低互调同轴腔体合路器的设计*

潘 宁，叶 强，孔 博

(中国计量学院信息工程学院，杭州310018)

PAN Ning，YE Qiang*，KONGBo

(College of Information Engineering，China Jiliang University，Hangzhou 310018，China)

合路器在当今移动通信系统中应用十分广泛，随着工程研发的不断改进，合路器各类基本指标业已达到通信系统的基本要求，如插入损耗、带外抑制等等。然而，随着通信产业的发展，互调失真越来越成为合路器乃至整个无源器件发展的瓶颈，进而影响了通信系统的通信效率［1］。因此，研究低互调合路器是十分有必要的。

基于微带线结构的合路器易加工、体积小、频段较宽，但其损耗较大、承受功率较小、不易调谐;波导结构性能较好，承受功率大，但其体积较大，不易集成;介质合路器具有较低的插入损耗、良好的温度特性，结构紧凑，而受国内加工工艺与成本的限制，其在通信系统中的应用并不广泛。同轴腔体合路器由于结构紧凑，性能优良，便于调谐，成本相对介质结构低，因此在通信系统中应用最为广泛［2］。

随着微波CAD技术的不断进步，实验与仿真并行的方法缩短了研制周期，提高了设计效率。本文设计了一个简单的由两个带通滤波器构成的双频合路器，首先研究了设计过程对互调失真影响较大的因素，然后使用电路仿真与场仿真分析，结合实验方法实现了一款低互调双频合路器。

1 互调失真

两个频率分别为f1、f2的信号，经过具有非线性特征的器件时会产生mf1±nf2(m，n为正整数)分量的谐波失真，我们将这种失真称之为互调失真。在(m+n)阶失真中，以3阶互调失真最为激烈，因此我们这里也是以3阶互调3rd PIM(3rd Passive Intermodulation)为设计基准。

文献［3］给出同轴线的无源互调:

其中c为光速，a、b分别为内外半径ε、σ分别为材料的介电常数与电导率;H1(b)、H2(b)分别为频率ω1、ω2在外半径b处的磁场强度。

公式表明，互调失真可由腔体结构形式，材料特性，信号频率确定。由于底部磁场强度大，因此，对PIM的贡献值大。而增加谐振杆壁厚(图1中ar)，可有效降低磁场密度，因此在优化设计时可通过增加谐振杆壁厚减小H(b)来降低互调影响。

图1 带加载盘的同轴谐振腔

另一方面，Jonathan R Wilkerson在文献［4］中推导了传输线上电热特性对互调的影响。指出，由于电流与温度的非线性，会产生谐波电流，进而产生互调失真。

其中:

由式(2)可以看出PIM的值与电流密度J0成正比，因此避免高电流密度区，就可以降低互调值。采用CST仿真软件仿真方腔谐振腔电流密度分布，图2(a)、2(b)分别给出了谐振腔顶部与底部的电流密度分布，从图中可以看出，底部电流密度大，因此，在设计时，调节螺杆尽可能短，避免加重调谐杆在大电流密度区对互调的贡献。

图2 电流密度分布

在式(2)、式(4)中，都分别表明PIM与金属电导率有关，黄志洵在文献［5］指出，由于金属表面粗糙度的影响，有效电导率会降低10%。为保证良好的导电率，一般通过表面镀银实现，镀银厚度取6倍趋肤深度。

综合上述讨论，针对传统谐振杆1 mm的壁厚，本文采用2 mm壁厚降低互调失真，同时控制调谐杆尽可能短，腔体表面镀银厚度10μm以降低表面损耗［6］。

2 电路模型

本文设计的合路器指标如表2所示，我们采用Couplefil软件可以得到两路带通滤波器初始值。为了实现更好的带外抑制与小型化，我们在使用CT交叉耦合［7］，其中，CDMA800处使用一个感性耦合，GSM900处使用3个容性耦合，电路仿真图如图3所示。

表2 合路器设计指标

经过电路仿真软件Ansoft Designer优化后，可以 得到优化后的参数，如表3所示，参数如图4所示。

图3 合路器整体电路模型

表3 电路优化后耦合系数与有载Q值

图4 合路器电路模型的S参数图

3 电磁仿真模型建立与优化

根据电路优化后的数据，可以得到有载Qe值与耦合系数的大小。为使腔体品质因数最大，且互调值最低，本文设计腔体特性阻抗为75Ω［8］。采用Appcad软件确定单腔内外径大小，通过HFSS单腔仿真确定谐振腔中心频率。

3．1 耦合系数的建模仿真

电磁建模实现耦合可以采用窗口耦合、飞杆耦合、盘耦合等形式来实现。对于耦合谐振器，本文使用双模分析法实现耦合系数的仿真。

图5 耦合关系图

使用HFSS软件，分别对3种耦合结构建立仿真模型，如图5。由于表2中，kij＜0．1，因此，采用式(4)中第1式求解耦合系数。通过设置窗口大小为仿真变量优化得到窗口大小与耦合系数的关系，如图5(b)所示。根据K值的大小，可以选择对应的耦合窗口大小。采用同样办法分别确定图5(c)中飞杆的尺寸与(d)中两耦合盘的距离。

3．2 抽头线的设计

抽头线的结构实现形式有接触式加载、环加载、盘加载3种，由于本文设计抽头耦合较强且带宽大于3%，因此我们选用直接接触式耦合形式，仿真结构图如图6(a)。确定抽头的高度有群时延法、耦合带宽法以及其他方法，本文采用群时延法确定抽头高度［9］。

其中，(K为常数，Δf为带宽)K在5腔时取481．5，在7腔时取507．3。

因此，利用式(5)可以计算得到在两路中心频率处群时延分别为96．3 ns，20．292 ns。在仿真结构中更改抽头位置，可得到仿真结果图6(b)、图6(c)，此时抽头高度分别为2．6 mm，7 mm。

图6 改变抽头位置的仿真图

4 加工调试与实验结果分析

根据上述对合路器的结构分析，对合路器进行加工制作。为了提高品质因数且减小互调，对合路器进行镀银处理，使用低互调的DIN头接头，提高抽头焊接工艺，装配过程需戴手套操作。调试过程中，需注意在满足基本指标的前提下，尽量将调谐杆抽高以避免高电流密度引起的互调贡献，但过分重复调谐会破坏器件表面，增加不必要的互调因素，因此需合理调试。调试结束，拆开器件进行超声波清洗，去除器件附着的污染。实物如图7所示。

图7 合路器实物内腔图

使用Agilent E5070B矢量网络分析仪测试。测试温度为常温25℃，测试前先对仪表进行校准。测试时标记CDMA800频段输入端为2端口，GSM900输入为3端口，合路输出为1端口。图8为测试曲线与仿真曲线合图。

图8 端口对比实例图

图8(a)中832．5 MHz～837．5 MHz实测回波损耗在－24 dB以下，插入损耗为－0．68 dB。在877．5 MHz～882．5 MHz的抑制仿真低于 －100 dB，实测数据位－85 dB。这是因为在调试时为得到更好的插入损耗将通带展宽所致，实际展宽对器件指标无较大影响，因此是可行的。相应地，图8(b)中，实测回波损耗为－22 dB，插入损耗为－0．85 dB，在877．5 MHz～882．5 MHz的抑制实测为 －65 dB，与仿真结果基本一致。整体来看，满足合路器设计的基本指标。

最后使用20w无源互调分析仪，采用IEC62037反射法［10］测量互调器件的互调指标。分析结果如图9所示。从最后的测试结果看，两路测试三阶无源互调值均在－155 dBc以下，本文设计的合路器达到了设计指标。

图9 端口PIM测试图

在加工技艺完全相同并且非常精湛的前提下，对于金属铜的抽头线来讲，三阶无源互调值只有－130 dBc左右，而本设计的三阶无源互调值为－155 dBc左右。对于焊接不平整或者不均匀、有瑕疵点的合路器来说，三阶无源互调值远远不能达到低互调合路器的要求，所以本设计对于理论研究或者实际加工来说都是非常有意义的。

5 结语

本文设计了一种低互调同轴双频合路器，在分析对同轴腔体互调值贡献较大的几个因素后进行了优化设计，通过电路仿真与场仿真设计得到合路器具体参数。最后从样品测试结果来看，插入损耗，带外抑制等与仿真结果基本吻合，互调测试结果达到设计要求。

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