微波注入实验用高隔离度双工器的研究

摘要：微波注入实验要求微波注入电路和效应监测电路的接入不影响正常的电路器件工作状态，同时要求注入电路隔离度足够大。在此设计了一种高隔离度微波双工器0～800MHz和1．4～4．5 GHz，两信号通道内插入损耗小于0．2 dB；0～400 MHz和1．5～4．5 GHz两信号通道隔离度大于50 dB。这种微带线型双工器结构紧凑、研制周期短、性能稳定已经在微波效应注入实验系统中获得良好的应用。
关键词：高隔离度；双工器；注入实验；插入损耗

    微波双工器是用来把一个信号频谱分开成2个频率范围的微波器件。它在微波毫米波通信、卫星通信、雷达、电子对抗、测试等系统中都有着广泛的应用。微带线型双工器是微波双工器的一个非常重要的分支。微带线型双工器结构紧凑，研制周期短，性能稳定，此外微带线型双工器可以实现高隔离度的优点，已经在高功率效应注入实验系统中获得应用。

1 微波注入实验用双工器
    微波注入效应实验是数字电路HPM效应机理研究的一个重要研究手段。效应机理研究注入实验系统设计如图1所示。微波脉冲经功率放大器后通过注入双工器与低频数字工作信号合路送入效应器件输入端口，数字电路输入、输出信号、微波脉冲输入和数字电路输出包含的微波脉冲信号由示波器监测，微波脉冲反射信号经检波后由示波器监测。

    数字电路效应机理注入实验研究系统是一个大功率在线测试系统，与侧重阈值效应注入电路实验设计方法有所不同，这里要求微波脉冲注入设计电路和效应监测电路的接入不影响正常的数字电路器件工作状态，如避免简单偏置电路对数字电路器件输入、输出电容加载效应；另外一点是要求注入电路隔离度足够大，即微波通道和数字逻辑电平信号通道之间具备很高隔离度，目的在于防止大功率微波脉冲泄漏功率对高精度测试仪器设备造成干扰甚至损伤。同时对于数字电路效应机理研究而言，需要更多观测输入、输出信号细节部分，如输出微波和数字低频信号的分离，输出微波信号频谱分析等，以便更好研究数字电路非线性效应过程与作用机理。
    针对注入效应实验功率源0．8～4 GHz频段范围，自行设计与加工了0～100MHz／1．5～4．4 GHz注入双工器。注入双工器由一个低通滤波器和带通滤波器构成，低通滤波器传输器件正常工作低频信号，而带通滤波器传输注入微波脉冲，设计时注意带通滤波器的功率容量指标以及插损尽量小。
    微波双工器的设计方法大致有两种：一种是先设计好2个通道滤波器然后连接上T型或Y型结再对滤波器进行优化；另一种是设计好两通道滤波器再对T型或Y型结进行调整。不同的设计方法主要在于滤波器的结构和T型或Y型结的结构不同以及它们之间匹配的技术不同。本文设计的高隔离度微带线型双工器采用先分别设计高、低阻抗线低通滤波器和电容问隙耦合带通滤波器，然后连接T型结进行匹配调整。
1．1 通道滤波器的设计
    集总元件低通滤波器是现代网络综合法设计微波滤波器的基础。根据滤波器理论和一般的设计方法，在设计各种滤波器时，一般从归一化低通滤波器出发，通过函数关系可以变换为高通、带通或带阻滤波器。
    如图2所示是一种双终端低通滤波器的梯形电路，g0，g1，g2，…gn，gn+1是电路中个元件的数值，它们是由网络综合法得出的。简单说来，网络综合方法首先是把传输系数(或其转移函数)确定为复平面上的函数，由此求出复平面上的输入阻抗。然后把该输入阻抗表示成连分数或部分分式，从而得到电路元件的数值。

    不同近似特性的滤波器在通频带内和通频带外的幅度频响曲线的起伏性，过渡频带的下降速度，通频带内相位频率特性等有很大差异，设计中首先要做的就是根据使用条件选择滤波器的形式，即滤波器的近似特性，然后完成设计。为了实现好的阻带衰减特性和平坦的通带波纹，本文采用Chebyshev型滤波器来设计。Chebyshev低通原型滤波器的衰减特性，其数学表达式为：
   
    式中：是通带内衰减最大值。这种特性滤波器同样可以用图2梯形电路来实现。上式中n就是该梯形电路的电抗元件数目。若n为偶数，则响应内LA=0的频率有n／2个；若n为奇数，则LA=0的频率有(n+1)／2个。对于两端都接电阻的双终端Chebyshev低通原型滤波器，设其通带波纹为LAr，g0=1，ω1’=1(归一化)，则其他元件数值可用下式计算：
   
    高、低阻抗线低通滤波器首先选定滤波器中的高、低阻抗值，设计出各高、低阻抗线中心导带宽度，在给定高、低阻抗值和两接地板的间距以及中心导带的厚度后，查表计算出各线段的宽度；根据滤波器实际元件数值和不连续阶梯的边缘电容值，可以计算出各高、低阻抗线的长度。最后修正两端阻抗的长度，以补偿它们与50 Ω传输线间的不连续性。带通滤波器可以由图2低通原型滤波器经阻抗变换器K和串联谐振器或导纳变换器J和并联谐振器转换而成。根据低通原型元件数值和相对带宽可以计算出各阻抗或导纳变换器参数，然后得到各电容间隙的电纳。由归一化电纳可以计算出各谐振器的实际长度。在给定两接地板的间距以及中心导带的厚度直接可以计算出各电容间隙，从而设计出电容间隙耦合带通滤波器。
1．2 微波双工器T型接头设计
    微波双工器T型接头不仅起到功率分配的作用，同时起到端口匹配作用。如图3所示为了使两个滤波器相互不影响，在端口2低通滤波器前还需要串联一段长度为λ1／4(λ1为端口3带通滤波器中心频率的介质波长)阻抗为50 Ω的特性阻抗微带传输线变换后接到公共输入端口1，使得带通滤波器的传输频率在低通滤波器端短路，经过λ1／4传输线阻抗后变成开路，从而不影响端口2的低通滤波器。

    由于T型接头效应，实际的串联微带线长度要略小于λ1／4，其具体的长度可以先根据滤波器中心介质波长计算λ1／4变换微带线的长度来设定一个初始值，然后用ADS软件进行优化确定。同理，在端口3带通滤波器前也要串联一段λ2／4(λ2为端口2低通滤波器中心频率的介质波长)阻抗为50Ω的特性阻抗传输线，使低通滤波器的传输频率在带通滤波器端短路，经过λ2／4传输线阻抗后变成开路，从而不影响端口3的带通滤波器。

2 微波双工器的设计
2．1 微波双工器的仿真设计
    本文设计的微波双工器是由上面分析的高、低阻抗线低通滤波器和电容间隙耦合带通滤波器通过T型接头并联构成。微波双工器原理图3所示，设计的微波双工器的两信号通道分别为0～400 MHz和1．5～4．5 GHz。在设计过程中发现，由公式计算的尺寸和仿真的结果有一定的出入，这主要由于公式是在理想条件下简易模型计算出来的，没有考虑各个环节的互相影响，而仿真模拟尽可能的考虑到这方面的影响。实际影响器件频率响应的还有很多其它因数，如贴片的边缘电容对电磁波的影响，介质损耗等等，因此响应特性在频率上有一定的搬移。为了满足微波双工器小型化的要求，对其低通滤波器的高阻抗线部分进行了折弯倒角设计，同时在其带通滤波器的设计过程中采用了保留电容的设计，这种方法在频率不是很高的情况下能够进一步减小微波双工作器的尺寸(因为一般的电容在高频存在寄生通道，这将影响滤波器的频率特性)。实验中，采用陶瓷介质基板作为微波双工器的制作材料，介质的相对介电常数εr=3．5，介质衬底厚度为h=0．8 mm，微带金属导体厚度t=0．035 mm介质的损耗角正切tg δ=0．001 8。微波双工器结构如图4所示，利用ADS软件对连接构成的微波双工器进行优化仿真，最终实现高隔离度的微波双工器。

2．2 微波双工器调试和测试结果
    实验采用矢量网络分析仪对微波双工器进行调试。实验中带通滤波器通过调节并联微带线的长度来改变并联电感大小，从而可以改善带通滤波器的频率响应；低通滤波器通过调节微带线与地线之间的距离来改变耦合电容大小，从而可以改善低通滤波器的频率响应。实验分别对微波双工器的插入损耗和隔离度进行测试，测试结果如下图。

    微波双工器传输特性曲线测试结果图5所示，在0～800 MHz和1．5～4．5 GHz频率范围内插入损耗小于0．2 dB。微波双工器双传输通道的隔离度测试结果图6所示，在0～400MHz和1．5～4．5 GHz频率范围内隔离度大于50 dB，完全满足设计要求。

3 结语
    本文由高、低阻抗线低通滤波器和电容间隙耦合带通滤波器通过T型接头并联合成微波双工器，充分利用微波仿真软件ADS强大的功能来提高微波双工器设计效率和可靠性，其仿真结果与测试结果符合很好。该微带型双工器隔离度高、结构紧凑、研制周期短、性能稳定已经在微波效应注入实验系统中获得良好的应用。