摘要：微波注入實(shí)驗(yàn)要求微波注入電路和效應(yīng)監(jiān)測(cè)電路的接入不影響正常的電路器件工作狀態(tài)，同時(shí)要求注入電路隔離度足夠大。在此設(shè)計(jì)了一種高隔離度微波雙工器0～800MHz和1．4～4．5 GHz，兩信號(hào)通道內(nèi)插入損耗小于0．2 dB；0～400 MHz和1．5～4．5 GHz兩信號(hào)通道隔離度大于50 dB。這種微帶線型雙工器結(jié)構(gòu)緊湊、研制周期短、性能穩(wěn)定已經(jīng)在微波效應(yīng)注入實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)中獲得良好的應(yīng)用。
關(guān)鍵詞：高隔離度；雙工器；注入實(shí)驗(yàn)；插入損耗

    微波雙工器是用來(lái)把一個(gè)信號(hào)頻譜分開(kāi)成2個(gè)頻率范圍的微波器件。它在微波毫米波通信、衛(wèi)星通信、雷達(dá)、電子對(duì)抗、測(cè)試等系統(tǒng)中都有著廣泛的應(yīng)用。微帶線型雙工器是微波雙工器的一個(gè)非常重要的分支。微帶線型雙工器結(jié)構(gòu)緊湊，研制周期短，性能穩(wěn)定，此外微帶線型雙工器可以實(shí)現(xiàn)高隔離度的優(yōu)點(diǎn)，已經(jīng)在高功率效應(yīng)注入實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)中獲得應(yīng)用。

1 微波注入實(shí)驗(yàn)用雙工器
    微波注入效應(yīng)實(shí)驗(yàn)是數(shù)字電路HPM效應(yīng)機(jī)理研究的一個(gè)重要研究手段。效應(yīng)機(jī)理研究注入實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)設(shè)計(jì)如圖1所示。微波脈沖經(jīng)功率放大器后通過(guò)注入雙工器與低頻數(shù)字工作信號(hào)合路送入效應(yīng)器件輸入端口，數(shù)字電路輸入、輸出信號(hào)、微波脈沖輸入和數(shù)字電路輸出包含的微波脈沖信號(hào)由示波器監(jiān)測(cè)，微波脈沖反射信號(hào)經(jīng)檢波后由示波器監(jiān)測(cè)。

    數(shù)字電路效應(yīng)機(jī)理注入實(shí)驗(yàn)研究系統(tǒng)是一個(gè)大功率在線測(cè)試系統(tǒng)，與側(cè)重閾值效應(yīng)注入電路實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)方法有所不同，這里要求微波脈沖注入設(shè)計(jì)電路和效應(yīng)監(jiān)測(cè)電路的接入不影響正常的數(shù)字電路器件工作狀態(tài)，如避免簡(jiǎn)單偏置電路對(duì)數(shù)字電路器件輸入、輸出電容加載效應(yīng)；另外一點(diǎn)是要求注入電路隔離度足夠大，即微波通道和數(shù)字邏輯電平信號(hào)通道之間具備很高隔離度，目的在于防止大功率微波脈沖泄漏功率對(duì)高精度測(cè)試儀器設(shè)備造成干擾甚至損傷。同時(shí)對(duì)于數(shù)字電路效應(yīng)機(jī)理研究而言，需要更多觀測(cè)輸入、輸出信號(hào)細(xì)節(jié)部分，如輸出微波和數(shù)字低頻信號(hào)的分離，輸出微波信號(hào)頻譜分析等，以便更好研究數(shù)字電路非線性效應(yīng)過(guò)程與作用機(jī)理。
    針對(duì)注入效應(yīng)實(shí)驗(yàn)功率源0．8～4 GHz頻段范圍，自行設(shè)計(jì)與加工了0～100MHz／1．5～4．4 GHz注入雙工器。注入雙工器由一個(gè)低通濾波器和帶通濾波器構(gòu)成，低通濾波器傳輸器件正常工作低頻信號(hào)，而帶通濾波器傳輸注入微波脈沖，設(shè)計(jì)時(shí)注意帶通濾波器的功率容量指標(biāo)以及插損盡量小。
    微波雙工器的設(shè)計(jì)方法大致有兩種：一種是先設(shè)計(jì)好2個(gè)通道濾波器然后連接上T型或Y型結(jié)再對(duì)濾波器進(jìn)行優(yōu)化；另一種是設(shè)計(jì)好兩通道濾波器再對(duì)T型或Y型結(jié)進(jìn)行調(diào)整。不同的設(shè)計(jì)方法主要在于濾波器的結(jié)構(gòu)和T型或Y型結(jié)的結(jié)構(gòu)不同以及它們之間匹配的技術(shù)不同。本文設(shè)計(jì)的高隔離度微帶線型雙工器采用先分別設(shè)計(jì)高、低阻抗線低通濾波器和電容問(wèn)隙耦合帶通濾波器，然后連接T型結(jié)進(jìn)行匹配調(diào)整。
1．1 通道濾波器的設(shè)計(jì)
    集總元件低通濾波器是現(xiàn)代網(wǎng)絡(luò)綜合法設(shè)計(jì)微波濾波器的基礎(chǔ)。根據(jù)濾波器理論和一般的設(shè)計(jì)方法，在設(shè)計(jì)各種濾波器時(shí)，一般從歸一化低通濾波器出發(fā)，通過(guò)函數(shù)關(guān)系可以變換為高通、帶通或帶阻濾波器。
    如圖2所示是一種雙終端低通濾波器的梯形電路，g0，g1，g2，…gn，gn+1是電路中個(gè)元件的數(shù)值，它們是由網(wǎng)絡(luò)綜合法得出的。簡(jiǎn)單說(shuō)來(lái)，網(wǎng)絡(luò)綜合方法首先是把傳輸系數(shù)(或其轉(zhuǎn)移函數(shù))確定為復(fù)平面上的函數(shù)，由此求出復(fù)平面上的輸入阻抗。然后把該輸入阻抗表示成連分?jǐn)?shù)或部分分式，從而得到電路元件的數(shù)值。

    不同近似特性的濾波器在通頻帶內(nèi)和通頻帶外的幅度頻響曲線的起伏性，過(guò)渡頻帶的下降速度，通頻帶內(nèi)相位頻率特性等有很大差異，設(shè)計(jì)中首先要做的就是根據(jù)使用條件選擇濾波器的形式，即濾波器的近似特性，然后完成設(shè)計(jì)。為了實(shí)現(xiàn)好的阻帶衰減特性和平坦的通帶波紋，本文采用Chebyshev型濾波器來(lái)設(shè)計(jì)。Chebyshev低通原型濾波器的衰減特性，其數(shù)學(xué)表達(dá)式為：
   
    式中：是通帶內(nèi)衰減最大值。這種特性濾波器同樣可以用圖2梯形電路來(lái)實(shí)現(xiàn)。上式中n就是該梯形電路的電抗元件數(shù)目。若n為偶數(shù)，則響應(yīng)內(nèi)LA=0的頻率有n／2個(gè)；若n為奇數(shù)，則LA=0的頻率有(n+1)／2個(gè)。對(duì)于兩端都接電阻的雙終端Chebyshev低通原型濾波器，設(shè)其通帶波紋為L(zhǎng)Ar，g0=1，ω1’=1(歸一化)，則其他元件數(shù)值可用下式計(jì)算：
   
    高、低阻抗線低通濾波器首先選定濾波器中的高、低阻抗值，設(shè)計(jì)出各高、低阻抗線中心導(dǎo)帶寬度，在給定高、低阻抗值和兩接地板的間距以及中心導(dǎo)帶的厚度后，查表計(jì)算出各線段的寬度；根據(jù)濾波器實(shí)際元件數(shù)值和不連續(xù)階梯的邊緣電容值，可以計(jì)算出各高、低阻抗線的長(zhǎng)度。最后修正兩端阻抗的長(zhǎng)度，以補(bǔ)償它們與50 Ω傳輸線間的不連續(xù)性。帶通濾波器可以由圖2低通原型濾波器經(jīng)阻抗變換器K和串聯(lián)諧振器或?qū)Ъ{變換器J和并聯(lián)諧振器轉(zhuǎn)換而成。根據(jù)低通原型元件數(shù)值和相對(duì)帶寬可以計(jì)算出各阻抗或?qū)Ъ{變換器參數(shù)，然后得到各電容間隙的電納。由歸一化電納可以計(jì)算出各諧振器的實(shí)際長(zhǎng)度。在給定兩接地板的間距以及中心導(dǎo)帶的厚度直接可以計(jì)算出各電容間隙，從而設(shè)計(jì)出電容間隙耦合帶通濾波器。
1．2 微波雙工器T型接頭設(shè)計(jì)
    微波雙工器T型接頭不僅起到功率分配的作用，同時(shí)起到端口匹配作用。如圖3所示為了使兩個(gè)濾波器相互不影響，在端口2低通濾波器前還需要串聯(lián)一段長(zhǎng)度為λ1／4(λ1為端口3帶通濾波器中心頻率的介質(zhì)波長(zhǎng))阻抗為50 Ω的特性阻抗微帶傳輸線變換后接到公共輸入端口1，使得帶通濾波器的傳輸頻率在低通濾波器端短路，經(jīng)過(guò)λ1／4傳輸線阻抗后變成開(kāi)路，從而不影響端口2的低通濾波器。

    由于T型接頭效應(yīng)，實(shí)際的串聯(lián)微帶線長(zhǎng)度要略小于λ1／4，其具體的長(zhǎng)度可以先根據(jù)濾波器中心介質(zhì)波長(zhǎng)計(jì)算λ1／4變換微帶線的長(zhǎng)度來(lái)設(shè)定一個(gè)初始值，然后用ADS軟件進(jìn)行優(yōu)化確定。同理，在端口3帶通濾波器前也要串聯(lián)一段λ2／4(λ2為端口2低通濾波器中心頻率的介質(zhì)波長(zhǎng))阻抗為50Ω的特性阻抗傳輸線，使低通濾波器的傳輸頻率在帶通濾波器端短路，經(jīng)過(guò)λ2／4傳輸線阻抗后變成開(kāi)路，從而不影響端口3的帶通濾波器。

2 微波雙工器的設(shè)計(jì)
2．1 微波雙工器的仿真設(shè)計(jì)
    本文設(shè)計(jì)的微波雙工器是由上面分析的高、低阻抗線低通濾波器和電容間隙耦合帶通濾波器通過(guò)T型接頭并聯(lián)構(gòu)成。微波雙工器原理圖3所示，設(shè)計(jì)的微波雙工器的兩信號(hào)通道分別為0～400 MHz和1．5～4．5 GHz。在設(shè)計(jì)過(guò)程中發(fā)現(xiàn)，由公式計(jì)算的尺寸和仿真的結(jié)果有一定的出入，這主要由于公式是在理想條件下簡(jiǎn)易模型計(jì)算出來(lái)的，沒(méi)有考慮各個(gè)環(huán)節(jié)的互相影響，而仿真模擬盡可能的考慮到這方面的影響。實(shí)際影響器件頻率響應(yīng)的還有很多其它因數(shù)，如貼片的邊緣電容對(duì)電磁波的影響，介質(zhì)損耗等等，因此響應(yīng)特性在頻率上有一定的搬移。為了滿足微波雙工器小型化的要求，對(duì)其低通濾波器的高阻抗線部分進(jìn)行了折彎倒角設(shè)計(jì)，同時(shí)在其帶通濾波器的設(shè)計(jì)過(guò)程中采用了保留電容的設(shè)計(jì)，這種方法在頻率不是很高的情況下能夠進(jìn)一步減小微波雙工作器的尺寸(因?yàn)橐话愕碾娙菰诟哳l存在寄生通道，這將影響濾波器的頻率特性)。實(shí)驗(yàn)中，采用陶瓷介質(zhì)基板作為微波雙工器的制作材料，介質(zhì)的相對(duì)介電常數(shù)εr=3．5，介質(zhì)襯底厚度為h=0．8 mm，微帶金屬導(dǎo)體厚度t=0．035 mm介質(zhì)的損耗角正切tg δ=0．001 8。微波雙工器結(jié)構(gòu)如圖4所示，利用ADS軟件對(duì)連接構(gòu)成的微波雙工器進(jìn)行優(yōu)化仿真，最終實(shí)現(xiàn)高隔離度的微波雙工器。

2．2 微波雙工器調(diào)試和測(cè)試結(jié)果
    實(shí)驗(yàn)采用矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀對(duì)微波雙工器進(jìn)行調(diào)試。實(shí)驗(yàn)中帶通濾波器通過(guò)調(diào)節(jié)并聯(lián)微帶線的長(zhǎng)度來(lái)改變并聯(lián)電感大小，從而可以改善帶通濾波器的頻率響應(yīng)；低通濾波器通過(guò)調(diào)節(jié)微帶線與地線之間的距離來(lái)改變耦合電容大小，從而可以改善低通濾波器的頻率響應(yīng)。實(shí)驗(yàn)分別對(duì)微波雙工器的插入損耗和隔離度進(jìn)行測(cè)試，測(cè)試結(jié)果如下圖。

    微波雙工器傳輸特性曲線測(cè)試結(jié)果圖5所示，在0～800 MHz和1．5～4．5 GHz頻率范圍內(nèi)插入損耗小于0．2 dB。微波雙工器雙傳輸通道的隔離度測(cè)試結(jié)果圖6所示，在0～400MHz和1．5～4．5 GHz頻率范圍內(nèi)隔離度大于50 dB，完全滿足設(shè)計(jì)要求。

3 結(jié)語(yǔ)
    本文由高、低阻抗線低通濾波器和電容間隙耦合帶通濾波器通過(guò)T型接頭并聯(lián)合成微波雙工器，充分利用微波仿真軟件ADS強(qiáng)大的功能來(lái)提高微波雙工器設(shè)計(jì)效率和可靠性，其仿真結(jié)果與測(cè)試結(jié)果符合很好。該微帶型雙工器隔離度高、結(jié)構(gòu)緊湊、研制周期短、性能穩(wěn)定已經(jīng)在微波效應(yīng)注入實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)中獲得良好的應(yīng)用。