CN118336322A - 一种高性能x频段波导双工器及其设计方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提出一种高性能X频段波导双工器及其设计方法，首先基于矩形波导设计非对称形式多模谐振腔，然后利用矩形宽边变化模式匹配算法，设计工作于要求频段的两种多模滤波器，再设计T型连接头，最后将T型接头与两种滤波器联合，对双工器整体尺寸进行优化设计。通过该设计方法能够快速、高效、准确的设计得到高性能X频段波导双工器，且设计的双工器电气与结构设计合理，可以一次性机加工而成，制作的双工器成品率较高且不需要额外的调试工作；大大提高了X频段双工器的研制周期。
Description
技术领域
本发明涉及卫星通信天线技术领域，具体为一种高性能X频段波导双工器及其设计方法。
背景技术
双工器是天线系统中的重要微波元件，它使用两个并联带通滤波器，根据频率将输入信号划分为两个输出信号。移动卫星通信天线终端和地面站天线中使用的双工器要求不仅要求具有较高的电气性能，且具有低成本、易实现等特点。通信卫星的射频链路需要高性能的双工器从而降低发射机和接收机等有源射频设备的设计难度，性能优异的双工器使得整个通信系统链路的性能得到了极大的提高。
现有的双工器存在隔离度低、插损大、耐功率容量低的缺点，并且现有双工器在设计加工完成后，需要花费大量的时间进行调试。究其原因是，目前双工器在设计过程中未考虑实际应用场景，电气与结构优化过程简单，难点满足高性能双工器设计要求。
发明内容
针对现有技术存在的问题，本发明提出一种高性能X频段波导双工器及其设计方法，首先基于矩形波导设计非对称形式多模谐振腔，然后利用矩形宽边变化模式匹配算法，设计工作于要求频段的两种多模滤波器，再设计T型连接头，最后将T型接头与两种滤波器联合，对双工器整体尺寸进行优化设计。
本发明的技术方案为：
一种高性能X频段波导双工器的设计方法，包括以下步骤：
步骤1：基于矩形波导设计非对称形式多模谐振腔，确定多模谐振腔尺寸初始值；
步骤2：利用步骤1的参数初始值，利用矩形宽边变化模式匹配算法，设计工作于要求频段范围的两种基于矩形多模谐振腔的多模滤波器；
步骤3：根据双工器的电性能指标，设计T型连接头，所述T型连接头将步骤2设计的多模滤波器连接实现功率的分配与信号的隔离；
步骤4：将T型接头与将步骤2设计的多模滤波器联合，对双工器整体尺寸进行优化设计。
进一步的，步骤1中，多模谐振腔采用的工作模式为TE102和TE201模式，并根据工作模式的截止频率确定矩形波导的宽边初始尺寸；矩形波导阶数与谐振腔尺寸满足等式：
其中m，n，p，q为矩形波导阶数，a和l为矩形波导宽边尺寸与长度，从而确定矩形波导的长度初始尺寸。
进一步的，步骤1中，对于多模谐振腔而言，通带中谐振腔传输TE102模式，用于实现较低的带内回波损耗，阻带中谐振腔传输TE201模式，用于实现阻带中的传输零点。
进一步的，步骤1中，假设与滤波器的高度b相关的本征值等于零，并且所有工作模式都具有相同的谐振频率。
进一步的，步骤2中，根据所需要的双工器指标设计满足指标的低通滤波器与高通滤波器，得到滤波器相关参数。
进一步的，步骤2中，所述模式匹配算法中，通过匹配不连续处电场和磁场的切向分量获得波导不连续处的广义散射矩阵，并对不同的结构求得的广义散射矩阵级联得到滤波器的S参数；基于滤波器的S参数以及步骤1得到的多模谐振腔尺寸初始值，以通带中的回波损耗和阻带中的隔离度为优化目标，对滤波器参数进行优化，最终得到低通滤波器和高通滤波器的相关参数。
进一步的，步骤4中，首先利用有限元方法计算T型接头三个端口的S参数，然后将T型接头三个端口的S参数与低通滤波器和高通滤波器S参数级联，获得双工器的初始模型，再利用模式匹配算法对整体双工器尺寸进行优化设计。
进一步的，设计的双工器工作于7.25-7.75GHz与7.9-8.4GHz，在150MHz频带间隔内，接收和发射端口之间的隔离度优于85dB，在两个工作频带内双工器插入损耗均小于0.5dB。
本发明还提出一种高性能X频段波导双工器，利用上述方法设计得到。
有益效果
与现有技术相比，本发明的有益效果：
1、本发明提出的设计方法，能够快速、高效、准确的设计得到高性能X频段波导双工器，且设计的双工器电气与结构设计合理，可以一次性机加工而成，制作的双工器成品率较高且不需要额外的调试工作；大大提高了X频段双工器的研制周期。
2、得到的双工器由矩形多模谐振腔组成，工作于X频段，其中接收频率为7.25-7.75GHz，发射频率为7.9-8.4GHz，在150MHz的收发频带比内实现了90dB隔离度与0.5dB低插入损耗，同时由于波导为金属结构，具有极高的耐功率容了量特性。
本发明的附加方面和优点将在下面的描述中部分给出，部分将从下面的描述中变得明显，或通过本发明的实践了解到。
附图说明
本发明的上述和/或附加的方面和优点从结合下面附图对实施例的描述中将变得明显和容易理解，其中：
图1为矩形波导多模谐振腔示意图；
图2为典型滤波器示意图；
图3为矩形波导示意图；
图4为多模谐振腔S参数计算结果；
图5为多模谐振腔电场分布示意图；
图6为多模滤波器示意图；
图7为滤波器S参数计算结果；
图8为T型接头与T型接头S参数计算结果；
图9为双工器模型示意图；
图10为双工器仿真计算结果；
图11为双工器实物图；
图12为双工器实测结果。
具体实施方式
下面详细描述本发明的实施例，所述实施例是示例性的，旨在用于解释本发明，而不能理解为对本发明的限制。
本实施例中，要求设计的双工器工作于7.25-7.75GHz与7.9-8.4GHz，在150MHz频带间隔内，接收和发射端口之间的隔离度优于85dB，在两个工作频带内双工器插入损耗均小于0.5dB。该双工器通过铝型材精密加工制造而成，加工制作后不需要额外的调试工作。
本实施例中采用的高性能X频段波导双工器的设计方法，包括以下步骤：
步骤1：基于矩形波导设计非对称形式多模谐振腔；
典型的矩形波导谐振腔如图1所示。矩形波导可以看作是高通滤波器。矩形波导的主模是TE10模，工作模式的截止频率取决于矩形波导的宽度。因此，波导工作模式可以根据波导尺寸进行选择。
如图3所示，矩形波导谐振腔的谐振频率与矩形波导参数a、b、l有关。a和l为矩形波导宽边尺寸与长度，b为滤波器的高度，在本发明中，我们假设与b相关的本征值等于零，并且所有工作模式都具有相同的谐振频率。则TEm0n模式和TEp0q模式中，矩形波导阶数与谐振腔尺寸应满足如下等式，其中m，n，p，q为矩形波导阶数：
由多模原理构成的双工器具有插入损耗小，耐功率高等优势，通过对单矩形波导谐振腔分析，多模谐振腔的工作模式为TE102和TE201模式，单谐振腔仿真结果如图4和图5所示，从图4可以看出，多模谐振腔可形成传输零点，从图5所示的电场分布来看，通带中谐振腔传输TE102模式，用于实现较低的带内回波损耗，而阻带中谐振腔传输的是TE201模式，用于实现阻带中的传输零点。
此外插入损耗是滤波器的关键指标，在谐振器式滤波器中，谐振腔的品质因数Q对插入损耗有很大影响。在波导谐振腔系统中，可以通过改变波导谐振器的高度b来调节品质因数Q，从而可以降低滤波器的插入损耗。此外，通过降低滤波器的高度b，还可以避免波导系统中的多径效应，使得滤波器可以应用于高功率的使用场景中。
基于上述分析，根据工作频段要求和双工器设计指标要求，以及上述矩形波导阶数与谐振腔尺寸之间的关系公式，选择矩形波导参数a、b、l的初始值，用于步骤2优化。
步骤2：利用步骤1的参数初始值，利用矩形宽边变化模式匹配算法，设计工作于X频段7.25GHz-7.75GHz与7.9GHz-8.4GHz的两种基于矩形多模谐振腔的多模滤波器。
主要是根据所需要的双工器电压驻波比、插入损耗、隔离度等指标设计满足指标的低通滤波器与高通滤波器，得到滤波器相关参数。本实施例中，两个滤波器通带分别为7.25GHz-7.75GHz与7.9GHz-8.4GHz，阻带为7.9GHz-8.4GHz与7.25GHz-7.75GHz，两种滤波器隔离度要求达到90dB，驻波≤1.35，典型滤波器模型如图2所示。利用矩形宽边变化模式匹配算法对滤波器参数进行优化设计。
为了拓宽通带的工作带宽，提高阻带的隔离度，本实施例在单模矩形波导谐振腔的基础上级联了7级矩形谐振器。矩形波导谐振器的宽度和长度分别为a1至a7和wg1至wg7。间隙的长度为g1到g8。间隙距离底部的距离为det1到det5。输入和输出波导的尺寸是标准波导WR112(a＝28.5mm b＝12.6mm)。
利用模式匹配算法结合优化算法在步骤1初始参数基础之上，得到了整体滤波器的尺寸参数。
模式匹配法的关键在于计算波导不连续处的广义散射矩阵，该矩阵通过匹配不连续处电场和磁场的切向分量而获得。
矩形波导主模TE10模式激励时，会在不连续处产生TEmn及TMmn模式，TE模式及TM模式的下标分别为mh，nh和me，ne，即TEmhnh，TMmene。p和p代表波导I区和II区中第p和第q个模式。
由于本申请中H边变换模型是非对称模型，因此取m＝1,2,3,5...，n＝0，这样可以减小矩阵的维度，提高计算效率。δ是科罗迪克函数，是考虑到m和n为0时的系数补偿。
首先可以得到不连续区域I区和II区的本征函数表达式：
其次，利用I区和II区的本征函数可以得到模式之间的耦合矩阵M：
其中Q是功率归一化系数：
求得了上述表达式后，对表达式进行化简和降维，节约计算时间，可以得到广义散射矩阵：
S11＝-(U+MMT)-1(U-MMT)
S12＝2(U+MMT)-1M
S21＝MT[U+(U+MMT)(U-MMT)]
S22＝U-M(U+MMT)-1MT
最后，求得E边不连续变化的广义散射矩阵之后，对不同的结构求得的广义散射矩阵级联从而得到整个器件的S参数。利用微波网络的知识可以得到两个两端口网络级联公式如下：
式中S11，S12，S21，S22为级联后得到的广义S参数，和 是两个两端口器件的S参数。通过以上公式推导，可以计算出来矩形波导H边变换结构的S参数，通过级联就能得到H边变换滤波器的参数。
因为该滤波器的计算结果随参数线性变化。因此，牛顿法和惩罚法可以用来优化滤波器的参数。在滤波器的设计过程中，初始值由多模谐振腔获得，目标函数包含通带中的回波损耗和阻带中的隔离度，优化变量为滤波器相关参数。通过上述优化过程可获得低通滤波器和高通滤波器的相关参数。
步骤3：对T型连接头设计；
根据双工器的电性能指标，设计T型连接头，T型连接头将两个设计好的滤波器连接从而实现功率的分配与信号的隔离。T型连接头在设计时需在满足结构安装尺寸的前提下具有较低的回波损耗特性。此外，T型接头设计不应过于复杂，从而避免无源互调信号的产生。
本实施例设计了E面变化的波导T型结，T型接头每个端口的尺寸为28.5mm*12.6mm，T型接头和T型接头回波损耗的计算结果如图8所示。T型结在工作频带中具有较低的插入损耗与理想的回波损耗，从计算结果中可以看出公共端口的回波损耗小于-10dB。
步骤4：将T型接头与两种滤波器联合，对双工器整体尺寸进行优化设计。
在设计完成步骤2和步骤3设计后，需要将T型连接头与低通滤波器、高通滤波器进行级联设计，该阶段利用有限元方法将T型接头三个端口的S参数进行计算，并且将计算得到的T型接头S参数提取到模式匹配算法中，然后将提出的三端口T型接头S参数与两个滤波器S参数级联从而获得双工器的初始模型，利用模式匹配算法对整体双工器尺寸进行优化设计，在原有滤波器的尺寸基础上，对参数进行调整使得双工器接收频率、发射频率回波损耗≤-20dB，隔离≥90dB，整体尺寸达到预期。
最终得到的双工器模型如图9所示。图10是双工器的计算结果。双工器由接收端口、发射端口和公共端口组成。实线、短划线和点划线分别表示公共端口的回波损耗(|S11|)和接收端口与发射端口的端口隔离度(|S12|和|S13|)。可以看出，|S11|在接收和发射频段内均小于-20dB。端口之间的隔离度优于95dB。计算结果表明，双工器达到了预期的性能，结果符合实际指标要求。
设计完成后，进行双工器的加工制作与测试。
双工器总尺寸为300mm*60mm*35mm，双工器的实物如图11所示。为了便于制作和调整，双工器由一个T形接头、两个滤波器和一些连接的螺钉组成。通过合理的结构与电气设计，保证双工器的指标要求，并利用铝型材对双工器模型进行精密加工。加工完成后，利用矢量网络分析仪、波导负载、波导同轴转换对双工器进行测试。双工器由安立37269A矢量网络分析仪、校准套件、BJ84波导同轴转换和波导负载进行测试，图12是仿真计算和测量的S参数结果。测量结果表明，该双工器工作在接收(7.25-7.75GHz)和发射(7.9-8.4GHz)频段。发射端口和接收端口之间的隔离度都大于85dB。此外，测得的双工器在工作频带内回波损耗小于-20dB。在接收和发射频段，双工器的最大插入损耗分别为0.35dB和0.47dB。仿真计算结果与实测结果吻合良好。
尽管上面已经示出和描述了本发明的实施例，可以理解的是，上述实施例是示例性的，不能理解为对本发明的限制，本领域的普通技术人员在不脱离本发明的原理和宗旨的情况下在本发明的范围内可以对上述实施例进行变化、修改、替换和变型。
Claims (9)
1.一种高性能X频段波导双工器的设计方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤1：基于矩形波导设计非对称形式多模谐振腔，确定多模谐振腔尺寸初始值；
步骤2：利用步骤1的参数初始值，利用矩形宽边变化模式匹配算法，设计工作于要求频段范围的两种基于矩形多模谐振腔的多模滤波器；
步骤3：根据双工器的电性能指标，设计T型连接头，所述T型连接头将步骤2设计的多模滤波器连接实现功率的分配与信号的隔离；
步骤4：将T型接头与将步骤2设计的多模滤波器联合，对双工器整体尺寸进行优化设计。
2.根据权利要求1所述一种高性能X频段波导双工器的设计方法，其特征在于，步骤1中，多模谐振腔采用的工作模式为TE102和TE201模式，并根据工作模式的截止频率确定矩形波导的宽边初始尺寸；矩形波导阶数与谐振腔尺寸满足等式：
其中m，n，p，q为矩形波导阶数，a和l为矩形波导宽边尺寸与长度，从而确定矩形波导的长度初始尺寸。
3.根据权利要求2所述一种高性能X频段波导双工器的设计方法，其特征在于，步骤1中，对于多模谐振腔而言，通带中谐振腔传输TE102模式，用于实现较低的带内回波损耗，阻带中谐振腔传输TE201模式，用于实现阻带中的传输零点。
4.根据权利要求1所述一种高性能X频段波导双工器的设计方法，其特征在于，步骤1中，假设与滤波器的高度b相关的本征值等于零，并且所有工作模式都具有相同的谐振频率。
5.根据权利要求1所述一种高性能X频段波导双工器的设计方法，其特征在于，步骤2中，根据所需要的双工器指标设计满足指标的低通滤波器与高通滤波器，得到滤波器相关参数。
6.根据权利要求5所述一种高性能X频段波导双工器的设计方法，其特征在于，步骤2中，所述模式匹配算法中，通过匹配不连续处电场和磁场的切向分量获得波导不连续处的广义散射矩阵，并对不同的结构求得的广义散射矩阵级联得到滤波器的S参数；基于滤波器的S参数以及步骤1得到的多模谐振腔尺寸初始值，以通带中的回波损耗和阻带中的隔离度为优化目标，对滤波器参数进行优化，最终得到低通滤波器和高通滤波器的相关参数。
7.根据权利要求6所述一种高性能X频段波导双工器的设计方法，其特征在于，步骤4中，首先利用有限元方法计算T型接头三个端口的S参数，然后将T型接头三个端口的S参数与低通滤波器和高通滤波器S参数级联，获得双工器的初始模型，再利用模式匹配算法对整体双工器尺寸进行优化设计。
8.根据权利要求1所述一种高性能X频段波导双工器的设计方法，其特征在于，设计的双工器工作于7.25-7.75GHz与7.9-8.4GHz，在150MHz频带间隔内，接收和发射端口之间的隔离度优于85dB，在两个工作频带内双工器插入损耗均小于0.5dB。
9.一种高性能X频段波导双工器，其特征在于：利用权利要求1～8任一所述方法设计得到。
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