一种微波互补双工器的制作方法

本发明涉及一种微波频段双工器，该双工的两个通道信号完全互补，即宽带信号经过双工时可以被拆分为通带信号和通带之外的宽带信号。如图1所示。

背景技术：

传统的微波双工器是将两路不同频率的信号合成或将一路宽带信号拆分为两路不同频率的信号。两路信号局限在一定的带宽范围内，具有频带分离功能的能够实现真正意义上的互补功能，即带通、带阻通道的传输特性恰好为一个滤波器函数的传输函数和反射函数的设计方法和产品未见报道。

虽然带通滤波器和带阻滤波器的设计已经是一个成熟技术，但是将两个独立设计的带通滤波器和带阻滤波器进行简单并联不能形成本发明所述的互补双工器的功能。这是由于众所周知，带通滤波器和带阻滤波器的输入阻抗为一个不等于1的复阻抗。而传统的滤波器设计都是基于端口的归一化阻抗为1的前提，所以将两者并联后，双工器的带通通道和带阻通道会产生严重的相互影响，无法实现预设的互补双工特性。

微波多工器用于将微波频谱信号分离或合成，是通信系统中的重要组成部件。现代微波系统对微波多工器提出了越来越高的可重构特性的需求。而普通多工器的构成是将多个通道滤波器按不同的方式组合起来，而后通过优化连接元件达到多个通道滤波器的去耦，进而构成多工器。这种组成方式无法满足可重构需求，只能根据给定指标需求完成单向化设计，无法重复利用。

技术实现要素：

本发明解决的技术问题为：克服现有技术不足，提出一种微波互补双工器，用全互补双工器的频谱分离特性可以将系统的输出频谱分离为通带内信号和互调产生的带外信号。将带外杂散信号馈入频谱仪就可以完成所有交调信号电平的测试。在超大功率系统中，系统末端的输出滤波器的带外信号如果反射回发射机会造成放大器烧毁，使用全互补双工器可以将带外信号经带阻通道引出到一个大功率负载。从功能上带外信号是被负载吸收而不是返回源端，从而达到保护发射机的目的。

本发明解决的技术方案为：一种微波互补双工器，包括：公共端口，通带端口和阻带端口、含带通通道和带阻通道；带通通道的一端和带阻通道的一端作为公共端，带通通道的另一端作为通带端口，带阻通道的另一端作为通阻端口；当一个宽频带信号由公共端口馈入时，通带信号由通带端口输出，通带之外的信号由阻带端口输出。

带通通道的滤波器传输函数和带阻通道的滤波器传输函数为一个广义切比雪夫滤波器函数的传输函数和反射函数，能够使双工器在全频带内实现良好匹配。

设一个广义切比雪夫多项式由下式描述：

其中，F_N(ω)、P_N(ω)为根据需求确定的N阶多项式函数，C_N(ω)为由这两个多项式的比确定的函数。其中，N、n为滤波器的阶数，由滤波器指标所决定。ω为频率变量。ω_n为滤波器低通原型的截止频率，x_n为工作通带的中心频率。

那么由该多项式描述的滤波器的反射函数为：

传输函数为：

式中，E_N多项式由|E_N|²＝|F_N|²+|P_N|²求得；

带通通道的传输函数S₂₁为

带阻通道的传输函数S₃₁则定义为

由能量守恒定律，所述的双工器的公共端口的反射函数:

|S₁₁|²＝1-|S₂₁|²-|S₃₁|²＝0

即，在全频带范围内实现良好匹配；

S11、S21、S31为微波多端口网络的网络特性参数，S11为反射函数，描述的特性为除端口1外，其他端口接匹配负载时，端口1的反射系数。S21为传输函数，描述的特性为端口2接匹配负载时，能量从端口1到端口2的传输系数。S31为传输函数，描述的特性为端口3接匹配负载时，能量从端口1到端口3的传输系数。

互补双工器原理电路，包括：公共端口，通带端口和阻带端口、带通通道和带阻通道；

带通通道，包括：连接波导Y1、连接波导Y2、连接波导Y3、连接波导Y4、连接波导Y5、微波谐振器1、微波谐振器2、微波谐振器3、微波谐振器4；

带阻通道，包括：连接波导X1、连接波导X2、连接波导X3、连接波导X4、连接波导X5、微波谐振器5、微波谐振器6、微波谐振器7、微波谐振器8；

微波谐振器1包括：电容C1和一个电感L1；

微波谐振器2包括：电容C2和一个电感L2；

微波谐振器3包括：电容C3和一个电感L3；

微波谐振器4包括：电容C4和一个电感L4；

连接波导Y1的一端和连接波导X1的一端连接公共端口，连接波导Y1的另一端连接电感L1的一端和连接波导Y2的一端，电感L1的另一端通过电容C1接地；

连接波导Y2的另一端连接电感L2的一端和连接波导Y3的一端，电感L2的另一端通过电容C2接地；

连接波导Y3的另一端连接电感L3的一端和连接波导Y4的一端，电感L3的另一端通过电容C3接地；

连接波导Y4的另一端连接电感L4的一端和连接波导Y5的一端，电感L4的另一端通过电容C4接地；

连接波导Y5的另一端连接通带端口；

微波谐振器5包括：电容C5和一个电感L5；

微波谐振器6包括：电容C6和一个电感L6；

微波谐振器7包括：电容C7和一个电感L7；

微波谐振器8包括：电容C8和一个电感L8；‘

连接波导X1的另一端连接电感L5的一端,电感L5的另一端通过电容C6与连接波导X2的一端相连；

连接波导X2的另一端与电感L6的一端和连接波导X3的一端，电感L6的另一端通过电容C6接地；

连接波导X3的另一端连接电感L7的一端，电感L7的另一端通过电容C7与连接波导X4的一端相连

连接波导X4的另一端与电感L8的一端和连接波导X5的一端，电感L8的另一端通过电容C8接地；

连接波导X5的另一端连接阻带端口。

本发明的一种微波互补双工器，包括：公共端口，通带端口和阻带端口、带通通道和带阻通道；带通通道，包括:微波谐振腔1、微波谐振腔2、微波谐振腔3、微波谐振腔4、连接波导A；微波谐振腔1、微波谐振腔2、微波谐振腔3、微波谐振腔4为长方体腔，一端开口，另一端封闭；

公共端口(端口1)与连接波导A的一端相连，连接波导A的另一端与带阻端口(端口3)相连，连接波导A为矩形波导，微波谐振腔1、微波谐振腔3位于连接波导A的一侧且微波谐振腔1、微波谐振腔3的开口端与连接波导A的腔体连通，微波谐振腔2、微波谐振腔4位于连接波导A的另一侧，且微波谐振腔2、微波谐振腔4的开口端与连接波导A的腔体连通；

带阻通道，包括：微波谐振腔5、微波谐振腔6、微波谐振腔7、微波谐振腔8、连接波导B；

微波谐振腔6、微波谐振腔8为长方体腔，一端开口，另一端封闭；

微波谐振腔5、微波谐振腔7为长方体腔，两端开口，微波谐振腔5的一个开口端与连接波导B的一端相连，微波谐振腔5的另一个开口端与连接波导A的一端及公共端口相连，连接波导B的另一端连接微波谐振腔6的开口端和微波谐振腔7的一个开口端，微波谐振腔7的另一个开口端连接微波谐振腔8开口端和通带端口(端口2)

微波谐振腔6、微波谐振腔8位于连接波导B的一侧；

连接波导A与连接波导B垂直。

本发明相对于现有技术的优点在于：

(1)本发明给出的互补双工设计方法可以实现标准的频带分离功能，其带通通道和带阻通道的传输函数恰为一个标准的滤波器函数的传输函数和反射函数。

(2)使用本发明提出的设计方法得到的互补双工的公共端口在全频带范围内匹配，可以与其它功能的网络进行任意级联。从而实现微波无源子系统的模块化设计。

(3)全互补双工器给出了一种可重构多工的解决方案，由于其公共端口在带内带外均可以达到匹配，带阻端在通带外也可以达到匹配。所以使用多个互补双工器简单连接就可以构成多工器。且多工器的各个通带可以重复利用。也就是说，多工器可以用搭积木的办法将基本元件进行拼接完成。这些基本元件就是本专利涉及的全互补双工器。

(4)使用互补双工器还可以实现PIM测试系统的搭建。利用全互补双工器的频谱分离特性可以将系统的输出频谱分离为通带内信号和互调产生的带外信号。将带外杂散信号馈入频谱仪就可以完成所有交调信号电平的测试。

(5)在超大功率系统中，系统末端的输出滤波器的带外信号如果反射回发射机会造成放大器烧毁，使用全互补双工器可以将带外信号经带阻通道引出到一个大功率负载。从功能上带外信号是被负载吸收而不是返回源端，从而达到保护发射机的目的。

附图说明

图1为本发明原理电路图；

图2为本发明机加物理模型图；

图3为本发明结构展开图；

图4为本发明性能曲线；

图5为本发明双工器原理图；

图6为本发明双工器实现频谱分离示意图；

图7为本发明双工器构成多工器组件示意图。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例对本发明进行详细说明。

本发明的基本思路为：提出一种微波互补双工器，该双工器为一个三端口微波无源器件，包括带通通道和带阻通道。其特征在于：当一个宽频带信号由公共端馈入时，双工器的带通通道的输出为通带信号，而带阻通道的输出为宽带信号剔除通带信号之外的频谱信号。双工器的带通通道在通带内良好匹配，阻带在通带外可以实现良好匹配，而公共端在全频带内良好匹配。所述的互补双工器能够实现微波频段的频谱分离或合成功能。可用于用于测量一个宽带信号中的指定频段的频谱分量，比如无源互调的测量。此外使用该双工器作为基本模块级联后构成多工器。最后，在双工器的阻带通道输出端接匹配负载，可以实现一个吸收式滤波器。

本发明涉及的微波全互补双工可以实现两个通道的传输特性为一个滤波器函数的传输函数和反射函数的特性。其特征在于：当一个宽频带信号由公共端馈入时，双工器的带通通道的输出为通带信号，而带阻通道的输出为宽带信号剔除通带信号之外的频谱信号，如图6所示。所述的互补双工器能够实现微波频段的频谱分离或合成功能。可用于构建试验平台，用于测量一个宽带信号中的指定频段的频谱分量，比如无源互调的测量。此外，由于本发明公布的双工器的公共端可以做到在全频带内良好匹配，所以可以使用该双工器作为基本模块级联后构成多工器。这种类型的多工器的各个通道没有干扰，可以独立设计。实现通过模块灵活组合的可重构特性。最后，在双工器的阻带通道输出端接匹配负载，可以实现一个吸收式滤波器。这种滤波器的阻带信号不会返回源端，而是经由带阻通道被负载吸收。在大功率应用场合可以避免滤波器阻带的大功率信号返回源端烧毁发射机。

为实现理想的全互补特性，带通通道的滤波器传输函数和带阻通道的滤波器传输函数为一个广义切比雪夫滤波器函数的传输函数和反射函数。由于带通通道反射至源端口的信号将通过带阻通道输出(反之亦然)，所以从带通通道的输出端进去，其源端的输入阻抗为0。根据这一现象，本发明提出了将带通通道和带阻通道的原理电路都采用单终端原型进行设计。单终端是对单个通道滤波器设计假设电路的源阻抗为0而得到的原理电路。结果表明，这一设计方法可以避免两通道的相互干扰，实现双工器的带通通道在通带内良好匹配，阻带在通带外可以实现良好匹配。根据能量守恒定律，双工器的公共端可以实现在全频带内实现良好匹配。

针对本发明提出的设计方法和原理电路，使用一个工作在12GHz，带宽100MHz的微波全互补双工器进行了设计验证。双工器的带通和带阻通道都是用极点提取原型方案。最终的测试结果表明，使用本发明提出的设计方法和原理电路完成的双工器的带通通道在中心频率12GHz，带宽100MHz的频带范围内可以实现良好匹配，传输响应实现在带外有一对传输零点，与预设的滤波器函数响应一致。而带阻通道在通带频率之外的频带内实现良好匹配，同时传输函数与预设的滤波器函数的反射函数响应一致。公共端口在整个频带内可以实现良好匹配。该双工实现了所述的带通、带阻全互补的目标结果。

下面结合附图和具体实施例对本发明进行详细说明。

如图1所示，串联电容电感谐振回路表示一个微波谐振器而并联支路上的串联电容电感谐振回路表示一个极点生成单元。带通通道由阻抗变换器、连接传输线段、极点生成单元构成。本例给出的原理电路为一个四阶广义切比雪夫函数，含有两个传输零点的通道设置。对带通通道，第一个单元为谐振器单元，通过一段传输线与第二个极点提取单元连接，同样通过连接传输线段与第三个谐振器单元连接，最后同样通过传输线段与第四个极点提取单元相连。带阻通道由极点生成单元、阻抗变换器、连接传输线段构成。其四个构成单元均为极点提取单元，四个单元之间通过传输线段连接。

其中的并联LC回路代表一个谐振在预设频率的谐振器，由于在设计上采用了归一化处理，L_n*C_n仅用于描述谐振器的谐振频率f_n，在确定了通道的零极点谐振频率后，则可获得。而通道谐振的零极点谐振频率的计算是通过使用广义切比雪夫函数的单终端条件，根据零点提取滤波器综合方法最终求出。以实例中的全互补双工器为例，反归一化后，f_n的优选取值范围在11.85GHz到13.15GHz之间。

图2给出了原理电路对应的物理实现方式。优选的方案为一个长度为半个波导波长的波导段，谐振器之间通过传输线(本例为矩形波导)连接，所有谐振器的频率、阻抗和连接波导的长度均可由综合方法解析获取，这里的连接波导A、B选用BJ120标准波导，以12GHz的全互补双工器为例，连接波导A、B的宽边优选长度为19.05mm，窄边优选为9.525mm。其设计的每个谐振腔的内腔长度理论上为谐振腔的半个波导波长，两个相邻谐振腔之间的中心轴间距为1个波导波长。但由于加载、色散及迭加效应等物理现象的影响。会出现一定的偏差。需要采用优化算法对其优化，在实际加工的产品中，各个谐振腔的优选长度取值范围在13.1mm到15.5mm之间，优选两个相邻谐振腔之间的间距为21mm～26mm之间，能够使全互补双工器的滤波性能达到最优。

图3给出了下半腔体的剖面图，其中的短路波导段(1)对应于原理电路中的LC串联谐振器，其长度为在谐振频率处的波导半波长；波导窗口(2)实现了波导阻抗变换器。连接波导(4)对应原理电路中的连接传输线(2)。加工方式将双工器从波导宽边的对称面剖开。两个对称结构分别使用金属切削加工工艺完成后使用螺纹连接对接实现需要的双工器结构。为保证两个面的对准精度，在结构设计中使用了定位销钉。

图4给出了双工器的频率响应特性曲线，其中的S21表示带通通道的传输曲线，即信号从端口1输入，从端口2输出时的散射参数特性，S31表示带阻通道的传输曲线，即信号从端口1输入，从端口3输出时的散射参数特性，S11表示公共端口的输入反射曲线。由图可以看出该双工器完成了图5所示的将输入频谱在给定频带内的带内信号和带外信号的分离的功能。实现了图6所示工作功能。

将若干个使用前述的设计方法获得的互补双工器进行级联，可以获得图7所示的微波多工器。

由此可见，本发明可以构成一个吸收式滤波器，这种滤波器的阻带信号不会返回源端，而是经由带阻通道被负载吸收，尤其适用于航天领域，在大功率应用场合可以避免滤波器阻带的大功率信号返回源端烧毁发射机。