一种新型微带TV合路器的设计

侯艳茹

(安徽四创电子股份有限公司，安徽 合肥230088)

室内分布覆盖系统主要由信号源和信号分布覆盖系统两部分组成，目的是将信号均匀分布在室内每个角落，从而保证室内区域拥有理想的信号覆盖。合路器是室内分布系统中最核心的微波无源器件。随着我国三网融合的推广和应用，电信网、广播电视网、互联网在向宽带通信网、数字电视网、下一代互联网演进。三大网络通过技术改造、网络互联互通、资源共享，能为用户提供语音、数据和广播电视等多种服务，同时可以大大提高网络的建设速度和降低重复建设的成本。而传统合路器多为同轴腔体结构［1］，结构复杂、体积庞大，采用这种形式几乎不可能将广播电视的频段包括在内。

本文设计的新型微带TV合路器，信号带宽从5 MHz～2.2 GHz，满足了三网融合的室内分布系统对宽带合路器的需要，它包括广播电视频段和CMMB、CDMA、GSM、DCS、WCDMA、CDMA2000等移动通信系统的频段。设计采用微带的形式，运用滤波器基本原理结合集总参数和分布参数原理，将LP端口5 MHz～806 MHz频段和HP端口890 MHz～2 200 MHz频段的信号合成一路从COM端口输出，该合路器同时具有体积小、重量轻、结构简单、成本低等优势。输出端口分别为广播电视系统常用的F接头和射频电路系统常用的SMA接头，便于系统端口的匹配和连接。

1 工作原理

合路器的组成框图如图1所示，方案设计为一路低通滤波器和一路高通滤波器经公共端合成一路，考虑两通道的过渡带较小，要达到较高的隔离度［1］，所以选择滤波器函数为椭圆函数。下面将滤波部分的设计和两通道合成一路的整体设计方法分别进行介绍。

图1 合路器组成框图

技术指标为:

1)频段:(1)TV为5～806 MHz;(2)GSM＆TD为890～2 200 MHz。

2)插入损耗≤2 dB。

3)端口隔离≥40 dB。

4)驻波比≤1.5(即回波损耗小于14.7 dB)。

5)端口类型SMA-Female(890～960)50Ω;F-Female(5-806)75Ω;F-Female(COM)75Ω。

1.1 滤波器的设计

在现代网络综合法中，集总元件低通原型滤波器是微波滤波器设计的基础，低通、高通、带通、带阻滤波器的传输特性大都是根据此原型推导的［2-3］。根据不同的逼近函数，可以得到不同的响应，而椭圆函数的响应是最优越的，这种函数的通带和阻带均是等波纹的，陡度大、选择性好。首先，选定低通和高通原型滤波器，这种理想的集总滤波器原型可以通过EDA软件得到，这里选用的是Serenade Design。低通滤波器的截止频率为806 MHz，9节;高通滤波器的截止频率为890 MHz，7节。注意，滤波器两端端口阻抗为75Ω。

1.2 合路器设计与仿真

将高、低通滤波器级联，并在级联处引出公共端口，即形成合路器，注意公共端的阻抗为75Ω，如图2所示。

图2 集总参数合路器原理图(部分)

实际应用时合路器并不是两个滤波器通道的简单级联和公共端单纯的引出，应考虑公共端的匹配，这里公共端形成了一个T形接头。经过软件优化原型参数，电路中C15和C16的容值趋于无穷大，等效为开路，故可在电路里去掉这两个电容。

考虑电路实现时的微带板电路，在500 MHz以上的频率，微带上的焊盘，走线具有分布效应，一块孤立的焊盘，同时等效为一个介质电容，电容大小可用平板电容公式估算

所以仿真应结合微带板布板同步进行，将微带板上焊盘的实际尺寸带入电路原理图进行计算和优化仿真，考虑微带板焊盘和走线的分布效应后，合路器原理图中的元件参数发生较大的改变。这里我们选用的板材是F4B-2，介电常数为2.7，板材厚度为1 mm。加入微带传输线后的电路模型如图3所示。

图3 微带合路器原理图(部分)

在图3的原理图中除了将焊盘的分布效应等效为一小段的微带线，还在高通滤波器的输出端串联一小段高阻抗微带线，目的是进行阻抗变换，因为高通原型在设计时输入输出都是以75Ω的端口阻抗设计的，便于公共端口的匹配，因此公共端要求是75Ω阻抗输出。但高通滤波器输出端口要求为50Ω，这里的一小段微带线宽为0.5 mm，长约6 mm，起到了阻抗变换，将75Ω阻抗变换到50Ω阻抗，实现端口良好匹配。

从图4的仿真曲线可以看出:横坐标为频率轴，单位为GHz，纵坐标分别是参数S21，S31，S22，S33，单位为dB，在曲线右侧的列表中标出不同的颜色代表不同的参数。2端口为高通滤波器在890 MHz截止，S21曲线带外806 MHz处抑制大于40 dB;3端口低通滤波器在806 MHz截止，S31曲线带外890 MHz处抑制大于67 dB，带内插损小于2 dB;在5 MHz～2.2 GHz的带内，S22，S33回波损耗大于20 dB。图5所示的S23是隔离度指标，带内大于40 dB，所以该方案完全满足了指标的要求。

2 实物制作与测试

经过微带板的设计和加工，即可将集总器件包括陶瓷电容和空心电感焊接在微带板上，再将微带板装配在金属外腔里，注意合路器公共端和5～806 MHz的低通滤波器端口连接器是F头，阻抗为75Ω，而890～2 200 MHz高通滤波器输出端口连接器是SMA接头，阻抗为50Ω。实物照片如图6所示，实测曲线如图7所示。

图6 合路器内部和外观实物照片

图7 合路器实物测试曲线(截图)

对比图4和图7，发现测试曲线和仿真结果比较吻合。图7中可以看到合路器在5 MHz～2.2 GHz的带内插损小于1.37 dB，带外抑制不小于40 dB，S22，S33回波损耗在低于2 GHz的频段大于20 dB，在大于2 GHz的频段，没有达到指标要求的大于14.7 dB。原因是公共端使用的F连接器，其工作频段通常在1 GHz以内，此时连接器的驻波在1.1以下，是广播电视系统的通用接口，而在1 GHz以上，连接器的驻波会逐渐变差，到2.2 GHz时，驻波只有2左右。因此累及高通滤波器端口在大于2 GHz的频段驻波也只有2左右，回波损耗在10 dB左右。这是为了顾及系统端口连接方便，在连接器选型上带来的不可避免的对高频指标的影响。

3 小结

本文设计的新型微带TV合路器，信号带宽从5 MHz～2.2 GHz，满足了三网融合的室内分布系统对宽带合路器的需要，设计采用微带的形式，运用滤波器基本原理结合集总参数和分布参数原理，与传统而笨重的同轴腔体合路器相比，这种新型微带TV合路器实物尺寸只有50 mm×25 mm×15 mm，具有体积小、重量轻、结构简单、成本低等优势。端口的匹配和连接器的选择充分考虑了多系统的不同需求，应用领域可推广到更多通信系统合路或作为天线合路器等。

［1］甘本袚，吴万春.现代微波滤波器的结构与设计［M］.北京:科学出版社，1973.

［2］黄席春，高顺泉.滤波器综合设计法原理［M］.北京:人民邮电出版社，1977.

［3］周兰飞，王晶，张玲.一种高频带通LC滤波器的设计方法［J］.电视技术，2008，32(6):82-85.