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多工器理论与实现

周文胜  
【摘要】: 电路理论作为现代科学一个重要领域,正在以惊人的加速度得到极大的发展,同时我们也看到了固体工艺的飞速发展,和与之相关的看起来是没有尽头的新型器件的出现。为了满足越来越复杂的电路功能要求,一方面我们的电路分析和综合技术变得越来越复杂而研究方向的划分越来越细,另一方面为了适应这种形势,对于与具体器件无关而带有普遍性的理论的研究、创新和完善也越来越显得重要了。多工器也是如此,为了适应越来越多新型多工器不断出现的形势要求,对于与具体器件无关而带有普遍性的多工器理论的研究、创新和完善一直吸引着很多专家学者的注意力。 本文分析了耦合谐振器滤波器的特性,及多工器波道间相互影响的性质,针对滤波器和多工器设计和实现中的实际要求,提出了较宽通带对称双工器、较宽通带对称并联双工器、较宽通带非对称并联双工器、对称三工器的直接设计法。 从理论上分析了多工器中各波道之间的互相影响主要是由于一个波道的滤波器会在另一个波道的滤波器通带里引入较大的电抗,破坏了滤波器原有的通带特性,直接连接的各个滤波器之间的相互影响会造成公共端的阻抗不匹配,从而使各波道通带内的传输特性变坏。 根据多工器波道间影响的特性,通过对有关文献的综合分析和分类比较,本文认为通过简明公式计算各波道有关电路元件值的直接设计方法具有方便快捷、运算量小、适用范围广等优点,是多工器设计的有效工具。它是在已知各滤波器参数的基础上,主要通过调整部分元件值来抵消各波道之间的相互影响,或在必要时增加尽量少的补偿元件。其关键在于找到相关电路元件值的直接计算公式,使问题简化为比较简明的算术计算,以在实际应用中避免复杂的理论研究和冗长的公式演算。对于由带通滤波器直接连接所得到的多工器,由于各滤波器输入阻抗与单个元件值之间的非线性关系,通过绝对精确地调整所有元件以完全抵消各通道之间的相互影响是不可能的,而且实际上一般也没有必要。事实上,如果忽略一定阶数以上的误差,仅调整其部分元件值即可满足多工器的设计要求。通过对相邻波道间的波道隔离度的定义,可以将各带通滤波器的低通滤波器原型元件的调整值分别表示为其波道隔离度的幂级数,而各波道的输入阻抗可以表示为低通原型元件调整值的函数。以保证原型低通滤波器的零反射频率点在目标多工器的各波道内仍然是相应的零反射频率点为条件,可以求得各元件调整值幂级数表达式的系数,从而近似给出多工器各波道低通原型元件调整值的直接计算公式。本文对多工器的研究正是基于这种设计思想。 介绍了耦合谐振器滤波器及其低通原型电路的结构特征,其组件如导纳倒置变换器的电路特性及其实际实现方法,功率传输函数概念,以及耦合谐振器滤波器低通原型电路的直接设计法。另外,从实际应用的角度出发,介 绍了耦合谐振器滤波器中导纳倒置变换器的一个重要功能:它能将低通原型 滤波器电路中的任意电容调整到任意的期望值,也就是意味着可以将带通滤 波器的任意电感调整到任意的期望值:并推导了这种调整功能的具体实现方 法和公式。 介绍并分祈了叫;;des的窄带对称双__L器直接设计方法,基于ndes定 义的适用于相对窄带双工器的波道隔离度,我们给出了双工器任一波道相对 于另一个波道的各自不同的但是更精确的波道隔离度定义,从而给出了较宽 通带的对称带通双工器的直接设计公式。由于对波道隔离度的更精确的定 义,而且高低波道低通滤波原型到带通滤波器的转换分别在各自的中心频率 上由各自的带通频率变换关系式实现,以及在以正负电容近似实现原型低通 滤波器修正电路中的导纳倒置变换器和频不变电抗元件时,它们的值在对方 波道内变化带来的影响也得到了考虑,所以该方法使可实现带宽有了很大的 提高,使双工器的直接设计法可以适用于所有由耦合谐振器滤波器组成的对 称双工器。 针对滤波器和多工器实现中的实际要求,给出了适用于较宽通带对称并 联谐振并联双工器的一种新型的低通原型滤波器电路结构,及其相关电路元 件值的直接设计方法,解诀了对共地和并联谐振的要求在双工器实现中的矛 盾以及阻抗变换的问题。工程上为了系统的稳定,总是要求所有的电路支路 应尽量共地。同时,由于串联谐振滤波器的谐振回路在串臂上,无法接地, 分布参数影响较大,应尽量采用并联谐振滤波器,以减小对地的分布电容, 且便于调整。而这两个要求在多工器的实际设计中却往往是相互矛盾的。这 是因为并联谐振滤波器在通带外的电抗随着频率的偏移趋向于零,多个并联 谐振滤波器若要直接连接成多工器,其连接方式只能是串联,这必然造成各 滤波器不能共地。另外,多工器的阻抗匹配以及实际元件可实现值的限制往 往要求增加相应的阻抗变换功能,而由正负电容组成的阻抗变换器由于它们 的近似实现及其非线性,在多工器的公共端是无法作为理想的阻抗变换器使 用的。本文通过在公共端为各通道电路分别增加一个导纳倒置变换器巧妙地 实现了并联谐振的并联双工器,而导纳倒置变换器的特性同时也使它们满足 了双工器公


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