1、懸置梳狀線雙工器的理論設(shè)計與仿真        摘  要：介紹了移動通信系統(tǒng)中雙工器的設(shè)計原理和方法，此雙工器是基于同一個低通濾波器模型的兩個不同帶寬和不同中心頻率的懸置梳狀線濾波器的組合。計算出了雙工器的幾何尺寸，并應(yīng)用HP-ADS 仿真軟件對此雙工器進行了仿真和優(yōu)化設(shè)計。1 引言    在當(dāng)今通信領(lǐng)域中，各種微波通信系統(tǒng)的發(fā)展異常迅速，微波雙工器在通信設(shè)備中占有重要的地位。因為在各個微波頻段中，各種系統(tǒng)的頻率擁擠且多信道實時雙向通信的要求，就必須在設(shè)備前端設(shè)計多通道的波道

2、合成和分離器件。因此，雙工器是重要的微波元器件之一。尤其隨著大規(guī)模集成電路的發(fā)展，要求設(shè)備小型化和功能多樣化。由于各通道之間的互相影響，雙工器的設(shè)計和仿真對于理論研究和實際應(yīng)用顯得非常重要。2 懸置梳狀線濾波器的設(shè)計    將兩個帶通濾波器的低通原型調(diào)整后，分別以各自的中心頻率進行頻率變換后直接連接成雙工器，能有效地減小帶寬的影響。此帶通濾波器采用懸置梳狀線的結(jié)構(gòu)形式，由于其結(jié)構(gòu)特性，懸置微帶濾波器較普通微帶濾波器和帶狀線濾波器具有優(yōu)越性，即其加工尺寸公差不像后者那樣要求很嚴(yán)格，通帶內(nèi)插入損耗比較小，具有很高的選擇性和很大的帶外衰減，且結(jié)構(gòu)和溫度穩(wěn)定性也比后者好。

3、    根據(jù)濾波器理論，所有類型的濾波器均可映射成歸一化的低通濾波器，因此帶通濾波器的設(shè)計可以先從歸一化低通濾波器的設(shè)計開始，然后再映射成帶通濾波器。低通到帶通的頻率變換式為w'為低通濾波器原型的頻率變量，w'1為低通原型的截止頻率，w為帶通濾波器的頻率變量，為帶通濾波器的相對帶寬，w0通帶中心頻帶，w2上邊帶頻率，w1下邊帶頻率。    為了設(shè)計上述的梳狀線濾波器結(jié)構(gòu)，先通過給定的參數(shù)計算出所選定類型的濾波器級數(shù)n和低通原型濾波器的歸一化元件值gi（i0n1）（這里所選用的濾波器為Chebyshev濾波器），再通過n

4、和gi計算出梳狀線濾波器中每個諧振器的歸一化自電容Ck/，和相鄰兩諧振器間的歸一化互電容Ck,k+1/（為傳播介質(zhì)的介電常數(shù)）。有了歸一化電容值，就可以利用這些數(shù)據(jù)計算出各桿的幾何尺寸。對于窄帶和中等帶寬的模型來說，可以參閱文獻3上的近似計算公式，也可以通過其上的準(zhǔn)確計算公式算出各線元每單位長度的歸一化自電容Ck/和相鄰線之間每單位長度的歸一化互電容Ck,k+1/。計算自電容Ck/時，對于懸置線來說，其介電常數(shù)re1與帶狀線介電常數(shù)r的轉(zhuǎn)換公式為在計算互電容Ck,k+1/時，對于懸置線來說，其介電常數(shù)re2與帶狀線介電常數(shù)r的轉(zhuǎn)換公式為由于文獻3上是依帶狀線推導(dǎo)的公式，因此當(dāng)使用文獻3上介紹的

5、方法時，應(yīng)利用上述的將帶線轉(zhuǎn)換成懸制線的方法，通過改變介電常數(shù)的方法，計算出了懸置線元單位長度的歸一化自電容Ck/和相鄰線之間單位長度的歸一化互電容Ck,k+1/，然后通過歸一化自電容和互電容的值，再按下述的方法進一步計算出懸置線的幾何尺寸。    圖1為典型的平行耦合微帶線模型。當(dāng)兩接地板間距B與中心導(dǎo)帶的厚度t滿足t/B 0.1時，可運用帶狀線的奇偶模特性阻抗Zoo、Zoe和奇偶模電容Coo、Coe來計算。對于印刷的帶狀線電路來說，上述條件基本滿足。當(dāng)帶線的寬度W和B之間滿足W/B0.35時，帶線的奇偶模特性阻抗可近似地表示為   

6、; 設(shè)計計算時，都要預(yù)先選定采用哪種類型的基片，因此參數(shù)r、B和 t是已知的量?？梢酝ㄟ^預(yù)先求得的單位長度歸一化自電容Ck/和互電容Ck,k+1/，來計算濾波器每一級的幾何尺寸W和S的值。    耦合線單位長度的歸一化奇偶模電容可表示為通過上述的四個方程，可得到下式為了得到W/B，由（6）和（8）式可得將此式與（16）式比較得一化梳狀線邊緣電容。    從（18）式中可得到多級的平行耦合梳狀線型濾波器中間各級的歸一化線的寬度滿足梳狀線型濾波器的第一級和最后一級滿足于下式    諧振器的長度L為中心頻率f0

7、的1/4波長。在計算時要考慮帶線的介電常數(shù)r，對于懸置線應(yīng)用等效代換公式，將帶線的介電常數(shù)r換成懸置線的介電常數(shù)re1，其變換關(guān)系見方程(2)。3 設(shè)計結(jié)果    為了證明上述懸置線濾波器設(shè)計方法的正確性，我們分別計算了兩個懸置梳狀線濾波器，并連接成的一個雙工器。并通過對計算結(jié)果仿真證明了理論設(shè)計的正確性。其雙工器指標(biāo)要求見表1。    通過上述懸置梳狀線濾波器的計算方法，將兩個濾波器指標(biāo)要求代入程序中計算出各自的幾何尺寸，其中雙工器中的收、發(fā)濾波器節(jié)數(shù)為6，收信和發(fā)信濾波器的幾何尺寸值如表2所示。4 仿真結(jié)果  

8、  針對表2 中所示的實驗雙工器幾何尺寸參數(shù)，應(yīng)用HP-ADS仿真軟件對其進行了仿真驗證，發(fā)現(xiàn)濾波器響應(yīng)不好，駐波比較大，須略微調(diào)整第一節(jié)諧振器的寬度和間隙。同時當(dāng)兩個濾波器簡單地并聯(lián)在一起時，由于輸入端兩者的相互作用，它們將無法在寬頻帶內(nèi)實現(xiàn)良好的匹配。還需要在ADS中對尺寸參數(shù)做略微的調(diào)整，但調(diào)整的幅度并不大，得到最后如圖2所示的仿真結(jié)果。5 結(jié)論    通過仿真曲線和雙工器的技術(shù)指標(biāo)相互比較，我們可以看出前述的梳狀線濾波器設(shè)計方法能夠滿足各項設(shè)計要求指標(biāo)，而且將帶線轉(zhuǎn)換成懸置線的方法也是可行的。同時發(fā)現(xiàn)HP-ADS的多層介質(zhì)和多耦合線模型的精度是比較高的，能夠解決實際工作中對交指型濾波器和梳狀線濾波器仿真和優(yōu)化的難題，并且減小了調(diào)試工作量，縮短了研制周期，提高了科研效率。參考文獻1. Giovanni A, Guiseppe T. Interdigital design forms fow-cost bandpassFilters J.Microwave & RF, 1997, (9): 77-85. 2. Bhartia P.Computer-aided design models for broadside- coupled