一种多路滤波器的耦合系统及其耦合方法与流程

本发明涉及电磁学领域，尤其涉及一种多路滤波器的耦合系统及其耦合方法。

背景技术：

现在的多路耦合器设备，由于用频必须满足碰撞规则(即为滤波通道的通带之间有一定的频率间隔，避免通道的通带频率过近导致的通道干扰)，各个通道的通带频率必须隔开一定的距离，比如当一些特殊的用频时，就会存在本来多路耦合器有8个通道，当按一些频率碰撞规则随机排列的时候，一定几率产生只能在此用频范围内，只能放下7个通道，从而必须拆除一个通道的情况。

为方便多路耦合器的设计扩展，需要能随意拆除或者加装一些通道用于其它系统时，这时需要重新设计耦合网络，费时费力。

目前所有耦合网路设计的设计方法不论其实现拓扑结构采用星点式或者折线型，都是基于电抗对消原理进行设计，即对于一个通道来说其它通道和匹配枝节都是用于电抗对消，从而实现在该通道通带频率范围内，对此通道以外的所有通道和匹配枝节并联谐振，以达到电纳为零，电阻无穷大，从而排除其它通道对该通道的干扰。但这样就有一个缺点：当其中某些通道由于频率碰撞等原因要被去除掉时，则电抗就得不到对消，从而造成通道之间相互干扰。

技术实现要素：

本发明所要解决的技术问题是：提供一种多路滤波器的耦合系统及其耦合方法。

为了解决上述技术问题，本发明采用的技术方案为：

一种多路滤波器的耦合系统，包括：两路以上的滤波器、耦合装置和负载；所述耦合装置包括耦合器、耦合输出端和两个以上的输入端；

一路的所述滤波器与一个的所述输入端连接；两个以上的输入端分别与耦合器连接；所述耦合器包括第一导纳变换器和第二导纳变换器；

所述输入端与第一导纳变换器的一端连接；所述第一导纳变换器的另一端与第二导纳变换器的一端连接；所述第二导纳变换器的另一端与耦合输出端连接；所述耦合输出端与负载连接。

本发明采用的另一技术方案为：一种多路滤波器的耦合系统的耦合方法，包括：

分别获取两路以上的滤波器的第一输出阻抗；

将两路以上的滤波器的第一输出阻抗经输入输出匝数比为1:3的第一导纳变换器耦合成一路输出，所述第一输出阻抗增大至第二输出阻抗；

将第一导纳变换器耦合成的一路输出连接至输入输出匝数比为3:1的第二导纳变换器，由第二输出阻抗恢复至第一输出阻抗；

第二导纳变换器通过耦合输出端与负载阻抗匹配。

本发明的有益效果在于：

本发明的多路滤波器的耦合系统及其耦合方法改变了传统采用电抗对消的方式来消除通道间影响而采用第一导纳变换器和第二导纳变换器组成的耦合器，增大每个通道的阻带的电抗值，由于每个通道的阻带都是大电抗值，不会对其它通道造成影响，并且由于每个通道都是独立的，也不会用作其它通道的匹配枝节，因此可以随时拆除和加装通道，不会对其它任意通道造成影响。

附图说明

图1为本发明的多路滤波器的耦合系统的结构示意图；

图2为本发明的多路滤波器的耦合系统的阻抗示意图；

图3为一般UHF窄带滤波器的阻抗示意图；

图4为经50ohm同轴电路后阻带变化示意图；

图5为经50ohm同轴电路后阻带阻抗曲线示意图；

图6为增加1：3理想变压器后阻带变化示意图；

图7为ADS中进行仿真验证原理图；

图8为ADS中进行仿真结果示意图；

图9为两个导纳变换器的模型示意图；

图10为两路耦合的原理图；

图11为两路耦合仿真结果示意图；

图12为四路耦合的原理图；

图13为四路耦合仿真结果示意图；

图14为四路耦合中公共腔耦合端往单个滤波器通道方向看的阻抗示意图；

标号说明：

1、滤波器；2、耦合装置；21、输入端；22、耦合器；221、第一导纳变换器；222、第二导纳变换器；23、耦合输出端；3、负载。

具体实施方式

为详细说明本发明的技术内容、所实现目的及效果，以下结合实施方式并配合附图予以说明。

本发明最关键的构思在于：先增大每个通道的电抗值，再匹配负载电阻。

请参照图1，本发明提供的一种多路滤波器的耦合系统，包括：两路以上的滤波器1、耦合装置2和负载3；所述耦合装置2包括耦合器22、耦合输出端23和两个以上的输入端21；

一路的所述滤波器1与一个的所述输入端21连接；两个以上的输入端21分别与耦合器22连接；所述耦合器22包括第一导纳变换器221和第二导纳变换器222；

所述输入端21与第一导纳变换器221的一端连接；所述第一导纳变换器221的另一端与第二导纳变换器222的一端连接；所述第二导纳变换器222的另一端与耦合输出端23连接；所述耦合输出端23与负载3连接。

从上述描述可知，本发明的有益效果在于：本发明的多路滤波器的耦合系统改变了传统采用电抗对消的方式来消除通道间影响而采用第一导纳变换器和第二导纳变换器组成的耦合器，增大每个通道的阻带的电抗值，由于每个通道的阻带都是大电抗值，不会对其它通道造成影响，并且由于每个通道都是独立的，也不会用作其它通道的匹配枝节，因此可以随时拆除和加装通道，不会对其它任意通道造成影响。

进一步的，所述滤波器的路数范围为两路至十二路。

进一步的，所述滤波器的路数为四路。

进一步的，所述第二导纳变换器的输出阻抗为50ohm。

本发明还提供了一种多路滤波器的耦合系统的耦合方法，包括：

分别获取两路以上的滤波器的第一输出阻抗；

将两路以上的滤波器的第一输出阻抗经输入输出匝数比为1:3的第一导纳变换器耦合成一路输出，所述第一输出阻抗增大至第二输出阻抗；

将第一导纳变换器耦合成的一路输出连接至输入输出匝数比为3:1的第二导纳变换器，由第二输出阻抗恢复至第一输出阻抗；

第二导纳变换器通过耦合输出端与负载阻抗匹配。

从上述描述可知，本发明的有益效果在于：本发明的多路滤波器的耦合系统的耦合方法改变了传统采用电抗对消的方式来消除通道间影响而采用第一导纳变换器和第二导纳变换器组成的耦合器，增大每个通道的阻带的电抗值，由于每个通道的阻带都是大电抗值，不会对其它通道造成影响，并且由于每个通道都是独立的，也不会用作其它通道的匹配枝节，因此可以随时拆除和加装通道，不会对其它任意通道造成影响。

进一步的，所述滤波器的路数范围为两路至十二路。

进一步的，所述滤波器的路数为四路。

进一步的，所述第二导纳变换器的输出阻抗为50ohm。

采用大电抗的原理可以消除上述问题，原理说明如下：

为了对滤波器通带性能不影响，也不一定非要采用电抗对消的形式形成电抗无穷大，只要电抗够大并入耦合网络也不会对滤波器通带产生大的影响。通过计算12路耦合网络如果是滤波器通带性能下降小于2dB，通过公式1，求Γ。

求得Γ＝0.608，通过查smith图表的方法求得归一化电纳小于1.53j，则电抗为50/1.53j＝32.7j，也就是说，要求单路的电抗要大于32.7j，因此如果是12路通带，则总电抗要大于12*32.7j＝392.4j，归一化电抗的绝对值满足大于为392.4j/50＝7.848j，即阻抗为图2中位于右侧的粗线条区域，此时12路耦合衰减不大于2dB，符合要求。

采用同样的计算方法，如果要耦合衰减不大于1dB，采用同样的计算则电抗绝对值大于600j，也就是说只要采用大电抗，不用非要电抗对消做到电抗无穷大，设想如果滤波器直接能在阻带内的电抗满足上面的电抗要求，那么12路滤波器就能实现输出直接连在一起，而不需要耦合网络。当然由于输出连接电缆的电长度受频率影响不可能做到这一点，但这样的阻带大电抗的滤波器设计更有利于输出耦合网络的简单化。

然而一般现在做的UHF窄带滤波器，输出端口S22的smith图如图3，阻带根本不在图2的粗线条区域。此时经过一段50ohm同轴电路，阻带变化为如图4，可以看出也只是部分段阻带频率满足图2的粗线条区域，此时的阻抗曲线如图5。可以看出阻抗满足大于392j的只是其中部分段频率。

为实现整个耦合网络的工作频率端都满足大电抗的要求，可采用变压器的思想，匝数比小于1的变压器的作用能把输出端S22的smith图的整个曲线拉向开路端，如图6在中心频率300MHz的6MHz带通滤波器在225～400MHz的输出端口阻抗Smith图和加1:3理想变压器以后的阻抗变化，可以看出加入变压器以后输出阻带的阻抗就满足图2的粗线条区域，并且满足12路直接耦合。同时也可以看出由于变压器的作用会导致滤波器通带的50ohm阻抗也变大，导致通带插损大。因此在12路滤波器经过耦合以后再采用一个3:1的变压器将12路的通带阻抗再调整为50ohm，实现和负载匹配。在ADS中进行仿真验证原理图如图7，仿真结果如图8所示。

上述是一种大电抗设计耦合网络的思想，采用变压器设计耦合网络对于低频和中波可以采用，但对于高频特别是超高频、微波频段由于变压器所带来的寄生参量不可忽略，从而必须采用能等效于变压器的实现方式。正如本发明中提供的采用两个导纳变换器，即为微波λ/4传输线实现。

两个导纳变换器，如两个90deg的特性阻抗分别是Z₀₁和Z₀₂的两端传输线导纳变换器串联，模型如图9。

若输入阻抗为Z₀，那么经过图9模型的第一导纳变换器后的输出为Z₁，在经过第二导纳变换器后的输出为Z₂，则有：

通过公式2和公式3，得到：

因此可以看出经过两个导纳变换器后，Z₀变为Z₂，两个导纳变换器相当于一个在匝数比为1:Z₀₂/Z₀₁的变压器。当采用一个导纳变换器时，由上式变形为：

因此可以看出其等效电压器匝数比1：Z₀₁/Z₀。为此将此结构应用于两路耦合网络，原理图如图10，原理中没有公共腔谐振，且公共腔耦合的采用两个导纳变换器实现。公共腔的耦合就相当于一个变压器，实现两路直接耦合，合成一路后再经过一个导纳变换器将阻抗调回50ohm。通过仿真带内插损比双工器更优，仿真如图11。

将此理论用于四路耦合网络时，仿真原理采用图12所示，仿真结果如图13。

公共腔耦合端往单个滤波器通道方向看的阻抗如图14，可以看出在的整个频率段(除去通带及过渡带)都是大阻抗值，满足本方案中的大电抗原则，所以能够应用在4路直接耦合上。

综上所述，本发明的一种多路滤波器的耦合系统及其耦合方法改变了传统采用电抗对消的方式来消除通道间影响而采用第一导纳变换器和第二导纳变换器组成的耦合器，增大每个通道的阻带的电抗值，由于每个通道的阻带都是大电抗值，不会对其它通道造成影响，并且由于每个通道都是独立的，也不会用作其它通道的匹配枝节，因此可以随时拆除和加装通道，不会对其它任意通道造成影响。

以上所述仅为本发明的实施例，并非因此限制本发明的专利范围，凡是利用本发明说明书及附图内容所作的等同变换，或直接或间接运用在相关的技术领域，均同理包括在本发明的专利保护范围内。