张忠海 官伯然

（1.西安电子科技大学电子工程学院，陕西 西安710071；2.杭州电子科技大学天线与微波技术研究所，浙江 杭州310018）

引 言

多路耦合器［1－5］是通信系统中的重要设备。通过多路耦合器，多部不同频率的电台可以利用一根宽带天线同时工作。在设备空间比较紧张时，需要用到多路耦合器。多路耦合器分为固定多路耦合器和可调多路耦合器两种。其中，可调多路耦合器各个射频通路的工作频率可以根据指令随时改变，因此，抗干扰性能优异。可调多路耦合器主要由构成各个射频通道的可调带通滤波器和分支接头两部分组成。在同一时刻，各个通道的工作频率互不相同，以保证通道之间的隔离［1］。

在多路耦合器的设计过程中，每一个可调滤波器的加入都会对其它射频通道产生影响。根据传输线理论［6］，在非谐振状态，可调滤波器端口的特性可以等效为一段终端短路的传输线。滤波器端口的等效短路线长度Lf，连接滤波器到分支接头的连接线长度Lt以及分支接头的等效传输线长度Lj的总和形成了一段长的短路线L.这段短路线长度L决定了可调多路耦合器的工作频率范围以及允许的最大通道数量。L越短，能实现的多路耦合器的带宽就越宽，允许的通道数量越多。由于实际工程安装空间的限制，可调滤波器一般都在固定位置并排摆放。在以上三段传输线中，能够调节的只有滤波器端口的等效短路线长度Lf和分支接头的等效传输线长度Lt.其中Lf还紧密联系滤波器的通带性能。等效短路线越短，带内差损和纹波越大。因此，在保证可调滤波器通带特性的同时尽量减小端口等效短路线长度Lf成为多路耦合器设计中一个很重要的考虑。

在文献［1］［5］中：通过优化设计多路耦合器的分支接头来减小短路线的长度。这种方法仅可以减小Lj，所以长度减小的幅度有限。

基于以上问题，文章首先分析了星点式多路耦合器［1］的结构以及等效电路，给出测量得到的可调滤波器端口电纳与其端口等效短路线长度Lf的关系。然后分析了并联不同短路线长度L对多路耦合器性能的影响。随后提出了一种应用于同轴腔可调滤波器的双环输入/输出耦合结构。与文献［1］［5］不同，该结构着力于减小同轴腔可调滤波器本身的端口等效短路线长度Lf.实验结果表明：采用这种结构的同轴腔可调滤波器的端口等效短路线长度Lf相比传统的采用单环耦合结构的同轴腔可调滤波器有大幅度的减小，可以为多路耦合器的制作带来极大的方便。最后利用双环结构设计了可调滤波器，并且制作了四路宽带UHF多路耦合器，实验结果验证了这种耦合结构的有效性。

1.理论分析

1.1 多路耦合器分析

如图1所示为四路星点式多路耦合器的结构图，四路可调腔体滤波器分别通过一段传输线并联到一起（分支接头处），然后通过耦合网络连接到天线。四个可调滤波器选择通道的工作频率，耦合网络消除由于可调滤波器的接入给其他通道带来的影响，使多路耦合器的各个通道能够正常工作。由于四个可调滤波器的工作频率随时可变，因此，要求耦合网络必须在整个多路耦合器工作频段内都能尽量消除每一路可调滤波器接入所带来的影响，使所有的通道正常工作。

图1 星点式多路耦合器系统

根据文献［1］，如图1所示，对于某一个工作在频率f1的滤波器（例如滤波器1），在分支接头处，滤波器1在频率f1处相当于一段特性导纳0.02S的传输线。另外的三个滤波器工作在别的频率，在分支接头处，这三个滤波器在频率f1处相当于三段并联的、终端短路的传输线L，其长度等于Lf，Lj，Lt长度之和。根据传输线理论，滤波器的端口电纳与短路传输线长度L的关系如下

其中：L是等效短路线长度，单位为m；c是真空中的光速；f是工作频率；B是测量得到的滤波器端口电纳。

对于四路的多路耦合器，并联不同长度短路线L情况下能够实现的耦合网络性能如图2所示。

图2 并联三种不同长度短路线的耦合网络性能

由图2可知：对于四路的多路耦合器，L的长度过长将会导致宽带耦合网络在工作频段高端的差损过大。造成如此大插入损耗的主要原因是并联三路可调滤波器引入的电抗性不匹配带来的反射，因此，短路线过长将会严重影响多工器性能。对于225 MHz到328.6MHz这个频段，当并联短路线的长度超过280mm时，在工作频段的高端，插损将超过1.5dB.实际上，只要短路线长度L超过260mm，宽带耦合网络的性能在频率的高端就急剧恶化。因此，在保证滤波器通带性能的前提下尽量减小其端口等效短路线长度L就成了多路耦合器设计中的一个很现实的问题。

1.2 同轴腔可调滤波器输入输出耦合环分析

图3为采用经典的单环耦合同轴腔可调滤波器结构图。其中，输入输出耦合环的终端与同轴腔的外导体连接，因此，耦合环可以等效为一段终端短路的传输线Lf.可调滤波器的端口等效短路线长度Lf是由其输入输出耦合环的尺寸和位置决定的。耦合环的位置以及其到内导体的距离可以根据所设计的可调滤波器的具体指标确定。如图3所示的采用经典的单环耦合的可调滤波器的端口等效短路线长度Lf很大，测试得到的电纳曲线如图5所示，其中单环的尺寸为45mm×12mm.

采用双环结构的同轴腔可调滤波器如图4所示。其中双输入输出耦合环的位置以及其到内导体的距离同样可以根据所设计的可调滤波器具体指标确定，很多文献做过这方面的研究［7－10］。在滤波器的工作频率以外的频段，滤波器的谐振腔处于非谐振状态。由并联电路原理可知，双环并联的等效短路线长度要小于单个大耦合环的等效长度。小环的尺寸越小，双环的等效短路线长度越短。采用双输入输出耦合环测试得到的电纳曲线如图5所示，其中大环尺寸为45mm×12mm，小环的尺寸为20 mm×8mm.

由图5可知：对于单环滤波器，在工作频段的中心频率277MHz处，电纳值为－0.9mS，按照上面提到的方法得到其端口的等效短路线长度Lf为263mm.此时无论将四个同轴腔可调滤波器在多路耦合器中如何摆放，三段短路线长度总和L肯定超过300mm.根据图2的结果，宽带耦合网络在高端将不能匹配。对于双环滤波器，在工作频段的中心频率277MHz处，电纳值为－12.1mS，等效短路线长度Lf为176mm，相对于传统的单环耦合的滤波器，长度减小了三分之一。

2.实验结果分析

2.1 同轴腔可调滤波器实验结果

为了验证这种双环结构的有效性，设计了一个带宽为1MHz，采用经典单环耦合的滤波器，频率范围从225MHz到330MHz.腔体的半径为20 mm.还设计了采用双环结构，其他指标特性与单环结构相同的滤波器。双环在滤波器中的位置如图6所示。为了均衡带内纹波带宽以及双环尺寸的需要，本文里小环采用半圆形耦合环。双环滤波器和单环滤波器的传输性能测试结果对比如图7所示。其中大环尺寸为45mm×12mm，小环的半径为9mm.

由图7可知：对于单环滤波器，在225MHz到330MHz的范围内，采用双环的滤波器比采用单环的滤波器插损要大，一般降低0.2dB左右，且回波损耗略大。其他指标两者类似。

两者性能指标类似的原因是在滤波器工作频率上，同轴腔保持谐振状态，大环与小环都耦合电磁场。因此，只要合理地设计双环的尺寸，这种双环耦合结构对滤波器带内插损的影响有限。另外小环的尺寸不能太小，否则将对滤波器的带内插损以及带宽、纹波指标产生严重的影响。在设计过程中，大环和小环的尺寸要在端口等效短路线长度和滤波器的带内指标之间作折中。

2.2 多路耦合器测试结果

利用两种滤波器分别设计并且制作了相应的UHF四路多路耦合器。在多路耦合器中可调滤波器并排放置，减小了多路耦合器的体积和复杂度。测试结果如图8所示。

图8 两种滤波器组成的四路多路耦合器性能对比

由图7和图8可知：对于双环滤波器，在225 MHz到330MHz的范围内，接上耦合网络后，多路耦合器的带内插损将比单纯的滤波器插损降低0.5dB左右，回波损耗有所改善，这是耦合网络的电抗性带来的效应。对于单环滤波器，在频率的中低端，其规律同双环滤波器一样。但是到了频率的高端，330MHz附近，带内插损指标急剧恶化，超过5dB，回波损耗指标也急剧恶化，小于6dB，达不到多路耦合器工作的指标要求。

采用双环耦合结构的滤波器能够保证由其组成的多路耦合器在整个频段范围内正常工作。采用单环耦合结构的滤波器所组成的多路耦合器在频率的高端已经不能满足多路耦合器正常工作的性能要求。因此，虽然双环耦合结构比单环耦合结构复杂，并且会增大整个滤波器以及多路耦合器的插损（一般在0.2dB左右），但能够在整个频段内保证多路耦合器正常工作。双环耦合结构的应用与否决定是否能够顺利地实现多路耦合器，所以，0.2dB的插损降低对于整个多路耦合器系统是可以接受的。

3.结 论

提出的应用于腔体可调滤波器的双环输入/输出耦合结构可以将滤波器的端口等效短路线长度减小到经典的、采用单环的滤波器的三分之二以下，且两者的通带性能指标相差甚小。采用这种双环结构的可调滤波器可以比较便捷地组合成多路耦合器。最后本文利用这种双环结构设计并制作了三腔的同轴腔可调滤波器，并且组成了四路多路耦合器。测试结果证明了这种双环耦合环结构的有效性。

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