專利名稱：公共腔體輸入多工器的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種微波輸入多工器設(shè)備，特別是利用寬帶諧振器作為公共腔體的一種公共腔體輸入多工器，所述公共腔體輸入多工器用于將寬帶信號按照頻率分成多路窄帶信號。

背景技術(shù)：
隨著科技的進(jìn)步和市場的擴(kuò)大，衛(wèi)星通信事業(yè)快速發(fā)展，衛(wèi)星通信領(lǐng)域?qū)教飚a(chǎn)品的可靠性有著很高的要求，并對產(chǎn)品的質(zhì)量和體積的要求十分嚴(yán)格。高可靠性、小型化是航天產(chǎn)品的發(fā)展趨勢。輸入多工器是必不可少的通信衛(wèi)星設(shè)備，用以實現(xiàn)寬帶信號的通道化。現(xiàn)有的輸入多工器采用電纜或波導(dǎo)、環(huán)行器來連接通道濾波器，具有體積大，質(zhì)量重，可靠性低、通道間一致性差的缺點。


發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明針對現(xiàn)有技術(shù)中存在的缺陷或不足，提供一種公共腔體輸入多工器，所述公共腔體輸入多工器能夠用于將寬帶信號按照頻率分成多路窄帶信號，并且有利于采用多通道一體化設(shè)計，減小體積和減輕質(zhì)量，方便安裝調(diào)試等。
本發(fā)明的技術(shù)方案如下 一種公共腔體輸入多工器，用于將寬帶信號按照頻率分成多路窄帶信號，其特征在于，包括公共腔體和至少兩路通道濾波器，所述公共腔體為輸入寬帶信號的寬帶諧振器且分別與各路通道濾波器耦合。
所述公共腔體與各通道濾波器的第一諧振器耦合，所述第一諧振器與通道濾波器的輸入端口連接。
所述公共腔體通過耦合窗口與各通道濾波器的第一諧振器耦合，所述耦合窗口上設(shè)置有耦合螺釘，所述第一諧振器與通道濾波器的輸入端口連接。
選擇2～8路通道濾波器。
所述各路通道濾波器的下端面位于同一平面。
選擇四路通道濾波器，所述各路通道濾波器的側(cè)面并靠在一起，并靠后的通道濾波器按2*2方陣排列。
所述各路通道濾波器的輸入端口位于頂端，各路通道濾波器的第一諧振器并靠在一起。
所述公共腔體包括公共諧振桿，所述公共諧振桿為兩段金屬桿連接而成，公共諧振桿上連接著同軸連接器。
所述各路通道濾波器的諧振器為折疊式排布，所述諧振器中的諧振腔為五邊形腔體。
所述各路通道濾波器具有-5.0～5.0ppm/℃的頻率隨溫度漂移特性。
所述各路通道濾波器的諧振器為同軸腔體諧振器，所述各路通道濾波器的諧振桿為兩種線膨脹系數(shù)不同的材料拼接而成。
所述兩種線膨脹系數(shù)不同的材料為低膨脹合金和鋁，所述公共腔體的公共諧振桿采用鋁材料。
所述各路通道濾波器為具有10階設(shè)計、4個有限遠(yuǎn)傳輸零點提高帶外抑制、4個有限遠(yuǎn)傳輸零點用于實現(xiàn)自均衡的通道濾波器。
所述公共腔體寬帶諧振的帶寬覆蓋各通道濾波器的中心頻率。
所述各路通道濾波器為同軸腔體濾波器或介質(zhì)濾波器或波導(dǎo)濾波器或梳狀濾波器或交指濾波器。
所述各路通道濾波器諧振的中心頻率為300MHz～30GHz。
本發(fā)明的技術(shù)效果如下 一種公共腔體輸入多工器，用于將寬帶信號按照頻率分成多路窄帶信號，包括公共腔體和至少兩路通道濾波器，公共腔體為輸入寬帶信號的寬帶諧振器且分別與各路通道濾波器耦合。本發(fā)明的輸入多工器將公共腔體應(yīng)用于輸入端口，寬帶信號進(jìn)入公共腔體，由于公共腔體為寬帶諧振器且分別與各路通道濾波器耦合，故寬帶信號又被耦合到各路通道濾波器中，本發(fā)明的輸入多工器把一路寬帶信號按照不同頻率分成多路窄帶信號，不使用電纜或波導(dǎo)和環(huán)行器連接，通過構(gòu)建公共腔體和通道濾波器完成多通道一體化設(shè)計，減小了體積、質(zhì)量，并消除了環(huán)行器受溫度變化的影響造成的誤差，提高了可靠性，節(jié)約成本，又提高了電性能，公共腔體的設(shè)計使輸入耦合計算準(zhǔn)確，調(diào)試方便，并使通道性能一致性好。
將公共腔體中的寬帶信號耦合到各路通道濾波器，由于各路通道濾波器中均包括多個諧振器，針對每路通道濾波器，公共腔體中的寬帶信號可以同時耦合到一個或多個諧振器中，選取公共腔體與各通道濾波器的第一諧振器耦合，該第一諧振器與通道濾波器的輸入端口連接，使得輸入多工器的設(shè)計更為方便。公共腔體通過耦合窗口與各路通道濾波器的第一諧振器耦合。這樣，公共腔體能夠更直接地將輸入的寬帶信號耦合到各通道濾波器的諧振器。耦合窗口上設(shè)置有耦合螺釘可以精確、快速的調(diào)節(jié)輸入端耦合。
選擇2～8路通道濾波器，以及設(shè)置各路通道濾波器的下端面位于同一平面。當(dāng)選擇四路通道濾波器時，將各路通道濾波器的側(cè)面并靠在一起，并靠后的通道濾波器按2*2方陣排列；優(yōu)選各路通道濾波器公用同一底面和相鄰兩路通道濾波器公用同一側(cè)壁，此時的各路通道濾波器的輸入端口位于頂端，各路通道濾波器的第一諧振器并靠在一起，公共腔體與通道濾波器的第一諧振器耦合，這種“背靠背、肩并肩”的結(jié)構(gòu)形式能夠使得各路通道濾波器在結(jié)構(gòu)上緊湊的連接在一起，有效地減少了體積和質(zhì)量。
公共腔體包括公共諧振桿，所述公共諧振桿為金屬桿連接而成，公共諧振桿上連接著同軸連接器。公共腔體通過公共諧振桿將寬帶輸入信號實現(xiàn)輸入耦合，同軸連接器連接到公共諧振桿上，便于安裝。
各路通道濾波器的諧振器為折疊式排布，所述諧振器中的諧振腔為五邊形。五邊形諧振腔的設(shè)計在結(jié)構(gòu)上可以很好的滿足公共腔體與通道濾波器耦合時主耦合和交叉耦合的耦合量的需求，使得主耦合的耦合量較大，而交叉耦合的耦合量較小，而且可以方便的增加某些在耦合矩陣中沒有的交叉耦合，從而方便調(diào)試。
各路通道濾波器可以滿足-5.0～5.0ppm/℃的頻率隨溫度漂移特性。由于通道濾波器是窄帶器件，即使是溫度變化產(chǎn)生的微小的尺寸變化，也會對電性能產(chǎn)生巨大的影響，所以要應(yīng)用溫度補償技術(shù)消除掉因為溫度變化而對通道濾波器的電性能產(chǎn)生的影響。具有溫度補償功能的輸入多工器可以防止輸入多工器隨著溫度變化發(fā)生頻率漂移導(dǎo)致性能變差的缺點，并能夠提高通道性能，并使整個信道最優(yōu)。
各路通道濾波器的諧振器為同軸腔體諧振器，各路通道濾波器的諧振桿為兩種線膨脹系數(shù)不同的材料拼接而成，如采用低膨脹合金和鋁，公共腔體的公共諧振桿采用鋁材料。精確的設(shè)計各路通道濾波器的諧振桿中的這兩種材料構(gòu)成的諧振桿的長度可以實現(xiàn)在一定范圍內(nèi)如-5.0～5.0ppm/℃的溫度補償效果。輸入多工器的公共腔體以及通道濾波器的諧振腔均采用了鋁材料，這樣有效的減小了質(zhì)量，但由于鋁的線膨脹系數(shù)

較大，當(dāng)溫度變化時，金屬會膨脹，通道濾波器的諧振器(包括諧振腔和諧振桿)的尺寸對諧振頻率有著決定性的影響。材料鋁的線膨脹系數(shù)為

而低膨脹合金為

諧振器的外導(dǎo)體(即各路通道濾波器的諧振腔)為鋁，諧振器的內(nèi)導(dǎo)體(即各路通道濾波器的諧振桿)使用這兩種材料拼接而成，精確的計算兩種材料的比例，可以達(dá)到零漂移的效果。
各路通道濾波器為具有10階設(shè)計、4個有限遠(yuǎn)傳輸零點提高帶外抑制、4個有限遠(yuǎn)傳輸零點用于實現(xiàn)自均衡的通道濾波器。10階設(shè)計使帶外抑制、群時延變化更加優(yōu)良，改善了整個信道。



圖1為本發(fā)明公共腔體輸入多工器的一種優(yōu)選實施例的結(jié)構(gòu)示意圖。
圖2為本發(fā)明公共腔體輸入多工器的一種優(yōu)選實施例的內(nèi)部結(jié)構(gòu)示意圖。
圖3a為一種優(yōu)選的公共諧振桿的示意圖。圖3b為本發(fā)明所用緊固件的示意圖。
圖4為本發(fā)明一種優(yōu)選實施例的四路通道濾波器排列的結(jié)構(gòu)示意圖。
圖5為通道濾波器的五邊形諧振腔結(jié)構(gòu)示意圖。
圖6為公共腔體與通道濾波器耦合的仿真結(jié)構(gòu)示意圖。
圖7為溫度對通道濾波器的諧振器尺寸影響圖。
圖8為通道濾波器的單個諧振器仿真結(jié)構(gòu)示意圖。
圖9為公共腔體仿真曲線。
圖10為n階通道濾波器的等效電路圖。
圖11為通道濾波器設(shè)計流程圖。
圖12為二端口網(wǎng)絡(luò)示意圖。

具體實施例方式 下面結(jié)合附圖對本發(fā)明進(jìn)行說明。
一種公共腔體輸入多工器，用于將寬帶信號按照頻率分成多路窄帶信號，包括公共腔體和至少兩路通道濾波器，公共腔體為輸入寬帶信號的寬帶諧振器且分別與各路通道濾波器耦合。各路通道濾波器均包括多個諧振器，各諧振器包括諧振腔以及諧振腔內(nèi)相應(yīng)諧振桿，可以選取公共腔體與各通道濾波器的第一諧振器耦合，該第一諧振腔器與通道濾波器的輸入端口連接，該輸入多工器將公共腔體應(yīng)用于輸入端口，寬帶信號進(jìn)入公共腔體，寬帶信號又通過各通道濾波器的第一諧振器被耦合到各路通道濾波器中。具有公共腔體結(jié)構(gòu)的輸入多工器可以由2～8路通道濾波器通過公共腔體合成，圖1和圖2分別為本發(fā)明公共腔體輸入多工器的一種優(yōu)選實施例的結(jié)構(gòu)示意圖以及內(nèi)部結(jié)構(gòu)示意圖。本實施例選擇為4路通道濾波器通過公共腔體合成的輸入多工器，包括公共腔體10和各路通道濾波器中的多個諧振器11，還包括主腔體1、蓋板2、SMAKFD22接頭3、同軸連接器4、隔離器5、支架6、調(diào)諧螺釘7，緊固件8和諧振桿93，并在輸入多工器的外殼涂覆有溫控漆、導(dǎo)電膠、固封膠，并在內(nèi)表面鍍銀。為精確、快速地調(diào)節(jié)輸入端耦合，在公共腔體10與各通道濾波器的第一諧振器之間的耦合窗口上設(shè)置有耦合螺釘71，各通道濾波器的諧振器之間也設(shè)置有耦合螺釘71，立式安裝，節(jié)約安裝面積，這在體積所限的通信衛(wèi)星有效載荷中是寶貴的。其中，隔離器5分為輸入端隔離器和輸出端隔離器；支架6分為主支架61、副支架62和支架墊片63；圖3a為一種優(yōu)選的公共諧振桿的示意圖，公共腔體10包括公共諧振腔體和公共諧振桿9，公共諧振桿9為公共諧振桿91和公共諧振桿92兩段金屬桿通過螺紋連接而成，公共腔體通過公共諧振桿將寬帶輸入信號實現(xiàn)輸入耦合，公共諧振桿9上連接同軸連接器4，便于安裝。緊固件8分為緊固螺釘81、彈墊82、平墊83、緊固螺母84、緊固螺栓85，如圖3b所示的本發(fā)明所用緊固件的示意圖。
圖4為本發(fā)明一種優(yōu)選實施例的四路通道濾波器排列的結(jié)構(gòu)示意圖，四路通道濾波器采用了“背靠背、肩并肩”的結(jié)構(gòu)形式，即四路通道濾波器公用同一底面和相鄰兩路通道濾波器公用同一側(cè)壁。此時，公共腔體10與各路通道濾波器的第一諧振器耦合，各路通道濾波器的輸入端口位于頂端，各路通道濾波器的第一諧振器并靠在一起，如圖6所示的公共腔體與通道濾波器耦合的仿真結(jié)構(gòu)示意圖，公共腔體上設(shè)置有寬帶信號的輸入口12。這種“背靠背、肩并肩”的結(jié)構(gòu)形式能夠使得各路通道濾波器在結(jié)構(gòu)上緊湊的連接在一起，有效地減少了體積和質(zhì)量。電性能方面，公共腔體的設(shè)計使輸入耦合計算準(zhǔn)確，調(diào)試方便；并取代了以前輸入多工器的環(huán)行器連接，減小了體積、質(zhì)量，并消除了環(huán)行器受溫度變化的影響。
各路通道濾波器的諧振器排布為常用的折疊式排布，諧振器中的諧振腔為獨特的五邊形設(shè)計，如圖5所示的通道濾波器的五邊形諧振腔結(jié)構(gòu)示意圖，該設(shè)計可以方便的實現(xiàn)折疊式所要求的交叉耦合，五邊形諧振腔的設(shè)計在結(jié)構(gòu)上可以很好的滿足公共腔體與通道濾波器耦合時主耦合和交叉耦合的耦合量的需求，使得主耦合的耦合量較大，而交叉耦合的耦合量較小，而且可以方便的增加某些在耦合矩陣中沒有的交叉耦合，可以直接用耦合窗口的方法實現(xiàn)，無需復(fù)雜的耦合方式，便于實現(xiàn)，并方便調(diào)試。
輸入多工器的公共腔體以及通道濾波器的諧振腔均采用了鋁材料，這樣有效的減小了質(zhì)量，但由于鋁的線膨脹系數(shù)

較大，當(dāng)溫度變化時，金屬會膨脹，通道濾波器的諧振器(包括諧振腔和諧振桿)的尺寸對諧振頻率有著決定性的影響。由于通道濾波器是窄帶器件，即使是溫度變化產(chǎn)生的微小的尺寸變化，也會對電性能產(chǎn)生巨大的影響，所以要應(yīng)用溫度補償技術(shù)消除掉因為溫度變化而對通道濾波器的電性能產(chǎn)生的影響(對于介質(zhì)諧振器，由于介質(zhì)具有優(yōu)良的溫度特性，并不需要溫度補償技術(shù))。各路通道濾波器的諧振器為同軸腔體諧振器，各路通道濾波器的諧振桿為兩種線膨脹系數(shù)不同的材料拼接而成，如采用低膨脹合金A和鋁B，公共腔體的公共諧振桿采用鋁材料，如圖7所示的溫度對通道濾波器的諧振器尺寸影響圖。精確的設(shè)計各路通道濾波器的諧振桿中的這兩種材料的比例及其構(gòu)成的諧振桿的長度可以實現(xiàn)在-5.0～5.0ppm/℃的溫度范圍內(nèi)的溫度補償，可以達(dá)到零漂移的效果。
圖11為通道濾波器設(shè)計流程圖。
通道濾波器是種可以通過調(diào)諧使能量在特定的諧振頻率通過的電磁電路。因此，通道濾波器廣泛用于通信領(lǐng)域，來實現(xiàn)在期望的頻段內(nèi)傳輸能量(也就是所說的通帶)，而抑制不希望頻段內(nèi)的能量傳輸(也就是所說的阻帶)。另外，通道濾波器為了滿足要求而有一些衡量的指標(biāo)，典型的指標(biāo)包括插入損耗(也就是所說的帶內(nèi)最小損耗)，插損起伏(也就是所說的帶內(nèi)平坦度)，抑制或隔離(也就是所說的阻帶衰減)，群時延(也就是所說的涉及通道濾波器相位特性的一個指標(biāo))和反射損耗。
首先，根據(jù)指標(biāo)要求設(shè)計通道濾波器，以單通道濾波器為例。根據(jù)指標(biāo)的中心頻率、帶寬，選擇合適的耦合諧振器并選擇合適的通道濾波器Q值。
耦合諧振器電路適用于很多物理結(jié)構(gòu)如波導(dǎo)、介質(zhì)諧振器、微帶線，同軸腔體，不同的物理結(jié)構(gòu)適用不同頻率范圍。例如，指標(biāo)的中心頻率位于C頻段內(nèi)，由于波導(dǎo)諧振器在C頻段體積大；介質(zhì)諧振器也是一個很好的選擇，但調(diào)試量要大于同軸腔體；微帶線諧振器的Q值很低，滿足不了本發(fā)明的要求；同軸腔體諧振器調(diào)試方便，而且得到的Q值為千量級，恰好滿足本發(fā)明的要求，故本發(fā)明選擇同軸腔體諧振器構(gòu)成的同軸腔體濾波器。
接著，根據(jù)要求的插入損耗、阻帶衰減、群時延、帶內(nèi)平坦度等指標(biāo)求解出滿足指標(biāo)要求的幅頻響應(yīng)和相頻響應(yīng)曲線，要求相應(yīng)的曲線滿足指標(biāo)要求，根據(jù)求出的曲線綜合得到耦合矩陣，由得到的耦合矩陣通過自編軟件或者商用軟件(如CST)計算得到具體的物理尺寸，繪圖加工得到加工圖紙。
具體步驟如下 1、幅頻響應(yīng)和相頻響應(yīng)的求解 為了設(shè)計滿足上面提到的通道濾波器指標(biāo)，通常就需要設(shè)計不同通道濾波器的幅頻響應(yīng)和相頻響應(yīng)曲線(幅頻響應(yīng)曲線是指信號幅度隨著頻率變化的曲線，它可以衡量在不同頻率時能量的傳輸或反射；相頻響應(yīng)曲線是指信號相位隨著頻率變化的曲線，它對通信的質(zhì)量有影響)。通道濾波器的幅頻響應(yīng)中重要的兩項為傳輸函數(shù)(S21，即S參數(shù)中描述的S21)和反射函數(shù)(S11，即S參數(shù)中描述的S11)，可以由如下等式所示的多項式定義 這里F(s)，P(s)和E(s)是變量s的多項式。s＝j(luò)ω，ω為角頻率，ε為常數(shù)，ε與反射損耗有關(guān)。分子多項式F(s)的根為通道濾波器的反射零點，分子多項式P(s)的根為通道濾波器的傳輸零點，分母多項式E(s)的根為通道濾波器的極點。通過改變反射零點、傳輸零點和極點的個數(shù)和位置，可以采用不同的通道濾波器響應(yīng)類型，如切比雪夫、橢圓函數(shù)、最平坦響應(yīng)、類橢圓函數(shù)等。通過改變反射零點、傳輸零點和傳輸極點的個數(shù)和位置，幅頻響應(yīng)和相頻響應(yīng)曲線的形式可以得到改變。不同的幅頻響應(yīng)和相頻響應(yīng)曲線滿足各種指標(biāo)要求。
在選擇反射零點、傳輸零點和傳輸極點的個數(shù)和位置時，對于切比雪夫、橢圓函數(shù)、最平坦響應(yīng)傳輸形式的濾波器均有解析的公式計算得到。但是考慮到切比雪夫函數(shù)和最平坦響應(yīng)不能選擇有限遠(yuǎn)傳輸零點，橢圓函數(shù)不能隨意改變極點位置等因素，本發(fā)明選擇類橢圓函數(shù)傳輸形式。
對于類橢圓函數(shù)可以憑借一定的經(jīng)驗或試驗靈活地選擇。根據(jù)霍爾維茲多項式等一系列的要求，類橢圓函數(shù)要滿足一定的函數(shù)表達(dá)式如極點的選擇要位于復(fù)平面的左半平面；再如傳輸零點一對或幾對為純虛數(shù)，提供帶外的高抑制；當(dāng)傳輸零點為復(fù)數(shù)時，用作改善群時延和帶內(nèi)波動，就是所說的自均衡技術(shù)。
各路通道濾波器采用10階設(shè)計、4個有限遠(yuǎn)傳輸零點提高帶外抑制、4個有限遠(yuǎn)傳輸零點用于實現(xiàn)自均衡的通道濾波器，即有4個交叉耦合，其中兩個交叉耦合用作帶外極點的實現(xiàn)，另外兩個用作自均衡對帶內(nèi)群時延進(jìn)行補償。10階設(shè)計使帶外抑制、群時延變化更加優(yōu)良，改善了整個信道。具體選擇如下 傳輸零點±1.01j，±1.6j，±0.62±0.35j，ε為0.05。
極點為-0.02±1.03j，-0.097±0.97j，-0.23±0.75j，-0.25±0.45j，-0.26±0.16j 反射零點±1.02j，-0.07±0.97j，-0·19±0.74j，-0.22±0.44j，-0.23±0.15j。
2、耦合矩陣推導(dǎo) 第一步推導(dǎo)y22和y21的已知表達(dá)式 已知多項式和ε，其中(s＝j(luò)w) 推出導(dǎo)納矩陣的兩個表達(dá)式y(tǒng)22(s)，y21(s)。
從輸入端看去的外部阻抗為 其中，z11、z22均為二端口網(wǎng)絡(luò)自身的阻抗。
阻抗為
其中m1+n1是Z11(s)的分子。
m1＝Re(e0+f0)+Im(e1+f1)s+Re(e2+f2)s2+… n1＝Im(e0+f0)+Re(e1+f1)s+Im(e2+f2)s2+… (1.3) m1為E(s)+F(s)的s的偶次冪項的系數(shù)的實部多項式和奇次冪項的系數(shù)的虛部多項式之和； n1為E(s)+F(s)的s的偶次冪項的系數(shù)的虛部多項式和奇次冪項的系數(shù)的實部多項式之和； m2為E(s)-F(s)的s的偶次冪項的系數(shù)的實部多項式和奇次冪項的系數(shù)的虛部多項式之和； n2為E(s)-F(s)的s的偶次冪項的系數(shù)的虛部多項式和奇次冪項的系數(shù)的實部多項式之和。
對于雙端口偶數(shù)階諧振器的情況 將1.2式中的n1提出，可以得到可以看出 對于一個雙端口網(wǎng)絡(luò)的網(wǎng)絡(luò)矩陣有該換算關(guān)系 |S|為行列式 (1.5) 因為y21與y22具有相同的分母，且y21和S21(s)有相同的傳輸零點，則有 當(dāng)雙端口奇數(shù)階諧振器時 單端口偶數(shù)階諧振器時 單端口奇數(shù)階諧振器時 單端口網(wǎng)絡(luò)時在式子1.8和1.9中 m1＝Re(e0)+Im(e1)s+Re(e2)s2+…， n1＝Im(e0)+Re(e1)s+Im(e2)s2+…(1.10) 其中ei，fi，(i＝1，2，…N)是E(s)和F(s)的復(fù)系數(shù)。上述兩多項式的系數(shù)為實虛交替，以確保能有純虛數(shù)的根。
第二步推導(dǎo)y22和y21的未知表達(dá)式 圖10為n階通道濾波器的等效電路圖，其電路方程為 寫成矩陣方程為E＝Z·i＝j(luò)(ωI-jR+M)i(1.11) 其中，I是單位矩陣；R是第(1，1)個元為R1，第(n，n)個元為Rn，其余元為零的矩陣；M就是耦合矩陣，對角線元均為零，其余元依次為Mij的矩陣。
為了計算Mij做以下的理論推導(dǎo) 其外部特性如圖12所示的二端口網(wǎng)絡(luò)示意圖，二端口網(wǎng)絡(luò)的內(nèi)部的等效電路如圖10所示，即n階通道濾波器的等效電路圖 I1＝y(tǒng)11V1+y21V2， I2＝y(tǒng)21V1+y22V2 (y11＝y(tǒng)22)(1.12) 當(dāng)R1＝Rn＝0，V1＝e1，V2＝0時，可知短路導(dǎo)納為 y11＝I1/e1＝i1＝-j[(ωI+M)-1]11，y21＝I2/e1＝in＝-j[(ωI+M)-1]n1 (1.13) 在式(1.11)中，令R等于零，得 (ωI+M)i＝-j(1，0，0，…，0)′＝e′ (1.14) 其中i＝(i1，i2，…in)，是列矩陣，上角撇號代表倒置運算。在數(shù)值上，i1＝y(tǒng)11，in＝y(tǒng)21?，F(xiàn)取i的一個正交變換，i＝Ty，TT′＝T′T＝I，代入式(1.14)，方程兩邊均左乘以式i′＝(Ty)′，變換得 y′(T′MT+ωI)y＝y(tǒng)′T′e′ (1.15) 我們要求T作用于M后，變成如下對角陣
即可得M＝-TΛT′，代入式(1.15)得 y＝-(Λ-ωI)-1T′e′ (1.17) 又知下式成立
可得y＝-DT′e′＝-(DT′)e′，即是式 故可分出矩陣i的第一個元和最后一個元。
第三步推出λk，T1k，Tnk 由式(1.20)可以看出矩陣M的特征值λk正好是y22，y21共同的分母多項式的根，而正交矩陣T的第一行和最后一行元素可以根據(jù)y22和y21對應(yīng)于每個λk的留數(shù)求得。設(shè)y22和y21的留數(shù)分別為r21k和r22k。
則有k＝1，2，…，n (1.21) 第四步構(gòu)造T，M矩陣 當(dāng)求出正交矩陣的第一行及第n行T1k，Tnk時，中間的行補做單位矩陣形式時，進(jìn)行施密斯正交歸一化求得T。根據(jù)(1.16)可求解出耦合矩陣M。
又因為 最終綜合并折疊形式排布旋轉(zhuǎn)得到的耦合矩陣為R1＝0.1342，Rn＝1.5839。
其中，R1為公共腔體與通道濾波器的第一諧振器的耦合量，即耦合輸入量，Rn為通道濾波器的最后一個諧振器與輸出的耦合量，即耦合輸出量。如耦合矩陣所示，主耦合的耦合量較大，而交叉耦合的耦合量較小，這種五邊形諧振腔體的設(shè)計在結(jié)構(gòu)上可以很好的滿足這種需求，而且可以方便的增加某些在耦合矩陣中沒有的交叉耦合，使得這些耦合方便調(diào)試。
3、公共腔體尺寸計算 3.1 計算單腔諧振頻率 通道濾波器中的諧振器中的諧振腔是一個精確尺寸設(shè)計的金屬空膛。通常相鄰的諧振腔用小縫隙聯(lián)系在一起(例如膜片)以實現(xiàn)兩個諧振器間的能量耦合。諧振腔可以選擇性地使用金屬桿或者陶瓷介質(zhì)材料。本領(lǐng)域技術(shù)人員清楚，該諧振器的尺寸可由解析公式、數(shù)值計算得到。
通道濾波器的諧振器的材料和尺寸確定后，通道濾波器Q值(即品質(zhì)因數(shù))就被確定。對于實際的濾波器，Q值會直接影響到插入損耗和帶內(nèi)平坦度的大小。特別的，高Q值的濾波器有小的插入損耗，并且在過渡帶有陡峭的滾降(即更高的矩形系數(shù))。相反的，低Q值的濾波器由于大的插入損耗而有大的能量損耗，而且在通帶邊緣損耗也增大的很快。例如，有高Q值的波導(dǎo)諧振器構(gòu)成的波導(dǎo)濾波器或介質(zhì)諧振器構(gòu)成的介質(zhì)濾波器的Q值能達(dá)到8000到15000，低Q值的諧振器，例如同軸腔體諧振器構(gòu)成的同軸腔體濾波器的Q值為2000到5000量級。
通常，為了提高Q值以改善濾波器的性能，需要選擇尺寸較大的諧振器，選擇合適的諧振腔大小，滿足Q值的要求。如圖8所示的通道濾波器的單個諧振器仿真結(jié)構(gòu)示意圖，在高頻仿真軟件CST中建立單腔仿真模型，用來計算單腔諧振頻率。在選擇諧振腔的腔體大小時選擇約18mm*18mm*15mm(高)，Q值約為2500。內(nèi)部的諧振桿長度為12.2mm時，內(nèi)部的諧振桿直徑平均為6mm，計算得出中心頻率為4.04GHz。
調(diào)整內(nèi)部的諧振桿長度不同值時，計算出如圖9所示的公共腔體仿真曲線中的4個通道的諧振頻率3760MHz，3880MHz，4000MHz，4120MHz。
3.2 計算輸入端耦合量 根據(jù)得到的耦合矩陣，輸入多工器的輸入端為公共腔體的公共端口，采用了反射群時延方法，在高頻仿真軟件CST中建模計算，通過適當(dāng)?shù)倪x取公共腔體及內(nèi)部的公共諧振桿的長度和直徑，使公共腔體寬帶諧振，由于公共腔體寬帶諧振的帶寬需覆蓋各通道濾波器的中心頻率，本實施例帶寬覆蓋了3.7GHz～4.2GHz，以滿足需要。
輸入端耦合量采用反射群時延法計算 對于低通濾波器S11的群時延我們定義為
其中

為S11的相位(單位rad)，w為角頻率。當(dāng)轉(zhuǎn)化為帶通濾波器時為
w1為低通的角頻率。且 其中w0為帶通濾波器的中心頻率，w1為帶通的下邊頻，w2為帶通的上邊頻， w0＝(w1w2)1/2
對于低通濾波器原形的傳輸函數(shù) 其中，Zin為從低通濾波器的端口看去的二端口網(wǎng)絡(luò)阻抗，Z0為源阻抗。
對于無耗情況Zin為純虛數(shù)，Z0為實數(shù)。
所以，
由于Z0＝g0 故 將其代入上面群時延的式子得 當(dāng)w＝w0時，其中g(shù)0，g1為低通濾波器歸一化因子。
求出諧振的群時延值為119ns。
公共腔體與通道濾波器耦合的仿真結(jié)構(gòu)示意圖如圖6所示，公共腔體仿真曲線如圖9所示。根據(jù)3.1節(jié)中計算得出的尺寸，改變公共腔體和通道濾波器第一個諧振器間的耦合窗口大小，并改變公共諧振桿的長度和直徑，計算得到所需要的群時延值。CST中的設(shè)置為公共腔體中沒有加調(diào)諧螺釘時群時延計算值為130ns(仿真值為119ns)，計算出的調(diào)諧螺釘長度約為0.8mm。
4、耦合及溫度補償設(shè)計 在CST中建模如圖8所示，CST中的設(shè)置為低膨脹合金的線膨脹系數(shù)為

鋁的線膨脹系數(shù)為
在計算溫度補償時，結(jié)構(gòu)的任意長度尺寸為L，如果鋁材料，溫度從0變化為T時，長度尺寸從L變化到L×(1+T×23×10-6)。求解器選擇為本征模計算仿真結(jié)果。
5、根據(jù)指標(biāo)要求，計算每個通道的尺寸，把最終計算的尺寸，加工調(diào)試，可得到最終輸入多工器。
本發(fā)明的主要性能參數(shù)及指標(biāo)要求如表1所示 表1
本發(fā)明的公共腔體輸入多工器設(shè)計同樣適用于中心頻率為300MHz～30GHz的同軸腔體、介質(zhì)、波導(dǎo)濾波器、梳狀濾波器、交指濾波器構(gòu)建的輸入多工器。不使用電纜或波導(dǎo)和環(huán)行器連接，通過構(gòu)建公共腔體和通道濾波器完成多通道一體化設(shè)計，減小了體積、質(zhì)量，并消除了環(huán)行器受溫度變化的影響造成的誤差，提高了可靠性，節(jié)約成本，又提高了電性能，公共腔體的設(shè)計使輸入耦合計算準(zhǔn)確，調(diào)試方便，并使通道性能一致性好。
應(yīng)當(dāng)指出，以上所述具體實施方式
可以使本領(lǐng)域的技術(shù)人員更全面地理解本發(fā)明創(chuàng)造，但不以任何方式限制本發(fā)明創(chuàng)造。因此，盡管本說明書參照附圖和實施例對本發(fā)明創(chuàng)造已進(jìn)行了詳細(xì)的說明，但是，本領(lǐng)域技術(shù)人員應(yīng)當(dāng)理解，仍然可以對本發(fā)明創(chuàng)造進(jìn)行修改或者等同替換，總之，一切不脫離本發(fā)明創(chuàng)造的精神和范圍的技術(shù)方案及其改進(jìn)，其均應(yīng)涵蓋在本發(fā)明創(chuàng)造專利的保護(hù)范圍當(dāng)中。
權(quán)利要求
1、一種公共腔體輸入多工器，用于將寬帶信號按照頻率分成多路窄帶信號，其特征在于，包括公共腔體和至少兩路通道濾波器，所述公共腔體為輸入寬帶信號的寬帶諧振器且分別與各路通道濾波器耦合。
2、根據(jù)權(quán)利要求1所述的公共腔體輸入多工器，其特征在于，所述公共腔體與各通道濾波器的第一諧振器耦合，所述第一諧振器與通道濾波器的輸入端口連接。
3、根據(jù)權(quán)利要求1所述的公共腔體輸入多工器，其特征在于，所述公共腔體通過耦合窗口與各通道濾波器的第一諧振器耦合，所述耦合窗口上設(shè)置有耦合螺釘，所述第一諧振器與通道濾波器的輸入端口連接。
4、根據(jù)權(quán)利要求2或3所述的公共腔體輸入多工器，其特征在于，選擇2～8路通道濾波器。
5、根據(jù)權(quán)利要求4所述的公共腔體輸入多工器，其特征在于，所述各路通道濾波器的下端面位于同一平面。
6、根據(jù)權(quán)利要求5所述的公共腔體輸入多工器，其特征在于，選擇四路通道濾波器，所述各路通道濾波器的側(cè)面并靠在一起，并靠后的通道濾波器按2*2方陣排列。
7、根據(jù)權(quán)利要求6所述的公共腔體輸入多工器，其特征在于，所述各路通道濾波器的輸入端口位于頂端，各路通道濾波器的第一諧振器并靠在一起。
8、根據(jù)權(quán)利要求1所述的公共腔體輸入多工器，其特征在于，所述公共腔體包括公共諧振桿，所述公共諧振桿為兩段金屬桿連接而成，公共諧振桿上連接著同軸連接器。
9、根據(jù)權(quán)利要求1所述的公共腔體輸入多工器，其特征在于，所述各路通道濾波器的諧振器為折疊式排布，所述諧振器中的諧振腔為五邊形腔體。
10、根據(jù)權(quán)利要求1所述的公共腔體輸入多工器，其特征在于，所述各路通道濾波器具有-5.0～5.0ppm/℃的頻率隨溫度漂移特性。
11、根據(jù)權(quán)利要求10所述的公共腔體輸入多工器，其特征在于，所述各路通道濾波器的諧振器為同軸腔體諧振器，所述各路通道濾波器的諧振桿為兩種線膨脹系數(shù)不同的材料拼接而成。
12、根據(jù)權(quán)利要求11所述的公共腔體輸入多工器，其特征在于，所述兩種線膨脹系數(shù)不同的材料為低膨脹合金和鋁，所述公共腔體的公共諧振桿采用鋁材料。
13、根據(jù)權(quán)利要求1所述的公共腔體輸入多工器，其特征在于，所述各路通道濾波器為具有10階設(shè)計、4個有限遠(yuǎn)傳輸零點提高帶外抑制、4個有限遠(yuǎn)傳輸零點用于實現(xiàn)自均衡的通道濾波器。
14、根據(jù)權(quán)利要求1所述的公共腔體輸入多工器，其特征在于，所述公共腔體寬帶諧振的帶寬覆蓋各通道濾波器的中心頻率。
15、根據(jù)權(quán)利要求1所述的公共腔體輸入多工器，其特征在于，所述各路通道濾波器為同軸腔體濾波器或介質(zhì)濾波器或波導(dǎo)濾波器或梳狀濾波器或交指濾波器。
16、根據(jù)權(quán)利要求15所述的公共腔體輸入多工器，其特征在于，所述各路通道濾波器的中心頻率為300MHz～30GHz。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種公共腔體輸入多工器，用于將寬帶信號按照頻率分成多路窄帶信號，包括公共腔體和至少兩路通道濾波器，公共腔體為輸入寬帶信號的寬帶諧振器且分別與各路通道濾波器耦合。本發(fā)明的輸入多工器不使用電纜或波導(dǎo)和環(huán)行器連接，通過構(gòu)建公共腔體和通道濾波器完成多通道一體化設(shè)計，減小了體積、質(zhì)量，并消除了環(huán)行器受溫度變化的影響造成的誤差，提高了可靠性，節(jié)約成本，又提高了電性能，公共腔體的設(shè)計使輸入耦合計算準(zhǔn)確，調(diào)試方便，并使通道性能一致性好。
文檔編號H01P7/06GK101533940SQ20091008067
公開日2009年9月16日 申請日期2009年3月25日 優(yōu)先權(quán)日2009年3月25日
發(fā)明者殷新社, 夏亞峰, 姜明楠 申請人:中國航天科技集團(tuán)公司第五研究院第五〇四研究所