微波多工器的讨论

摘 要 近些年，随着无线通信技术的发展，目前的一些微波元器件的性能已经不能满足技术发展的要求，急需提高，而微波滤波器作为一种重要的微波元器件在近些年也得到很大的发展，对微波滤波器理论和设计方法的研究，已经引起国内外器件工程师的极大兴趣，而微波多工器是微波滤波器向更复杂的领域发展的具体体现。

关键词 微波滤波器；谐振器；多工器

中图分类号 TN 文献标识码 A 文章编号 1673-9671-(2010)112-0131-01

1 微波多工器的由来和发展.

在目前实际应用中，雷达，微波通信，移动通信等部门中多频率，多信道工作的要求越来越普遍，对分隔频率的要求也越来越高，所以需要使用大量的各种形式的微波滤波器。由于微波滤波器工作频率极高，就不能像低频滤器那样使用集中参数的电感电容元件组成。普通集中元件只能用在1000兆赫以下，当频率超过1000兆赫以后，集中元件的尺寸太小，无法实现，因而需采用半集中参数或分布参数结构，但微波集成电路出现以后，虽然一般的电路结构都采用微带线，然而在微波低端其元件的尺寸甚大，不符合微型化要求，于是又重新提出并研制集中参数结构。这是因为，在微波集成电路中，能够把集中元件电容器和电感器制作的很小，使得集中参数微波滤波器可以用于L波段甚至S波段中，然而到了厘米波段，滤波器就只能采用波导或微带线等分布参数结构了。

随着频率拥挤程度的增加以及制造技术的提高，对滤波器指标要求也越来越高，这促进了滤波器制造设计技术的发展和提高。滤波器的小型化和轻型化也是当今滤波器制造技术发展的一个重要方面。由于微电子技术在上个世纪的迅速发展，电子设备的体积和重量得到了迅速减少，而性能得到很大提高。这就要求设备中所含的滤波器的体积和重量也要作同步的缩减，滤波器的小型化是当今电子设备制造业中的迫切要求。随着无线通信的个人化，宽带化，越来越要求人性化以及高性能的终端结构，促使了包括滤波器在内的射频元器件的微型化和可集成化，同时也产生了各种结构和性能的射频滤波器从而进一步满足了小体积，轻重量微波系统的要求。

在通信系统中，常常要分离或者合成不同频率的信号，这时多工器出现了。从功能上来看，多工器相当于多个具有特定通带的滤波器的并联和串联。多工器可看作一系列滤波器组合而成。

2 微波多工器指标

由于滤波器的主要功能是从众多的电磁信号中分理处某一特定频段内的信号，拒绝其他频段的信号，因此滤波器的幅度频率特性使我们关注的主要技术性能，而衡量微波滤波器性能的主要指标如下：

通带带宽，插入损耗，回波损耗，品质因数，端口特性阻抗，波纹系数，群延迟，寄生通带，传输零点。

3 微波多工器的综合设计方法及其困难

理想的滤波器应该是这样一种两端口网络：在通带范围内它能使信号完全传输，而在阻带范围内它使信号完全不能传输。然而在实际工程能够，我们只能设计一个尽可能接近理想滤波特性的滤波器，并用散射参数来描述它的性能。低频模拟电路中的滤波器是用LC谐振回路构成的，其特点是电感，电容和电阻等电路元件为集总参数元件，他们的尺寸远小于工作波长，因此，信号通过滤波器时电磁波传播的幅度和相位可以看成是不变的。但是在微波波段，随着频率的升高，特别是当工作波长与元件尺寸可以相比拟的时候，就必须考虑电磁波幅度与相位的变化，这时集总元件滤波器失去其原有特性。在这种情况下，就需要使用参数滤波器来代替。尽管微波电路元件频率特性复杂，人们还是研究出了微波滤波器综合设计的方法，在具体设计腔体滤波器时，从插入损耗入手，是近年来应用很多的设计方法。它的基本步骤大致如下所述。首先根据给定的技术指标利用网络综合理论确定归一化低通原型滤波器的集总参数值，然后经过阻抗变换实现与信号源和负载的匹配，再经过频率变换实现要求的通带形式，这样就得到了有集总参数元件实现的电路结构。对于微波滤波器的设计，最后还需要把集总参数元件用分布参数的微波结构来实现，这是最关键也是最难的一步，因为这步是实现从电路结构到具体的滤波器物理外型尺寸。插入损耗设计法的优点是设计准确，且设计时已经考虑到到了外接负载的影响，它的缺点是需要用到比较复杂的网络理论，特别是在串并联谐振回路结构复杂的情况下，极少用开路，短路短截线级联来实现，但是依据这种基本理论衍生而出的其它多种设计过程和结构形式却得以在实际中广泛使用。

传统的多工器设计策略，首先单独设计各个通道的滤波器，最后通过优化接头处的电长度来补偿各个通路的相互影响。由于要对整个多工器模型进行全波仿真，所以非常耗时并且常常得不到好的结果，在通道之间的通带相隔很近的情况下，各个通路相互影响则更加严重。纵观整个设计策略，主要问题出在滤波器设计过程中没有考虑其他滤波器通路的影响，以此为切入点，笔者首先通过MATLAB编程来实现电路优化，综合考虑多个滤波器间的影响，对多工器中各个滤波器的电路元件参数进行优化，然后在此基础上，通过用HFSS软件建模，运用电容加载技术，缩小体积，得到具体的物理尺寸，再通过MATLAB编程来达到对尺寸的优化，从而完成整个设计。

在具体设计时，可能会有一些问题，同时提出解决的方法。

1）用MATLAB软件优化参数时，可能达不到预想的效果，这主要和优化算法的选取有关，如何得到全局最优解，因而在优化具体参数时，采用多目标优化算法（遗传算法），综合考虑回波损耗，插入损耗，阻带衰减的指标，以求达到的指标均衡。

2）在机械加工和调试中，滤波器和双工器的测试曲线与仿真时的曲线有差异，一般情况下都是成品的测试曲线中各项性能指标要差些，主要是因为在加工过程中，实际的条件不能与理想状况相比，因而在具体设计时，可以通过设计一些调谐螺钉，使做出成品后，通过调节调谐螺钉来达到改善成品的某些性能指标，而对一些容易氧化的部分，通过镀银等一些工艺来减小误差，从而达到改善成品的性能。

4 微波滤波器的进展

1）从个别应用到一般应用。早期由于微波设备所承担的任务较低级，还有微波滤波器的分析，设计和制造均很繁难，所以人们一般直接应用单腔谐振器，而较少地把他们组合成具有优良性能的微波滤波器，随着微波理论和技术的发展，微波波段中电子设备的增多，频谱的拥挤，加之电子对抗技术的普遍应用，促使微波滤波器在应用的广度和深度上都有很大的进展。

2）设计方法从繁到简，从粗糙到精确。以前人们用场和波的方法对一些简单的微波滤波器结构进行分析和设计，已感到很困难，但现在却可以成套地应用现代综合理论成果，顺利的进行各种微波滤波器的综合了，并有电子计算机所解出的大量的曲线和数据可用，简化了人工计算，提高了设计精度。

3）型式多样和元件化，标准化。由于应用的广泛和设计制造工艺的进展，微波滤波器已从极少的几个品种发展到数以十计的结构类型。一些常用的结构已元件化和标准化，印刷电路式或微波集成电路式的微波滤波器亦开始广泛研制。

4）与其他有源或无源微波元件和器件的结合，日益密切。现在，微波滤波器已成为无源微波元件的主角之一，它不仅能完成本身的任务，而且能代替其他一些微波元件的功能，或者把另外一些微波元件看成微波滤波器结构来进行设计。

5）各种新型材料用于微波滤波器。微波材料的进步及其在微波滤波器中的应用，大大地提高了滤波器的性能。例如微波铁氧体，铁电体，等离子体，超导体都已开始成功地用于微波滤波器中。

6）调谐的高速和自动化。由当初对微波单腔谐振器的调谐都很困难，更不要说多个谐振器组合成的滤波器了。但现在已可以对微波滤波器进行快速电调，例如钇铁榴石磁调滤波器和变容管电调滤波器就是最好的范例。

7）向新波段进军。人们对毫米波和亚毫米波滤波器的兴趣正在日益增长，研制这一新波段的滤波器除了发展厘米波波段已有的技术外，还广泛引用光学上的成果。随着新型功率源和传输线的研制，这些新波段滤波器的研制工作将更加活跃。

参考文献

[1]广东邮电学校,微波技术基础.人民邮电出版社,1980.

[2]甘本钹,吴万春.现代微波滤波器的结构与设计.西安电子科技大学出版社,1973.

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