为变量，利用HFSS软件计算出物理模型的外界品质因数作为实际值与目标值比较，若差异较大则修改变量，直到实际值与目标值相近为止。

经过优化仿真，外界品质因数仿真结果如图12所示。接收和发射的通道中心频率对应外界品质因数Qe分别为15．17和17．44，与目标值接近。此时，公共端T 型头与接收和发射通道第一个谐振柱短路端距离分别为20．0mm 和14．0mm。

图12 T 型头外界品质因数仿真结果Fig．12 Simulated external Qeof T-joints

4 试验结果

按照上述设计方法制作双工器，外形尺寸为210mm×38 mm×140 mm，如图13所示，仅需对调谐螺钉进行微调就可取得较好性能。实测结果如图14、图15所示。测试结果表明，星载S频段同轴双工器插损≤0．75dB，带内驻波≤1．32，通道隔离度＞95dB，满足设计要求。

图13 双工器实物照片Fig．13 Photo of the diplexer

图14 接收通道实测曲线Fig．14 Testing curves of receiving channel

图15 发射通道实测曲线Fig．15 Testing curves of transmitting channel

5 结束语

本文针对传统双工器设计过程全尺寸建模仿真的复杂性及设计过程中未考虑公共端接头互相影响等缺点，采用等效电路与腔体模型协同仿真进行快速双工器设计，并加工实物进行验证，实测结果表明：设计的星载S频段同轴双工器通带插损、驻波及隔离度满足设计要求，同时该双工器功率容量大，结构可靠性高，已通过星载环境试验的考核，成功应用于多颗卫星上。本文所述方法可以应用于其他频段同轴双工器的设计。

（References）

［1］R J Cameron．General coupling matric synthesis methods for chebyshev filtering function［J］．IEEE Translated MTT，1999，47（4）：433-442

［2］S Amari．Synthesis of cross-coupled resonator filters using all analytical gradient based optimization technique［J］．IEEE Translated MTT，2000，48（9）：1559-1564

［3］S Amari，U Rosenberg，J Bornemann．Adaptive synthesis and design of resonator filters with source／loadmultiresonator coupling［J］．IEEE Translated MTT，2002，50（8）：1969-1978

［4］G Macchiarella，S Tamiazzo．Design techniques for dual-passband filters［J］．IEEE Translated MTT，2005，53（11）：3265-3271

［5］T Ohno，K Wada，O Hashimoto．Design methodologies of planar duplexers and triplexes by manipulating attenuation poles［J］．IEEE Translated MTT，2005，53（6）：2088-2095

［6］G Macchiarella，S Tamiazzo．Novel approach to the synthesis of microwave diplexers［J］．IEEE Translated MTT，2006，54（12）：4281-4290

［7］梁飞，吕文中，汪小红，等．1／4波长同轴型微波介质滤波器的设计与仿真［J］．华中科技大学学报，2004，32（4）：93-95 Liang Fei，Lyu Wenzhong，Wang Xiaohong，et al．The design 1／4λcoaxial microwave dielectric and its simulation filter［J］．Journal Huazhong University of Science＆Technology，2004，32（4）：93-95（in Chinese）

［8］李刚，雷继兆，梁昌洪．一种新的三工器设计方法［J］．西安电子科技大学学报，2010，37（1）：91-95 Li Gang，Lei Jizhao，Liang Changhong．Design method for the triplex based on polynomial synthesis［J］．Journal of Xidian University，2010，37（1）：91-95（in Chinese）

［9］曹良足．对大功率滤波器的设计与分析［J］．现代雷达，2010，32（3）：84-87 Cao Liangzu．Design and analysis of high power microwave bandpass filter［J］．Modern Radar，2010，32（3）：84-87（in Chinese）

［10］马军昌，魏文珍．腔体滤波器的频率计算［J］．通信技术，2011，44（7）：141-143 Ma Junchang，Wei Wenzhen．Frequency calculation of cavity filter［J］．Communications Technology，2011，44（7）：141-143（in Chinese）

［11］JiaSheng Hong，M J Lancaster．Microstrip filters for rf／microwave application［M］．New York：A Wiley-interscience Publication，2001

［12］孙建．同轴型微波介质滤波器的设计与仿真［D］．武汉：华中科技大学，2005 Sun Jian．Design and simulation of microwave dielectric ceramic filter［D］．Wu’han：Huazhong University of Science ＆Technology，2005（in Chinese）