1、引言

雙工器在微波中繼通信、微波通信、雷達、電子對抗及微波測量儀表中都得到極其廣泛的應用。膜片波導濾波器具有體積小，損耗低，Q值高等優點,因此受到關注，與傳統使用的雙工器相比，波導型雙工器省掉了環行器，故而結構緊湊，一體化程度高。此外波導型雙工器還具有隔離性好的優點，因此受到普遍關注。目前國內一般采用等效電路法設計波導型雙器。等效電路法是一種近似的方法，利用該法設計的雙工器綜合精度低，很難滿足高性能、高指標要求的場合。近年來，將高精度的模式匹配法等技術應用于波導無源器件中，得到了所設計器件的實測值與電磁仿真軟件綜合優化值相當吻合的優良結果。

2、雙工器設計理論

圖1為雙工器結構圖，角孔式膜片作為諧振腔，而四分之一波長波導作為耦合器。我們在知道設計指標的情況下，可以根據經典微波理認來求得角孔膜片的大小。

　　圖1 FSS濾波器模型

濾波器模型設計所需要的參數，諧振頻率f0，有載品質因數Qi。對應于集總參數電路的關系由(1)和(2)式給出：

(1)

(2)

　　圖2所示，據經典微波理論和等效電路法，便可以初步設計濾波器及雙工器。

　　圖2 FSS濾波器模型的集總參數等效電路

3、短路支節技術

工程中對雙工器的指標要求越來越高，有時會要-100dB的隔離度。顯然，運用傳統的腔體濾波技術難以設計出體積小，隔離度高的雙工器。

在結構模型(圖1)的基礎上運用短路支節技術，可以設計出體積小，性能良好的雙工器。以兩個FSS膜片和一個短路支節作為一個單元來研究它的特性。通過改變短路支節的寬度、高度和長度可以控制零點的位置。如圖3所示，是將零點控制在低端的一個單元結構。隨著短路支節的寬度/長度的減小，傳輸零點往頻率高的位置移動，如圖4所示。圖3和圖4所示結構對應的尺寸如表格1所示。

　　圖3 帶短路支節的單元結構一

　　圖4 帶短路支節的的單元結構二

4、雙工器設計

本文以一個X波段的波導型雙工器為例，說明雙工器的設計方法。雙工器的具體技術指標如下：

通帶1：中心頻率為8.307GHz，帶寬60 MHz， 通帶內反射系數小于18dB;

通帶2：中心頻率為8.426GHz，帶寬60 MHz， 通帶內反射系數小于18dB。

隔離度(中心頻點)大于90dB;體積小于20×15×5cm3。

設計采用FSS諧振腔和短路支節技術，圖5所示。雙工器的設計步驟可分為四個步驟：

　　(1)根據所述設計理論優化設計好兩個帶通濾波器的參數，包括膜片間距參數和FSS的參數;

　　(2)根據波導-同軸轉換接頭理論分別設計好兩濾波器的輸出結構;

　　(3)根據要求選擇合適的輸入結構，本例子采用的是標準波導E面底部輸入;

　　(4)然后將以上三個部分連接在一起，上面設計過程中得到的參數作為已知值，再優化雙工器的尺寸參數。

此種雙工器的仿真體積僅為10×7×2.1 cm3。圖5為雙工器的電磁仿真結果，可知，仿真結果滿足設計指標。

表1  濾波器單元結構設計參數

5、工程實現及測試結果

按上述設計方法，我們設計、加工了同標的雙工器，由于所述雙工器級數較多，且尺寸很小，器件的實際制作調試具有相當的困難。如圖7所示，用HP8320B矢網進行測試，實測結果中包含了兩個SMA的插損和反射損耗，最終實現的FSS雙工器可達到如下指標：

　　通帶1：中心頻率為8.31GHz，帶寬60 MHz， 通帶內反射系數小于20dB，通帶內插損小于3dB;

　　通帶2：中心頻率為8.436GHz，帶寬60 MHz， 通帶內反射系數小于18dB，通帶內插損小于2.9dB;

　　隔離度(中心頻點)大于100dB。

由測試結果與仿真結果基本吻合，通帶2的中心頻率有10 MHz的上移。濾波器級數較多難以調試，和加工誤差是引起不完全吻合的主要原因。

　　圖5 FSS雙工器仿真結果

　　圖6 雙工器測試結果

6、結論

本文介紹了一種帶短路支節的FSS雙工器的設計方法，用兩個FSS膜片和一個短路支節作為雙工器的單元結構。并設計、加工了一雙工器，結果表明此種方法所設計的雙工器具有體積小，設計靈活的優點。這種方法同樣適用于濾波器的設計。