采用介质偏移技术的LTE基站双工器*

肖 鑫1，张智翀**

(1.国家无线电监测中心 深圳监测站，广东 深圳 518120；2.井冈山大学 电子与信息工程学院，江西 吉安 343009)

1 引 言

双工器在通信系统射频前端中的作用是在保证发射和接收的信号隔离的同时，接收和发射都同时能正常工作。随着现代无线通信技术的发展，系统小型化集成化的趋势通常将接收、发射系统做在一起，收发共用一个天线，以减小系统的体积，这使得双工器成为连接天线和收发两端的桥梁。双工器从结构上分可分为平面双工器[1-4]和腔体双工器[5-6]，其中平面双工器具有较多设计方法，而且大多设计的平面双工器具有小尺寸特性。由于基站通信需要各器件有较高的功率容量，因此在基站通信中一般都用腔体双工器。目前主流的设计方法为多阶级联法[5-6]，但是由于需要用到多个腔体，腔体双工器的尺寸较大，这与系统小型化相悖。

双工器中的核心部件是谐振器，多阶级联法中每个腔体谐振器内只有一个模式，而多模谐振器通过控制一个腔体谐振器中同时存在的多个模式，可以实现多模谐振特性。这样的话，一个谐振器可以代替多个谐振器使用，因此可以有效地减小谐振器尺寸。为了进一步减小尺寸，在腔体多模谐振器中加载介质，这种介质加载的腔体多模谐振器[7-10]有效解决了腔体双工器小型化问题，但是这又带来新问题——模式的难分离与难控制。

本文提出了一种介质偏移技术，通过该技术可以在小尺寸且较低加工难度的情况下有效解决模式的难分离与难控制的问题。利用该技术所设计的双工器具有尺寸小、插损低和功率容量高的优点。

2 谐振器设计

本文所提出的采用介质偏移技术的介质三模谐振器结构如图1(a)所示，该谐振器的核心结构为介质谐振块加载的圆柱金属谐振腔，腔内包括上方的介质调谐盘、中间的介质谐振块和支撑谐振块的支撑介质。该谐振器由一对正交的前端为耦合圆片的馈线馈电。如图1(b)所示，该谐振器采用介质偏移技术，腔内的介质调谐盘、介质谐振块和支撑介质的中心都不在圆柱腔中心，而是朝图1(b)的右下方45°进行了一段偏移。这种偏移技术并未增加其他加工难度。

图1 采用介质偏移技术的介质三模谐振器结构图Fig.1 Structure of triple-mode dielectric-loaded resonator using the technique of dielectric offset

图2(a)所示的模式为横磁(Transverse Magnetic,TM)模，图2(b)和(c) 所示的两个模式为混合电磁(Hybrid Electromagnetic,HE)简并模。将简并模较低频的模式命名为HE-模，将简并模较高频的模式命名为HE+模。图3所示为介质偏移量与谐振器的前6个模式谐振频率变化图，可见随着偏移量的增加，两个低次简并模开始分离。因此，该谐振器可通过介质偏移量实现HE模的简并模分离以及控制3个模式的谐振频率，从而控制通带的中心频率与通带的带宽。

图2 谐振器的3个模式电场图Fig.2 E-field of modes on resonator

图3 介质偏移量与谐振器的前6个模式谐振频率变化图Fig.3 The first six resonant frequencies as a function of the offset of the dielectric resonator

图4所示为介质三模滤波器耦合结构图，当馈电端口1和端口2分别连接源和负载时，介质三模谐振滤波器工作。

图4中S和L分别表示源(source)和负载(load)，MSL表示源和负载之间的耦合，S和L中间的标有数字1、2和3的实心圆圈分别表示TM模、HE-模、HE+模，而MS1、ML1、MS2、ML2、MS3和ML3分别表示TM模和源的耦合、TM模和负载的耦合、HE-模和源的耦合、HE-模和负载的耦合，HE+模和源的耦合，HE+模和负载的耦合。由于整个结构关于中心面对称，有MSn=MLn，因此可通过建立耦合矩阵来表示耦合结构[11]，耦合矩阵为

(1)

式中：M11,M22和M33分别表示3个模式的自谐振系数。通过实现耦合矩阵内的各个系数来实现滤波特性，具体过程为：由给定的零极点和波纹设计指标通过公式计算出耦合矩阵中的各个系数，计算公式参见文献[11]；计算出耦合系数之后，通过耦合系数与物理参数的关系算出理论物理参数值；最后通过仿真软件优化各个物理参数值，最终得到实际物理参数值实现滤波特性。

3 双腔双工器

双工器的设计分为三步：第一步先实现工作于低频通道的带通滤波器I；第二步是实现工作于高频通道的带通滤波器II；在实现了两个带通滤波器之后，第三步是用阻抗变换结构将这两种滤波器连起来，合并成3端口的双工器。图5所示为双腔双工器的结构图与实物图，它就是由中间的十字形连接器将两种带通滤波器、端口1以及同轴短路短截线连接起来，其中同轴短路短截线用于实现双工器的阻抗匹配。

(a)3D结构图

(b)俯视图

(c)实物图

在仿真过程中，设置较高的仿真精度，这样仿真结果和实测结果的误差较小。在加工方面，采用上下两半腔分别加工，中间留出放置射频连接器和同轴短路短截线的半圆柱槽，同轴短路短截线既实现了短路特性又起到支撑连接线的作用。该双腔双工器的仿真与测试结果对比图如图6所示，各曲线特性基本吻合。由此可知，介质偏移技术在对阻带衰减要求不高的双腔双工器中，在小尺寸的条件下实现了良好的特性[12]。本文的所有测试都在常温下用矢量网络分析仪Agilent N5230A进行。

图6 双腔双工器仿真与测试结果对比图Fig.6 Simulated and measured results of the double cavities diplexer

4 四腔双工器

为了提高阻带衰减要求和增加频率选择性，在双腔双工器的端口2和端口3分别再各自级联1个谐振腔。由此设计的四腔双工器结构图和实物图如图7所示，相当于四腔双工器由中间的十字形连接器将两种双腔带通滤波器、端口1和同轴短路短截线连接而成，其中双腔带通滤波器的两个谐振腔由连有同轴短路短截线的T型连接线连接而成。该同轴短路短截线是为了实现两个谐振腔的模式匹配[13]。

(a)3D结构图

(b)俯视图

(c)实物图

该四腔双工器的仿真与测试结果对比图如图8所示。对比图6和图8，四腔双工器的频率选择性和阻带抑制性能较好(四腔双工器阻带抑制约-60 dB,而双腔双工器的阻带抑制约-30 dB)，但是通带内的特性不如双腔双工器，通带的中心频率和带宽有所偏差。

表1给出了双腔双工器和四腔双工器和其他双工器工作的对比(文献[1]没给具体插损值，平面双工器的尺寸和腔体双工器没可比性)，说明了实现的双腔双工器和四腔双工器具有小尺寸、低插损和高功率容量等优点。

图8 四腔双工器仿真与测试结果对比图Fig.8 Simulated and measured results of the four cavities diplexer

表1 本文双腔双工器和四腔双工器与其他双工器的对比Tab.1 Comparison between the proposed diplexers and those in References

5 结束语

本文提出了一种介质偏移技术，在小尺寸和低加工成本的情况下通过对介质的偏移实现了简并模分离与控制，可利用该技术设计双腔双工器和四腔双工器。其中，对于阻带衰减要求较低的系统时可选择通带特性良好的双腔双工器，而对于阻带衰减要求较高的系统时则可采用阻带特性更优的四腔双工器。本文所设计的基站双工器工作带宽约50 MHz，其单个带内极点折算后所占尺寸为0.08λ0×0.08λ0× 0.04λ0，远小于采用多阶级联法设计的双工器。本研究所提出的双工器可用于LTE基站系统前端，连接天线和收发端口。本研究丰富和发展了基站双工器的设计方法，对基站双工器技术的发展具有重要意义。但该技术在天线、功分器和耦合器等器件的应用上还有待进一步深入研究。