悬置梳状线双工器的理论设计与仿真

1、悬置梳状线双工器的理论设计与仿真        摘  要：介绍了移动通信系统中双工器的设计原理和方法，此双工器是基于同一个低通滤波器模型的两个不同带宽和不同中心频率的悬置梳状线滤波器的组合。计算出了双工器的几何尺寸，并应用HP-ADS 仿真软件对此双工器进行了仿真和优化设计。1 引言    在当今通信领域中，各种微波通信系统的发展异常迅速，微波双工器在通信设备中占有重要的地位。因为在各个微波频段中，各种系统的频率拥挤且多信道实时双向通信的要求，就必须在设备前端设计多通道的波道

2、合成和分离器件。因此，双工器是重要的微波元器件之一。尤其随着大规模集成电路的发展，要求设备小型化和功能多样化。由于各通道之间的互相影响，双工器的设计和仿真对于理论研究和实际应用显得非常重要。2 悬置梳状线滤波器的设计    将两个带通滤波器的低通原型调整后，分别以各自的中心频率进行频率变换后直接连接成双工器，能有效地减小带宽的影响。此带通滤波器采用悬置梳状线的结构形式，由于其结构特性，悬置微带滤波器较普通微带滤波器和带状线滤波器具有优越性，即其加工尺寸公差不像后者那样要求很严格，通带内插入损耗比较小，具有很高的选择性和很大的带外衰减，且结构和温度稳定性也比后者好。

3、    根据滤波器理论，所有类型的滤波器均可映射成归一化的低通滤波器，因此带通滤波器的设计可以先从归一化低通滤波器的设计开始，然后再映射成带通滤波器。低通到带通的频率变换式为w'为低通滤波器原型的频率变量，w'1为低通原型的截止频率，w为带通滤波器的频率变量，为带通滤波器的相对带宽，w0通带中心频带，w2上边带频率，w1下边带频率。    为了设计上述的梳状线滤波器结构，先通过给定的参数计算出所选定类型的滤波器级数n和低通原型滤波器的归一化元件值gi（i0n1）（这里所选用的滤波器为Chebyshev滤波器），再通过n

4、和gi计算出梳状线滤波器中每个谐振器的归一化自电容Ck/，和相邻两谐振器间的归一化互电容Ck,k+1/（为传播介质的介电常数）。有了归一化电容值，就可以利用这些数据计算出各杆的几何尺寸。对于窄带和中等带宽的模型来说，可以参阅文献3上的近似计算公式，也可以通过其上的准确计算公式算出各线元每单位长度的归一化自电容Ck/和相邻线之间每单位长度的归一化互电容Ck,k+1/。计算自电容Ck/时，对于悬置线来说，其介电常数re1与带状线介电常数r的转换公式为在计算互电容Ck,k+1/时，对于悬置线来说，其介电常数re2与带状线介电常数r的转换公式为由于文献3上是依带状线推导的公式，因此当使用文献3上介绍的

5、方法时，应利用上述的将带线转换成悬制线的方法，通过改变介电常数的方法，计算出了悬置线元单位长度的归一化自电容Ck/和相邻线之间单位长度的归一化互电容Ck,k+1/，然后通过归一化自电容和互电容的值，再按下述的方法进一步计算出悬置线的几何尺寸。    图1为典型的平行耦合微带线模型。当两接地板间距B与中心导带的厚度t满足t/B 0.1时，可运用带状线的奇偶模特性阻抗Zoo、Zoe和奇偶模电容Coo、Coe来计算。对于印刷的带状线电路来说，上述条件基本满足。当带线的宽度W和B之间满足W/B0.35时，带线的奇偶模特性阻抗可近似地表示为   

6、; 设计计算时，都要预先选定采用哪种类型的基片，因此参数r、B和 t是已知的量。可以通过预先求得的单位长度归一化自电容Ck/和互电容Ck,k+1/，来计算滤波器每一级的几何尺寸W和S的值。    耦合线单位长度的归一化奇偶模电容可表示为通过上述的四个方程，可得到下式为了得到W/B，由（6）和（8）式可得将此式与（16）式比较得一化梳状线边缘电容。    从（18）式中可得到多级的平行耦合梳状线型滤波器中间各级的归一化线的宽度满足梳状线型滤波器的第一级和最后一级满足于下式    谐振器的长度L为中心频率f0

7、的1/4波长。在计算时要考虑带线的介电常数r，对于悬置线应用等效代换公式，将带线的介电常数r换成悬置线的介电常数re1，其变换关系见方程(2)。3 设计结果    为了证明上述悬置线滤波器设计方法的正确性，我们分别计算了两个悬置梳状线滤波器，并连接成的一个双工器。并通过对计算结果仿真证明了理论设计的正确性。其双工器指标要求见表1。    通过上述悬置梳状线滤波器的计算方法，将两个滤波器指标要求代入程序中计算出各自的几何尺寸，其中双工器中的收、发滤波器节数为6，收信和发信滤波器的几何尺寸值如表2所示。4 仿真结果  

8、  针对表2 中所示的实验双工器几何尺寸参数，应用HP-ADS仿真软件对其进行了仿真验证，发现滤波器响应不好，驻波比较大，须略微调整第一节谐振器的宽度和间隙。同时当两个滤波器简单地并联在一起时，由于输入端两者的相互作用，它们将无法在宽频带内实现良好的匹配。还需要在ADS中对尺寸参数做略微的调整，但调整的幅度并不大，得到最后如图2所示的仿真结果。5 结论    通过仿真曲线和双工器的技术指标相互比较，我们可以看出前述的梳状线滤波器设计方法能够满足各项设计要求指标，而且将带线转换成悬置线的方法也是可行的。同时发现HP-ADS的多层介质和多耦合线模型的精度是比较高的，能够解决实际工作中对交指型滤波器和梳状线滤波器仿真和优化的难题，并且减小了调试工作量，缩短了研制周期，提高了科研效率。参考文献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