低无源互调滤波器的设计方法介绍

使用波导双工器，可将不同频段的信号借助同一副天线分别进行发射和接收。采用这种方法，在雷达和通信技术中可以共用一副天线，因而成本低，还可以提高可靠性，对于提高抗干扰能力和保密要求比较高的应用来说，其作用更为突出。因此，波导双工器拥有广泛的工程应用范围，可用于微波中继通信、卫星通信、微波测量等领域。

波导双工器的优点：结构简单，加工方便；其插入损耗比梳型或交指型微波频率选择器件低，功率容量也较大；作为一种传统的双工通信的频率分配器件，其技术成熟，设计也比较容易。由于具有这些优点，波导双工器在从天线以下的射频收发前端获得了长足的运用。具有谐波抑制能力的波导双工器是具有频率选择性的三端口器件，由于谐振器的频率选择性，因此规定频率的信号能够通过器件，规定频率信号以外的能量则被反射，从而实现频率选择的功能。在物理结构上，波导双工器就是由一些不同的单个谐振器按相应的耦合系数组合而成，最后达到规定频率的信号从输出端通过的目的。

波导双工器由高频输出端、低频输出端、公共输入端组成三端口结构。其中，来自天线口公共输入端的信号源分为两路，一路经由波导低频带通滤波器和谐波抑制滤波器后通过低频输出端的低频波导口向外输出，另一路经由波导高频带通滤波器和谐波抑制滤波器后通过高频输出端的高频波导口向外输出。

在传统方案中，双工器由上下腔体、紧固螺钉、调谐螺钉组成。上下腔体采用紧固螺钉连接成一个整体（图6－24），调谐螺钉用于补偿仿真和加工引入的误差。

图6-24　传统双工器设计方案

图6-25　传统波导双工器电场强度幅值分布（书后附彩插）

如图6－25 所示，对传统波导双工器进行电磁场分析。从该图中可以看出，整个腔体中电场强度较大的位置在调谐螺钉处。此时的电流矢量分布如图6－26 所示，可以看出，电流较强的位置同样在调谐螺钉处。调谐螺钉与双工器腔体直接通过螺纹连接，连接处为间隙配合，且很容易因为污染、表面不光洁、有金属碎屑等而产生非线性现象，在大功率下很容易产生PIM 产物。

图6-26　传统波导双工器表面电流矢量分布（书后附彩插）

2.波导双工器的低PIM 优化设计

根据分析，将波导双工器的膜片从中心向腔体的上下边缘方向移动，调谐螺钉也会随之改变到电流相对较弱的位置，从而可以减弱波导双工器调谐螺钉处的非线性电流，如图6－27 所示。

图6-27　波导双工器低PIM 优化设计方案

根据前面的分析可知，调谐螺钉与双工器腔体直接通过螺纹连接，连接处为间隙配合，且很容易因为污染、表面不光洁、有金属碎屑等而产生非线性现象，在大功率下很容易产生PIM 产物。如果去掉调谐螺钉，就能消除这些影响，从而大大降低PIM 电平。为此，必须进行精确的电磁场仿真设计，同时在加工时对加工精度提出适当合理的要求，以保证波导双工器的电性能。根据这些分析，本章提出一体化的电铸加工方案，如图6－28 所示。

图6-28　波导双工器低PIM 一体化设计方案示意

3.低PIM 同轴滤波器优化设计

对于实验样件的设计，主要突出某位置的PIM，而避免其他位置产生PIM。这样就可以对该位置进行表面镀层处理和研究。在同轴滤波器中，谐振杆和腔体底面连接处的电流密度较大，因此对其中一个谐振杆底面进行处理，而对其他谐振杆和腔体进行一体化加工。

谐振器间的耦合是通过开窗口的方法来实现的，窗口越大，耦合就越大。由专用软件可以计算出各谐振器所需的耦合大小，将计算出的耦合值采用公式计算。输入输出馈电主要采用同轴连接器的插芯和馈电杆来实现，馈电杆离谐振器越近，馈电耦合就越大。同轴连接器的插芯和馈电杆的连接方式有两种：隔离式；焊接式。接下来，介绍这两种馈电方式对PIM 的影响规律，并采用隔离式馈电方式的滤波器研究镀层对PIM 的影响规律。不管是隔离式馈电还是焊接式馈电，都需要计算滤波器的输入输出耦合，从而获得谐振杆和馈电柱之间的位置关系。

如图6－29 所示为该同轴滤波器在仿真软件HFSS 中的三维模型，其工作频率为2.16 ～2.21 GHz，带内插入损耗小于0.3 dB，S 参数测试曲线如图6－30所示。(www.xing528.com)

图6-29　低PIM 同轴滤波器三维模型

图6-30　S 参数测试曲线（书后附彩插）

对隔离式馈电的3 阶同轴滤波器进行研究，将其中一个谐振杆采用分离式设计，用螺钉固定于腔体底部，将其余两个谐振杆和腔体一体化加工，以保证PIM 源的基本唯一性。对此滤波器和3 个谐振杆与腔体一体化加工的两种滤波器的PIM 进行测试，测试数据如图6－31 所示。

图6-31　两种类型滤波器的PIM 对比

从图6－31 中可以看出，两种滤波器的PIM 差距很大，由此验证了该位置是主要发生PIM 的位置，可以对该位置进行镀层处理来研究不同镀层对PIM的影响规律。对谐振杆下底进行氧化和传统镀银两种工艺处理，然后在相同的环境下进行PIM 测试，得到了两者的PIM 对比，如图6－32 所示。

从图6－32 可以看出，表面氧化处理的滤波器PIM 性能较差。在实际镀层表面处理过程中，应保护镀层，尽量不产生氧化层。

图6-32　表面氧化和传统镀银的PIM 对比

将谐振杆及时固定在腔体底面，可以有效抑制同轴滤波器的PIM。因此，研究金属调节螺钉对滤波器PIM 的影响，并设计出新的介质调节螺钉来替换金属调节螺钉，用于验证介质螺钉对PIM 抑制的有效性。图6－33 所示为本书中设计的介质调节螺钉。对介质调谐螺钉滤波器进行PIM 测试，如图6－34所示。

图6-33　介质调节螺钉

图6-34　金属调节螺钉和介质调节螺钉的滤波器PIM 曲线对比

在功率大于45 dBm 的情况下，金属调节螺钉的滤波器PIM 比介质调节螺钉的滤波器PIM 要大10 dB 左右，但介质调节螺钉滤波器需要精确设计，对于简单的微波部件可以采用金属调节螺钉。

根据以上分析可知，影响PIM 的主要因素是表面镀层、调谐螺钉。本节在优选表面镀层、调谐螺钉的基础上，改进了滤波器的输入输出馈电结构。

对这两种同轴滤波器进行PIM 测试，测试曲线如图6－35 所示。这两种同轴滤波器的PIM 均为5 阶，测试功率为40 ～49 dBm。实验结果表明，相较于传统滤波器PIM 设计方法，该方法可有效降低20 dB。

图6-35　改进后的同轴滤波器和传统同轴滤波器的PIM 结果对比

采用介质隔离同轴连接器的内导体和馈电杆，可减少金属焊接的部分，从而可有效降低滤波器的PIM。在别的微波部件中也可以采用类似的方法来实现低PIM，这对整个低PIM 的微波部件设计具有很好的指导意义。