吴士杰
【摘 要】设计了一种可以为不同阵列天线系统进行合路的微带三频合路器.它由分布式输入耦合线、输出馈线、谐振器和同频合路器组成.该合路器不需要匹配电路,因此可以减小尺寸,实现小型化需求.微带型谐振器因为会产生谐波,所以将微带谐振器放在输入输出馈线的合适位置以抑制谐波响应,从而提高合路器的隔离度. 【期刊名称】《电子与封装》
【年(卷),期】医疗器械销售模式2019(019)005
【总页数】6页(P22-26,30)
【关键词】合路器;匹配;谐振器;谐波响应
【作 者】吴士杰上海冷气机厂
【作者单位】溶解度参数中国电子科技集团公司第五十八研究所,江苏无锡214072
【正文语种】中 文
【中图分类】TN402
1 引言
合路器是现代通信系统收发信机中的关键组成部分，它的性能好坏直接关系着整个通信系统的性能。传统的微带合路器[1]都是由带通滤波器[2]和匹配电路组成的，然而对于多频微带合路器来说，匹配电路的设计将变得尤为复杂[3-4]，且匹配电路的存在也增加了合路器的尺寸。对于合路器的隔离度，一般是通过增加滤波器的阶数来提高滤波器的通带外抑制。但是增加滤波器的阶数，同样会增加合路器的尺寸。因此，小型化、高隔离度等性能指标成为合路器研究的重要内容。
2 带通滤波器的设计
微带带通滤波器的实现方式有多种，有平行耦合式、发夹式、交指式、开口环谐振器式等[5-6]。其中，开口环谐振器式带通滤波器具有灵活的耦合方式、结构相对简单等优势，因此大量运用在微带带通滤波器的设计中。基于上述优势，本文合路器中的各个带通滤波器 均采用开口环谐振器式带通滤波器来实现。
2.1 开口环谐振器的结构及谐振条件
图1为开口环谐振器的物理结构及其等效原理图。图1（a）中，开口环谐振器的开口处有很强的电场效应，因此开口处可看成是一个并联电容CT，θT 表示开口环谐振器微带线的电长度，ZS 为微带线的特性阻抗。图1（b）中，Yi 表示从等效模型左端看的输入导纳。
图1 开口环谐振器的物理结构及其等效电路模型
根据微波传输线理论可知微带线和电容的传输矩阵。用A1 表示电容CT 的传输矩阵，A2 表示开口环谐振器微带线的传输矩阵，则A1 和A2 为：
图1（b）中开口环谐振器等效电路的传输矩阵为AT：
式中：
设电路的负载为ZL，则输入导纳Yi 为：
由图1（b）可知，开口环谐振器等效电路的输出端是开路的，因此ZL=∞，则式（8）可简化为：
式（9）中是开口环谐振器微带线的特性导纳。
飞虎续集当电路发生谐振时，Yi=0，则由式（9）可得：
同样，也可根据开口环谐振器的输入阻抗Zi=0，得到串联谐振条件，即由式（9）得：
由式（10）、（11）可知，不管是串联谐振条件还是并联谐振条件，当ZS 和θT 一定时，谐振频率ω 只与电容CT 有关，因此可通过改变开口环谐振器开口处的大小来改变电容大小，从而改变谐振频率。
2.2 谐振单元的仿真
芳烃抽提图2所示的微带开口环谐振器，固定开口环谐振器的长度l2、间隙g1，对l1 取不同长度的值，可以得到矩形开口环谐振器不同的谐振频率。当l1 的长度增加时，则谐振频率降低。
图2 开口环谐振器单元模型
2.3 双腔模型的仿真
图3是常见的4 种开口环谐振器之间的耦合方式。本文中选用的耦合方式如图3（a）所示，并且令d=0，这种耦合方式主要是电耦合。采用HFSS 软件仿真双腔模型，通过调节谐振器之间的耦合距离，获取所需要的耦合系数，耦合系数的计算公式如式（12）所示：
图3 4种开口环谐振器间的耦合方式
在HFSS 中建立图3（a）中的双腔耦合模型，固定谐振器的l1、l2 和g1，对谐振器间的距离s 进行过仿真扫描。谐振器之间的距离s 和耦合系数k 的关系为：间隔的距离s 越大，耦合强度越弱，耦合系数k 也就越小。因此，在仿真得到滤波器所需的耦合系数后，得到谐振器之间的距离，对于只有二阶的滤波器而言，便可设计出滤波器。
3 合路器的设计
3.1 合路器结构
本文设计的三频微带合路器由3 对开口环谐振器构成的带通滤波器和3 个功分器组成，3 个
带通滤波器耦合在输入馈电线两边。图4为该合路器的整体结构图，其拓扑结构如图5所示。从图5中可以清晰地看出，合路器由公共输入端（端口1）、3 对谐振器（谐振器1～6）、3 个功分器（功分器 1～3），6 个输出端（端口 2～7）构成。其中谐振器1 和谐振器2 构成中心频率1 GHz的带通滤波器，端口2 和端口3 为其输出端口。谐振器3 和谐振器4 构成中心频率1.8 GHz 的带通滤波器，端口6 和端口7 为其输出端口。谐振器5 和谐振器6构成中心频率2.5 GHz 的带通滤波器，端口4 和端口5 为其输出端口。功分器1～3 的中心频率分别为1GHz、1.8 GHz、2.5 GHz。由2 个完全相同的开口环谐振器组成的单个滤波器的结构及尺寸标注如图6所示。开口环谐振器的外部Q 值与距离输入馈电端口的位置有关，所以具有不同外部Q 值的带通滤波器离输入端口的距离也各不相同。同时外部Q 值的大小还可以体现出谐振器与输入输出馈线之间的耦合强度，耦合强度越强，外部Q 值越小，反之，耦合强度越弱，外部Q 值越大。
图4 合路器的结构
图5 合路器的拓扑结构
图6 单个滤波器结构
3.2 谐波抑制理论
谐振器与输入输出馈线之间的耦合方式有电耦合和磁耦合。对于磁耦合（电耦合），谐振器应该放在输入馈电线的高（低）电流密度处。因此，如果将谐振器放在馈线的合适位置处，使谐振器的耦合和谐波频率的耦合方式相反（即一个是电耦合另一个是磁耦合），谐波频率就会被有效地抑制。
杨震宁
本文中设计的合路器的基板材料选用的是RT/Duroid6010LM，其厚度为0.635 mm，相对介电常数为10.2，损耗正切为0.0023。开口环谐振器的外部Q值与s 和d 有关，s 表示谐振器和输入馈线间的间隔，d表示谐振器中心位置到输入馈线末端的长度。图7为谐振频率在2.5 GHz 时，其外部Q 值与s 和d 两个因素的关系。
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