本發(fā)明涉及一種微波頻段雙工器，該雙工的兩個(gè)通道信號完全互補(bǔ)，即寬帶信號經(jīng)過雙工時(shí)可以被拆分為通帶信號和通帶之外的寬帶信號。如圖1所示。

背景技術(shù)：

傳統(tǒng)的微波雙工器是將兩路不同頻率的信號合成或?qū)⒁宦穼拵盘柌鸱譃閮陕凡煌l率的信號。兩路信號局限在一定的帶寬范圍內(nèi)，具有頻帶分離功能的能夠?qū)崿F(xiàn)真正意義上的互補(bǔ)功能，即帶通、帶阻通道的傳輸特性恰好為一個(gè)濾波器函數(shù)的傳輸函數(shù)和反射函數(shù)的設(shè)計(jì)方法和產(chǎn)品未見報(bào)道。

雖然帶通濾波器和帶阻濾波器的設(shè)計(jì)已經(jīng)是一個(gè)成熟技術(shù)，但是將兩個(gè)獨(dú)立設(shè)計(jì)的帶通濾波器和帶阻濾波器進(jìn)行簡單并聯(lián)不能形成本發(fā)明所述的互補(bǔ)雙工器的功能。這是由于眾所周知，帶通濾波器和帶阻濾波器的輸入阻抗為一個(gè)不等于1的復(fù)阻抗。而傳統(tǒng)的濾波器設(shè)計(jì)都是基于端口的歸一化阻抗為1的前提，所以將兩者并聯(lián)后，雙工器的帶通通道和帶阻通道會產(chǎn)生嚴(yán)重的相互影響，無法實(shí)現(xiàn)預(yù)設(shè)的互補(bǔ)雙工特性。

微波多工器用于將微波頻譜信號分離或合成，是通信系統(tǒng)中的重要組成部件?，F(xiàn)代微波系統(tǒng)對微波多工器提出了越來越高的可重構(gòu)特性的需求。而普通多工器的構(gòu)成是將多個(gè)通道濾波器按不同的方式組合起來，而后通過優(yōu)化連接元件達(dá)到多個(gè)通道濾波器的去耦，進(jìn)而構(gòu)成多工器。這種組成方式無法滿足可重構(gòu)需求，只能根據(jù)給定指標(biāo)需求完成單向化設(shè)計(jì)，無法重復(fù)利用。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本發(fā)明解決的技術(shù)問題為：克服現(xiàn)有技術(shù)不足，提出一種微波互補(bǔ)雙工器，用全互補(bǔ)雙工器的頻譜分離特性可以將系統(tǒng)的輸出頻譜分離為通帶內(nèi)信號和互調(diào)產(chǎn)生的帶外信號。將帶外雜散信號饋入頻譜儀就可以完成所有交調(diào)信號電平的測試。在超大功率系統(tǒng)中，系統(tǒng)末端的輸出濾波器的帶外信號如果反射回發(fā)射機(jī)會造成放大器燒毀，使用全互補(bǔ)雙工器可以將帶外信號經(jīng)帶阻通道引出到一個(gè)大功率負(fù)載。從功能上帶外信號是被負(fù)載吸收而不是返回源端，從而達(dá)到保護(hù)發(fā)射機(jī)的目的。

本發(fā)明解決的技術(shù)方案為：一種微波互補(bǔ)雙工器，包括：公共端口，通帶端口和阻帶端口、含帶通通道和帶阻通道；帶通通道的一端和帶阻通道的一端作為公共端，帶通通道的另一端作為通帶端口，帶阻通道的另一端作為通阻端口；當(dāng)一個(gè)寬頻帶信號由公共端口饋入時(shí)，通帶信號由通帶端口輸出，通帶之外的信號由阻帶端口輸出。

帶通通道的濾波器傳輸函數(shù)和帶阻通道的濾波器傳輸函數(shù)為一個(gè)廣義切比雪夫?yàn)V波器函數(shù)的傳輸函數(shù)和反射函數(shù)，能夠使雙工器在全頻帶內(nèi)實(shí)現(xiàn)良好匹配。

設(shè)一個(gè)廣義切比雪夫多項(xiàng)式由下式描述：

其中，F(xiàn)_N(ω)、P_N(ω)為根據(jù)需求確定的N階多項(xiàng)式函數(shù)，C_N(ω)為由這兩個(gè)多項(xiàng)式的比確定的函數(shù)。其中，N、n為濾波器的階數(shù)，由濾波器指標(biāo)所決定。ω為頻率變量。ω_n為濾波器低通原型的截止頻率，x_n為工作通帶的中心頻率。

那么由該多項(xiàng)式描述的濾波器的反射函數(shù)為：

傳輸函數(shù)為：

式中，E_N多項(xiàng)式由|E_N|²＝|F_N|²+|P_N|²求得；

帶通通道的傳輸函數(shù)S₂₁為

帶阻通道的傳輸函數(shù)S₃₁則定義為

由能量守恒定律，所述的雙工器的公共端口的反射函數(shù):

|S₁₁|²＝1-|S₂₁|²-|S₃₁|²＝0

即，在全頻帶范圍內(nèi)實(shí)現(xiàn)良好匹配；

S11、S21、S31為微波多端口網(wǎng)絡(luò)的網(wǎng)絡(luò)特性參數(shù)，S11為反射函數(shù)，描述的特性為除端口1外，其他端口接匹配負(fù)載時(shí)，端口1的反射系數(shù)。S21為傳輸函數(shù)，描述的特性為端口2接匹配負(fù)載時(shí)，能量從端口1到端口2的傳輸系數(shù)。S31為傳輸函數(shù)，描述的特性為端口3接匹配負(fù)載時(shí)，能量從端口1到端口3的傳輸系數(shù)。

互補(bǔ)雙工器原理電路，包括：公共端口，通帶端口和阻帶端口、帶通通道和帶阻通道；

帶通通道，包括：連接波導(dǎo)Y1、連接波導(dǎo)Y2、連接波導(dǎo)Y3、連接波導(dǎo)Y4、連接波導(dǎo)Y5、微波諧振器1、微波諧振器2、微波諧振器3、微波諧振器4；

帶阻通道，包括：連接波導(dǎo)X1、連接波導(dǎo)X2、連接波導(dǎo)X3、連接波導(dǎo)X4、連接波導(dǎo)X5、微波諧振器5、微波諧振器6、微波諧振器7、微波諧振器8；

微波諧振器1包括：電容C1和一個(gè)電感L1；

微波諧振器2包括：電容C2和一個(gè)電感L2；

微波諧振器3包括：電容C3和一個(gè)電感L3；

微波諧振器4包括：電容C4和一個(gè)電感L4；

連接波導(dǎo)Y1的一端和連接波導(dǎo)X1的一端連接公共端口，連接波導(dǎo)Y1的另一端連接電感L1的一端和連接波導(dǎo)Y2的一端，電感L1的另一端通過電容C1接地；

連接波導(dǎo)Y2的另一端連接電感L2的一端和連接波導(dǎo)Y3的一端，電感L2的另一端通過電容C2接地；

連接波導(dǎo)Y3的另一端連接電感L3的一端和連接波導(dǎo)Y4的一端，電感L3的另一端通過電容C3接地；

連接波導(dǎo)Y4的另一端連接電感L4的一端和連接波導(dǎo)Y5的一端，電感L4的另一端通過電容C4接地；

連接波導(dǎo)Y5的另一端連接通帶端口；

微波諧振器5包括：電容C5和一個(gè)電感L5；

微波諧振器6包括：電容C6和一個(gè)電感L6；

微波諧振器7包括：電容C7和一個(gè)電感L7；

微波諧振器8包括：電容C8和一個(gè)電感L8；‘

連接波導(dǎo)X1的另一端連接電感L5的一端,電感L5的另一端通過電容C6與連接波導(dǎo)X2的一端相連；

連接波導(dǎo)X2的另一端與電感L6的一端和連接波導(dǎo)X3的一端，電感L6的另一端通過電容C6接地；

連接波導(dǎo)X3的另一端連接電感L7的一端，電感L7的另一端通過電容C7與連接波導(dǎo)X4的一端相連

連接波導(dǎo)X4的另一端與電感L8的一端和連接波導(dǎo)X5的一端，電感L8的另一端通過電容C8接地；

連接波導(dǎo)X5的另一端連接阻帶端口。

本發(fā)明的一種微波互補(bǔ)雙工器，包括：公共端口，通帶端口和阻帶端口、帶通通道和帶阻通道；帶通通道，包括:微波諧振腔1、微波諧振腔2、微波諧振腔3、微波諧振腔4、連接波導(dǎo)A；微波諧振腔1、微波諧振腔2、微波諧振腔3、微波諧振腔4為長方體腔，一端開口，另一端封閉；

公共端口(端口1)與連接波導(dǎo)A的一端相連，連接波導(dǎo)A的另一端與帶阻端口(端口3)相連，連接波導(dǎo)A為矩形波導(dǎo)，微波諧振腔1、微波諧振腔3位于連接波導(dǎo)A的一側(cè)且微波諧振腔1、微波諧振腔3的開口端與連接波導(dǎo)A的腔體連通，微波諧振腔2、微波諧振腔4位于連接波導(dǎo)A的另一側(cè)，且微波諧振腔2、微波諧振腔4的開口端與連接波導(dǎo)A的腔體連通；

帶阻通道，包括：微波諧振腔5、微波諧振腔6、微波諧振腔7、微波諧振腔8、連接波導(dǎo)B；

微波諧振腔6、微波諧振腔8為長方體腔，一端開口，另一端封閉；

微波諧振腔5、微波諧振腔7為長方體腔，兩端開口，微波諧振腔5的一個(gè)開口端與連接波導(dǎo)B的一端相連，微波諧振腔5的另一個(gè)開口端與連接波導(dǎo)A的一端及公共端口相連，連接波導(dǎo)B的另一端連接微波諧振腔6的開口端和微波諧振腔7的一個(gè)開口端，微波諧振腔7的另一個(gè)開口端連接微波諧振腔8開口端和通帶端口(端口2)

微波諧振腔6、微波諧振腔8位于連接波導(dǎo)B的一側(cè)；

連接波導(dǎo)A與連接波導(dǎo)B垂直。

本發(fā)明相對于現(xiàn)有技術(shù)的優(yōu)點(diǎn)在于：

(1)本發(fā)明給出的互補(bǔ)雙工設(shè)計(jì)方法可以實(shí)現(xiàn)標(biāo)準(zhǔn)的頻帶分離功能，其帶通通道和帶阻通道的傳輸函數(shù)恰為一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)的濾波器函數(shù)的傳輸函數(shù)和反射函數(shù)。

(2)使用本發(fā)明提出的設(shè)計(jì)方法得到的互補(bǔ)雙工的公共端口在全頻帶范圍內(nèi)匹配，可以與其它功能的網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行任意級聯(lián)。從而實(shí)現(xiàn)微波無源子系統(tǒng)的模塊化設(shè)計(jì)。

(3)全互補(bǔ)雙工器給出了一種可重構(gòu)多工的解決方案，由于其公共端口在帶內(nèi)帶外均可以達(dá)到匹配，帶阻端在通帶外也可以達(dá)到匹配。所以使用多個(gè)互補(bǔ)雙工器簡單連接就可以構(gòu)成多工器。且多工器的各個(gè)通帶可以重復(fù)利用。也就是說，多工器可以用搭積木的辦法將基本元件進(jìn)行拼接完成。這些基本元件就是本專利涉及的全互補(bǔ)雙工器。

(4)使用互補(bǔ)雙工器還可以實(shí)現(xiàn)PIM測試系統(tǒng)的搭建。利用全互補(bǔ)雙工器的頻譜分離特性可以將系統(tǒng)的輸出頻譜分離為通帶內(nèi)信號和互調(diào)產(chǎn)生的帶外信號。將帶外雜散信號饋入頻譜儀就可以完成所有交調(diào)信號電平的測試。

(5)在超大功率系統(tǒng)中，系統(tǒng)末端的輸出濾波器的帶外信號如果反射回發(fā)射機(jī)會造成放大器燒毀，使用全互補(bǔ)雙工器可以將帶外信號經(jīng)帶阻通道引出到一個(gè)大功率負(fù)載。從功能上帶外信號是被負(fù)載吸收而不是返回源端，從而達(dá)到保護(hù)發(fā)射機(jī)的目的。

附圖說明

圖1為本發(fā)明原理電路圖；

圖2為本發(fā)明機(jī)加物理模型圖；

圖3為本發(fā)明結(jié)構(gòu)展開圖；

圖4為本發(fā)明性能曲線；

圖5為本發(fā)明雙工器原理圖；

圖6為本發(fā)明雙工器實(shí)現(xiàn)頻譜分離示意圖；

圖7為本發(fā)明雙工器構(gòu)成多工器組件示意圖。

具體實(shí)施方式

下面結(jié)合附圖和具體實(shí)施例對本發(fā)明進(jìn)行詳細(xì)說明。

本發(fā)明的基本思路為：提出一種微波互補(bǔ)雙工器，該雙工器為一個(gè)三端口微波無源器件，包括帶通通道和帶阻通道。其特征在于：當(dāng)一個(gè)寬頻帶信號由公共端饋入時(shí)，雙工器的帶通通道的輸出為通帶信號，而帶阻通道的輸出為寬帶信號剔除通帶信號之外的頻譜信號。雙工器的帶通通道在通帶內(nèi)良好匹配，阻帶在通帶外可以實(shí)現(xiàn)良好匹配，而公共端在全頻帶內(nèi)良好匹配。所述的互補(bǔ)雙工器能夠?qū)崿F(xiàn)微波頻段的頻譜分離或合成功能?？捎糜谟糜跍y量一個(gè)寬帶信號中的指定頻段的頻譜分量，比如無源互調(diào)的測量。此外使用該雙工器作為基本模塊級聯(lián)后構(gòu)成多工器。最后，在雙工器的阻帶通道輸出端接匹配負(fù)載，可以實(shí)現(xiàn)一個(gè)吸收式濾波器。

本發(fā)明涉及的微波全互補(bǔ)雙工可以實(shí)現(xiàn)兩個(gè)通道的傳輸特性為一個(gè)濾波器函數(shù)的傳輸函數(shù)和反射函數(shù)的特性。其特征在于：當(dāng)一個(gè)寬頻帶信號由公共端饋入時(shí)，雙工器的帶通通道的輸出為通帶信號，而帶阻通道的輸出為寬帶信號剔除通帶信號之外的頻譜信號，如圖6所示。所述的互補(bǔ)雙工器能夠?qū)崿F(xiàn)微波頻段的頻譜分離或合成功能?？捎糜跇?gòu)建試驗(yàn)平臺，用于測量一個(gè)寬帶信號中的指定頻段的頻譜分量，比如無源互調(diào)的測量。此外，由于本發(fā)明公布的雙工器的公共端可以做到在全頻帶內(nèi)良好匹配，所以可以使用該雙工器作為基本模塊級聯(lián)后構(gòu)成多工器。這種類型的多工器的各個(gè)通道沒有干擾，可以獨(dú)立設(shè)計(jì)。實(shí)現(xiàn)通過模塊靈活組合的可重構(gòu)特性。最后，在雙工器的阻帶通道輸出端接匹配負(fù)載，可以實(shí)現(xiàn)一個(gè)吸收式濾波器。這種濾波器的阻帶信號不會返回源端，而是經(jīng)由帶阻通道被負(fù)載吸收。在大功率應(yīng)用場合可以避免濾波器阻帶的大功率信號返回源端燒毀發(fā)射機(jī)。

為實(shí)現(xiàn)理想的全互補(bǔ)特性，帶通通道的濾波器傳輸函數(shù)和帶阻通道的濾波器傳輸函數(shù)為一個(gè)廣義切比雪夫?yàn)V波器函數(shù)的傳輸函數(shù)和反射函數(shù)。由于帶通通道反射至源端口的信號將通過帶阻通道輸出(反之亦然)，所以從帶通通道的輸出端進(jìn)去，其源端的輸入阻抗為0。根據(jù)這一現(xiàn)象，本發(fā)明提出了將帶通通道和帶阻通道的原理電路都采用單終端原型進(jìn)行設(shè)計(jì)。單終端是對單個(gè)通道濾波器設(shè)計(jì)假設(shè)電路的源阻抗為0而得到的原理電路。結(jié)果表明，這一設(shè)計(jì)方法可以避免兩通道的相互干擾，實(shí)現(xiàn)雙工器的帶通通道在通帶內(nèi)良好匹配，阻帶在通帶外可以實(shí)現(xiàn)良好匹配。根據(jù)能量守恒定律，雙工器的公共端可以實(shí)現(xiàn)在全頻帶內(nèi)實(shí)現(xiàn)良好匹配。

針對本發(fā)明提出的設(shè)計(jì)方法和原理電路，使用一個(gè)工作在12GHz，帶寬100MHz的微波全互補(bǔ)雙工器進(jìn)行了設(shè)計(jì)驗(yàn)證。雙工器的帶通和帶阻通道都是用極點(diǎn)提取原型方案。最終的測試結(jié)果表明，使用本發(fā)明提出的設(shè)計(jì)方法和原理電路完成的雙工器的帶通通道在中心頻率12GHz，帶寬100MHz的頻帶范圍內(nèi)可以實(shí)現(xiàn)良好匹配，傳輸響應(yīng)實(shí)現(xiàn)在帶外有一對傳輸零點(diǎn)，與預(yù)設(shè)的濾波器函數(shù)響應(yīng)一致。而帶阻通道在通帶頻率之外的頻帶內(nèi)實(shí)現(xiàn)良好匹配，同時(shí)傳輸函數(shù)與預(yù)設(shè)的濾波器函數(shù)的反射函數(shù)響應(yīng)一致。公共端口在整個(gè)頻帶內(nèi)可以實(shí)現(xiàn)良好匹配。該雙工實(shí)現(xiàn)了所述的帶通、帶阻全互補(bǔ)的目標(biāo)結(jié)果。

下面結(jié)合附圖和具體實(shí)施例對本發(fā)明進(jìn)行詳細(xì)說明。

如圖1所示，串聯(lián)電容電感諧振回路表示一個(gè)微波諧振器而并聯(lián)支路上的串聯(lián)電容電感諧振回路表示一個(gè)極點(diǎn)生成單元。帶通通道由阻抗變換器、連接傳輸線段、極點(diǎn)生成單元構(gòu)成。本例給出的原理電路為一個(gè)四階廣義切比雪夫函數(shù)，含有兩個(gè)傳輸零點(diǎn)的通道設(shè)置。對帶通通道，第一個(gè)單元為諧振器單元，通過一段傳輸線與第二個(gè)極點(diǎn)提取單元連接，同樣通過連接傳輸線段與第三個(gè)諧振器單元連接，最后同樣通過傳輸線段與第四個(gè)極點(diǎn)提取單元相連。帶阻通道由極點(diǎn)生成單元、阻抗變換器、連接傳輸線段構(gòu)成。其四個(gè)構(gòu)成單元均為極點(diǎn)提取單元，四個(gè)單元之間通過傳輸線段連接。

其中的并聯(lián)LC回路代表一個(gè)諧振在預(yù)設(shè)頻率的諧振器，由于在設(shè)計(jì)上采用了歸一化處理，L_n*C_n僅用于描述諧振器的諧振頻率f_n，在確定了通道的零極點(diǎn)諧振頻率后，則可獲得。而通道諧振的零極點(diǎn)諧振頻率的計(jì)算是通過使用廣義切比雪夫函數(shù)的單終端條件，根據(jù)零點(diǎn)提取濾波器綜合方法最終求出。以實(shí)例中的全互補(bǔ)雙工器為例，反歸一化后，f_n的優(yōu)選取值范圍在11.85GHz到13.15GHz之間。

圖2給出了原理電路對應(yīng)的物理實(shí)現(xiàn)方式。優(yōu)選的方案為一個(gè)長度為半個(gè)波導(dǎo)波長的波導(dǎo)段，諧振器之間通過傳輸線(本例為矩形波導(dǎo))連接，所有諧振器的頻率、阻抗和連接波導(dǎo)的長度均可由綜合方法解析獲取，這里的連接波導(dǎo)A、B選用BJ120標(biāo)準(zhǔn)波導(dǎo)，以12GHz的全互補(bǔ)雙工器為例，連接波導(dǎo)A、B的寬邊優(yōu)選長度為19.05mm，窄邊優(yōu)選為9.525mm。其設(shè)計(jì)的每個(gè)諧振腔的內(nèi)腔長度理論上為諧振腔的半個(gè)波導(dǎo)波長，兩個(gè)相鄰諧振腔之間的中心軸間距為1個(gè)波導(dǎo)波長。但由于加載、色散及迭加效應(yīng)等物理現(xiàn)象的影響。會出現(xiàn)一定的偏差。需要采用優(yōu)化算法對其優(yōu)化，在實(shí)際加工的產(chǎn)品中，各個(gè)諧振腔的優(yōu)選長度取值范圍在13.1mm到15.5mm之間，優(yōu)選兩個(gè)相鄰諧振腔之間的間距為21mm～26mm之間，能夠使全互補(bǔ)雙工器的濾波性能達(dá)到最優(yōu)。

圖3給出了下半腔體的剖面圖，其中的短路波導(dǎo)段(1)對應(yīng)于原理電路中的LC串聯(lián)諧振器，其長度為在諧振頻率處的波導(dǎo)半波長；波導(dǎo)窗口(2)實(shí)現(xiàn)了波導(dǎo)阻抗變換器。連接波導(dǎo)(4)對應(yīng)原理電路中的連接傳輸線(2)。加工方式將雙工器從波導(dǎo)寬邊的對稱面剖開。兩個(gè)對稱結(jié)構(gòu)分別使用金屬切削加工工藝完成后使用螺紋連接對接實(shí)現(xiàn)需要的雙工器結(jié)構(gòu)。為保證兩個(gè)面的對準(zhǔn)精度，在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中使用了定位銷釘。

圖4給出了雙工器的頻率響應(yīng)特性曲線，其中的S21表示帶通通道的傳輸曲線，即信號從端口1輸入，從端口2輸出時(shí)的散射參數(shù)特性，S31表示帶阻通道的傳輸曲線，即信號從端口1輸入，從端口3輸出時(shí)的散射參數(shù)特性，S11表示公共端口的輸入反射曲線。由圖可以看出該雙工器完成了圖5所示的將輸入頻譜在給定頻帶內(nèi)的帶內(nèi)信號和帶外信號的分離的功能。實(shí)現(xiàn)了圖6所示工作功能。

將若干個(gè)使用前述的設(shè)計(jì)方法獲得的互補(bǔ)雙工器進(jìn)行級聯(lián)，可以獲得圖7所示的微波多工器。

由此可見，本發(fā)明可以構(gòu)成一個(gè)吸收式濾波器，這種濾波器的阻帶信號不會返回源端，而是經(jīng)由帶阻通道被負(fù)載吸收，尤其適用于航天領(lǐng)域，在大功率應(yīng)用場合可以避免濾波器阻帶的大功率信號返回源端燒毀發(fā)射機(jī)。