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一种高隔离度的腔体双频合路器的设计

2016-10-13陈其豪叶强封建华

电子器件 2016年2期
关键词:隔离度腔体端口

陈其豪,叶强,封建华

(中国计量学院信息工程学院,杭州310018)

一种高隔离度的腔体双频合路器的设计

陈其豪,叶强*,封建华

(中国计量学院信息工程学院,杭州310018)

设计了一款高隔离的同轴腔体双频合路器。采用了较多的交叉耦合来增加合路器的传输零点,从而提高了隔离度。两路滤波器之间采用的是公共腔结构,大幅降低了抽头线对通带的影响。为了验证该设计的可行性,采用这种结构设计制作了一款针对DSC台式机的合路器。该合路器的仿真和实测基本达到指标要求。

合路器;隔离度;公共腔;交叉耦合

随着移动通信的迅猛发展,对具有小型化以及高选择性的合路器需求日益增长。这些器件广泛应用于移动通信系统和基站中,用来综合不同射频信道(来自发射机或者天线)中的信号。在微波频段中,由具有传输零点的梳状线或同轴腔体的滤波器组成的合路器有着很广泛的应用前景[1-3]。

合路器是由多路信号合成一路,因此为了保证系统的通信质量,防止各个系统之间出现相互干扰,必须要对合路器的隔离度有着很高的要求。隔离度作为合路器3个国家必检指标之一(其他两个是驻波比和三阶互调),如何设计出高隔离度的合路器一直是设计者们所研究的难题。

本次合路器由两个具有多个交叉耦合设计的滤波器单元组成,并在合路端采用公共腔的结构,并根据这个结构设计了一款工作频率范围在1 850 MHz~1 910 MHz和1 930 MHz~1 990 MHz的三端口合路器。最后对该合路器进行实际测试,基本达到了所规定的设计指标。这种结构能够使得合路器具有较高的隔离度,有着很好的应用前景。

1 合路器电磁仿真模型

本文通过所提出的结构,设计了一个三端口的合路器,其两路通道由带有交叉耦合设计的带通滤波器构成,主要指标如表1所示。

表1 双频合路器的指标

通过仿真软件可以直接得出TX端滤波器谐振腔个数为12,RX端滤波器谐振腔个数为13。在每一路单独的通道滤波器里面加入交叉耦合结构,进而改善带外抑制,提高合路器的隔离度指标,其中,在TX端加入了3个容性耦合结构,在RX端加入3个感性耦合结构,1个容性耦合结构。

每一个单独的滤波器电路都是带有传输零点的带通滤波器等效电路,将两个信道的滤波器通过一个公共腔组合在一起,合成后的合路器的拓扑结构如图1所示,其中空心圆代表源和负载,实线代表主耦合,虚线代表的是交叉耦合。

图1 合路器拓扑结构图

为了使得通带内衰减尽可能小,采用切比雪夫滤波器设计,根据公式:

式(1)~式(4)应用于非公共腔,式(5)~式(7)应用于公共腔;式中为滤波器的内部耦合系数;为滤波器的Q值;为谐振腔的谐振频率;B为滤波器带宽;Bn为相对带宽;Mk为耦合矩阵;b0为公共腔归一化导纳;c0为归一化电容;f0为中心频率;np,k为第K路滤波器阶数。

根据耦合谐振器带通滤波器设计理论和上面的公式,通过耦合矩阵的综合以及反归一化最终得出合路器的耦合系数、外界Q值以及谐振腔的谐振频率,将相关的设计参数代入等效电路中作为初值进行优化仿真。合路器在Ansoft Designer中的整体电路模型如图2。

根据从电路模型中提取优化后的设计参数,再使用电磁仿真软件HFSS对合路器进行结构模拟,得到合路器单个谐振器结构尺寸、抽头位置和耦合窗口大小的初值。并在AutoCAD中对合路器的整体模型图进行排版,如图3所示。

图2 合路器的整体电路模型

图3 AutoCAD中合路器整体模型图

合路器仿真曲线如图4所示。从图4可以看出,合路器的回波损耗达到了26 dB,且合路器的通带隔离度都达到了105 dB,满足了设计要求。

图4 合路器的S参数图

2 实测仿真

根据电磁仿真软件HFSS仿真优化的结构尺寸参数,对合路器进行加工制作,然后对合路器进行试制,使其技术指标满足设计要求,由于合路器抽头线的一切信息都隐藏在时延中,所以我们通过观测反射群时延的方法来确定合路端抽头线的位置,通过观测合路器的散射参数来调整谐振器之间的壁距和耦合窗口大小,最后得到合路器的实物内腔图如图5所示。其中公共腔内导体高度为24 mm,TX端内导体高度为25 mm,RX内导体高度为26 mm,内导体直径为6 mm,腔体直径为26 mm。端口1的抽头高度为19 mm,壁距为4.8 mm,端口2和端口3的抽头高度为19 mm,壁距为7 mm。TX和RX与公共腔相连的两个腔体采用的凸台设计来增强耦合,其中TX端凸台高度为4.5 mm,RX端为1.5 mm。

最后使用Agilent E5070B网络分析仪进行测试,测试时,室内常温约为25℃,需要对两路信号进行测试,测试一路信号时,另一路的输入端需接匹配负载,例如测1、TX端口时(端口标注如图5),RX端口需接上匹配负载。合路器实测的图如图6所示。

图5 合路器的实物内腔图

图6 实测结果图

图6(a)显示的是RX端的实测数据,从中我们可以看出插入损耗(S21)在0.4 dB以内,回波损耗到达25 dB,隔离度达到106 dB,都达到了指标的要求。图6(b)显示的是TX端的实测数据,也基本上达到了设计指标。实测数据与仿真数据基本上一致,在考虑到误差的前提下,该合路器基本满足了要求。

3 结论

本文设计了一款高隔离度的腔体双频合路器,在合路端采用了公共腔,每一路滤波器都设计了较多的交叉耦合设计,增加了传输零点,每一路的滤波器都有很好的带外抑制,从而提高了隔离度。根据这样的结构,设计并制作出的用于DSC台式机的合路器,实测与仿真基本吻合。证明了这种设计能够满足现代通信系统对合路器小型化,高隔离度的要求。在频带越来越拥挤的现代移动通信中,往往一个通信制式中就需要多个信道才能满足要求,而这种合路器能够在多信道的前提下,保持各个系统的通信质量,具有很好的发展前景。

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陈其豪(1992-)男,汉,浙江苍南,硕士。研究方向为微波无源器件的设计,13516715421@163.com;

叶强(1964-)男,汉,浙江杭州,教授,硕士,硕导。研究方向为通信系统中无源互调电平测试标准,yeqiang0571@163. com;

封建华(1960-),男,汉,上海,本科学士,工程师;研究方向为微波无源器件的设计,fengjh@jointcom.com。

Design of a High Degree of Isolation Cavity Dual-Frequency Combiner

CHEN Qihao,YE Qiang*,FENG Jianhua
(College of Information Engineering,China Jiliang University,Hangzhou 310018,China)

Designed a high isolation of coaxial cavity dual-frequency combiner,and used more cross coupling that increasing the transmission zeros of combiner,then the result of this designed isolation has upgrade.As to the struc⁃ture of common cavity between the two filters,combiner has more low-impact of frequency-bandwidth with tap-line. In order to verify the feasibility of the design,we produce a combiner with the structure for DSC Combiner.In the simulation and experimental using the combiner,the conclusion achieves specification requirements.

combiner;isolation;common cavity;cross coupling

TN454

A

1005-9490(2016)02-0276-04

EEACC:135010.3969/j.issn.1005-9490.2016.02.008

2015-04-29修改日期:2015-05-27

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