摘  要： 利用电路等效分析法结合全波建模提出具有宽带工作特性的改进型H面T型结。结合交叉耦合原理和一腔多模理论，通过S参数的多项式综合和矩阵消零的方法提取滤波器耦合矩阵。设计了新型结构的双模交叉耦合毫米波双工器。测试结果表明，相比于传统的单模直接耦合双工器，这种双工器不但尺寸更加紧凑，而且具有更好的频率选择性及隔离度等优点。
关键词： 波导；H面T型结；交叉耦合；双模滤波器；双工器

　毫米波双工器[1]是一种用于把两路不同频段的信号分开或合并的三端口器件。它由两个带通滤波器和一个连接元件组成，被广泛应用于毫米波通信、卫星通信等多种领域。随着毫米波技术的发展，毫米波系统对双工器的频率选择性、两通道之间的隔离度以及尺寸的小型化等性能都提出更高的要求。因此，设计高性能小型化毫米波双工器具有非常重要的意义。
　在传统的通道滤波器设计中，常采用切比雪夫或巴特沃斯函数逼近并进行直接耦合。为了得到好的频率选择性只能增加滤波器的阶数，这明显增加了滤波器的体积和重量，不能满足小型化的要求。对此，在双工器通道滤波器设计中，通过结合交叉耦合理论和一腔多模技术实现具有广义切比雪夫函数响应的双模滤波器，不但提高了双工器的频率选择性能，同时也实现了双工器的小型化。
1 设计理论
1.1 传输零点分析和耦合矩阵综合
　根据电路网络理论，双端口网络特性可以描述为：


1.2 双模滤波器设计理论
　双模波导滤波器通常是由对称的滤波器单元级联构成[2]，为了使设计出的通道滤波器具有更好的带外抑制性能以及使双工器具有更加紧凑的尺寸，本文提出非对称结构的滤波器单元，如图1所示。可以看出，该对称滤波器单元是由两个凋落模耦合波导连接在谐振腔的两个相邻边上构成。谐振腔的长、宽和高分别为a、l和b。

　凋落模耦合波导可激励出两个相互正交耦合的工作模式，当它们幅度相同且相位相差180°时，就引入了一个传输零点。在滤波器设计中，根据设计指标进行矩阵综合得出耦合矩阵后，就可以利用软件对耦合结构进行参数提取，最终确定耦合结构的尺寸。由耦合理论可知，通过改变耦合波导的位置及宽度可获得正耦合与负耦合。
　由矩形谐振腔内场分布相关理论[3]，得出矩形谐振腔的谐振频率和谐振波长为：

　实际中谐振腔的两边长度稍有不等，当a与l比值适当变化时，可以将传输零点从通带右侧移动到左侧[4]。
图2是非对称滤波器单元的S参数仿真曲线，可以看出它的传输零点在通带右侧。在双工器设计中，为了使两个滤波器通道之间具有更高的隔离度，可通过调整a与l的比值使滤波器1的滤波单元传输零点都在通带右侧，而滤波器2的滤波单元传输零点都在通带左侧。

2 设计实例
2.1 设计要求
　双工器通道滤波器1的中心频率为40.5 GHz，带宽为500 MHz；通道滤波器2的中心频率为42.5 GHz，带宽为500 MHz；滤波器带内插损小于1.5 dB，两通道的隔离度大于70 dB。
2.2 T型结设计
　T型接头是一种可用作功率分配/合成的最简单的三端口网络器件，由微波网络理论可知T型结不可能做到三个端口同时匹配，接头处存在与不连续性有关的边缘场和高次模而产生等效电抗。为了减少由波导不连续性导致的失配和损耗，往往在T结中插入金属圆柱或者金属膜片[5-6]。但这种方法设计出的T型结不但工作频带窄，而且调配难度大、加工成本高，因此本文在经过等效电路分析和软件优化之后确定出一种新型的H面T型结，在功分分支底部和共同分支侧边分别加上匹配矩形金属柱，如图3所示。经过仿真优化后得到尺寸为：c1=2.14，k1=1.42，c2=2.3，k2=0.55，h=2.83(单位：mm)。图4是改进型H面T型结的仿真曲线，由图可以看出其具有端口匹配良好、工作宽频带及易于加工等优点。

2.3 双工器设计及结果分析
　根据设计指标，在确定滤波器逼近函数的阶数、零点个数和波纹特性等参数后进行矩阵综合，得出耦合矩阵，然后使用HFSS软件对耦合结构进行参数提取以确定出耦合结构的初始尺寸；同时根据式(11)得出谐振腔的初始尺寸。最终得出两个通道带通滤波器的结构如图5所示，其参数(单位：mm)：
通道滤波器1：a1=a2=7.845，l1=7.851，l2=7.868，off1=off2=off3=1，t1=t3=1，t2=4.22，d1=d3=3.03，d2=3.06。
通道滤波器2：a1=a2=7.717，l1=7.435，l2=7.433，off1=off2=off3=1，t1=t3=1，t2=2.7，d1=d3=2.84，d2=2.56。
在通道滤波器设计好之后，把它们与上述H面T型结连接起来，得到双工器的总体结构，实物如图6所示。

　图7是双工器S仿真和测试对比曲线，可以看出，测试与仿真结果良好吻合，两个通带内插损均小于1.2 dB，带内波纹小于1 dB，两通道之间的隔离度大于70 dB，各项指标均满足设计要求。

　本文根据一腔多模理论和交叉耦合滤波器设计原理，分析设计具有广义切比雪夫函数响应的双模滤波器，通过将采用改进结构的T型波导功分器和新型结构的波导双模滤波器相结合，实现了高性能紧凑型的毫米波双工器，为设计紧凑高性能的毫米波双工器提供了一种思路。
参考文献
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[5] Wu Keli， Wang Haiyin. A rigorous modal analysis of  H-plane waveguide T-junction loaded with a partial-height post for wide-band  applications[J]. IEEE Transactions on Microwave Theory And Tech， MAY， 2001：49(5).
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