基于全制式宽带通信信号的开关滤波器设计与实现

朱亮 徐丹丹 武敬飞

摘要：介绍了宽带无线通信技术产业化要求，通过仿真带通滤波器、低通滤波器，并结合放大器、射频开关设计了一种开关滤波器，满足全制式宽带通信信号的滤波要求，并经过印制板加工及测试，实验结果满足设计指标。

关键词：无线通信;滤波器;射频开关;宽带放大器;

0 引言

随着新一代宽带无线通信技术产业化的不断深入和发展，LTE-A Pro、LTE-A、LTE、WCDMA、TD-SCDMA和GSM等多制式宽带通信信号共存的情况下如何针对不同制式进行分段滤波[1]。传统宽带滤波器只能针对固定频段进行滤波，本文提出一种开关滤波器实现全制式宽带信号带外抑制，提高通信信号频谱纯度，满足新一代无线通信要求。

1 开关滤波器基本工作原理

针对全制式宽带通信信号不同频段要求，在保证输入输出功率插损较小的情况下，进行滤波器分段设计，该开关滤波器包括开关带通滤波器模块和开关低通滤波器模块。宽带通道信号频率范围在400 MHz-6000 MHz，开关带通滤波器针对400 MHz-6000 MHz信号进行频段划分，考虑设计成本问题及性能指标，滤波器没有采用集成封装滤波器器件，而是采用ADS进行仿真设计滤波器[2]。在仿真的时候考虑到设计的误差，对通带要求留有一定的余量。带通滤波器模块将频段划分为三段，400 MHz-2.8 GHz，2.75 GHz-4.55 GHz和4.45 GHz-6.1 GHz。其中400 MHz-2.8 GHz频段采用2.8 GHz低通滤波器，其余两段采用带通滤波器设计，开关带通滤波器模块原理框图如图1所示。

图1中每一路信号都需经过四个射频开关，再加上每一路滤波器带内差损，信号功率由输入到输出至少存在10 dB损耗，为了保证带通滤波器输出信号功率要求，必须对带通滤波器输出信号功率进行放大。

开关低通滤波器主要针对开关带通滤波器模块在400 MHz-2.8G Hz频段内不能有效滤除二次谐波进行改善，同时对高频宽带信号中产生的杂散进行滤波。低通滤波器模块将频段划分为三段，400 MHz-1.2 GHz，1.2 GHz-2.8 GHz和2.8 GHz-6.1 GHz，各滤波器均采用低通滤波器设计，开关低通滤波器原理框图如图2所示。

图2中射频开关通过级联实现，对于信号在2.8 GHz-6.1 GHz时，宽带通信信号经过低通滤波器模块會产生高达10 dB的损耗，为了弥补通路中损失的功率，同样采用宽带放大器进行功率补偿。

2 方案设计与实现

2.1 开关滤波器通路开关及放大设计

开关滤波器为了实现多频段滤波，采用Hittite公司的SPDT开关HMC270MS8G实现级联，HMC270MS8G器件指标如表1所示。

由表可知，HMC270MS8G开关插入损耗在高频时只有1.7 dB，且隔离度能够达到45 dB，保证了开关在级联时信号损耗较小，隔离度足够大。同时开关输入功率1 dB压缩点能够达到20 dBm，可以保证本振在输出较大信号时也不会出现功率压缩。

为了避免在开关滤波器射频通路中衰减器、开关以及滤波器对输入信号存在较大的损耗，保证宽带通信信号在最终输出端功率满足3 GPP要求，需要在射频发通路中进行功率放大从而补偿信号差损。

为了实现400 MHz-6000 MHz宽带信号的功率输出，通过比较，开关带通滤波器模块和开关低通滤波器模块均采用Firsar公司的宽带放大器FGB-1509A宽带放大器进行放大，该器件指标如表2所示。

该器件工作频率能够达到9.0 GHz，增益达到+15 dB，且频响较好，通过该放大器可以保证带通滤波器输出功率大于0 dBm，放大器设计电路及增益曲线如图3所示。

2.2 射频通路带通滤波器设计

本方案未采用封装好的集成滤波器，而是采用ADS仿真设计，在降低成本的同时提高整个模块性能指标。对于低频低通滤波器通过LC滤波器实现，设计简单，器件分布参数对指标影响较小。对于高频低频滤波器，本文采用ADS仿真设计出扇形微带滤波器[3]进行滤波。

带通滤波器作为开关滤波器设计难点之一，采用带状线结构设计交指型滤波器，增大滤波器带外抑制;采用微带滤波仿真与参数优化技术，提高滤波器性能;众所周知，传统LC带通滤波器设计简单，逼近函数类型多，广泛应用于低频模拟电路。但由于LC器件标称值误差存在，滤波器指标不稳定，一致性较差。尤其在高频时，LC由于分布参数的存在，感抗容抗发生变化，造成信号传输插入损耗变大，带外抑制变差，以及中心频率发生偏移等问题。在本文中，带通滤波器通过采用带状线交指型结构[4]设计，并与PCB设计为一个整体，性能指标稳定。带状线结构由于其结构封闭性，没有辐射，损耗小，带通滤波器在插入损耗和带外抑制上明显优于微带结构。同时由于终端短路式交指型滤波器具有体积小，结构紧凑，带宽大，易于加工和一致性好等优点。此外为了避免外部安装滤波器引起的阻抗不匹配、接地不充分造成的带外自激和差损增大等问题，本方案将带通滤波器和射频电路作为一个完整的PCB设计，带通滤波器结构如图4所示。

两款带通滤波器的仿真曲线如图5所示。

两款带通滤波器的测试曲线如图6所示。

由测试结果可以看出带通滤波器在减去线损的情况下通带插入损耗小于4 dB，带外抑制大于35 dB，带内纹波优于1.5 dB，由于实际加工误差和测试误差，测试结果虽然略差于仿真结果，但测试结果仍满足设计要求。

开关滤波器射频走线在印制板顶层，但带通滤波器使用带状线结构，为了避免微带线和带状线通过过孔连接时由于阻抗不匹配射频信号会造成较大反射，影响信号的传输。解决办法通过在带通滤波器两端分别加入两个衰减量为1 dB的Ⅱ型衰减器来实现阻抗匹配，经实际测试未发现信号反射问题。

2.3 开关滤波器实现

开关带通滤波器模块和开关低通滤波器模块作为一个完整部件放入屏蔽盒中，组合安装后的开关滤波器实物如图7所示。该屏蔽盒通过分仓和在盖板上增加导电橡胶板的模式有效抑制射频通道相互干扰以及功率泄漏问题[5]。

3 结论

开关滤波器在新一代宽带无线通信中具有举足轻重的地位，其性能决定了全制式宽带通信系统信号质量的好坏。本文基于带通滤波器、低通滤波器，并结合放大器、射频开关设计的全制式宽带通信信号开关滤波器，能够广泛应用于无线通信系统领域。

参考文献：

[1]靳应祥，一种组合型开关滤波器组的设计与实现[D].电子科技大学2014.

[2]栾秀珍，房少军，金红，邰佑诚，微波技术[M].北京邮电大学出版社，2009.

[3]邓世雄，陈星，李德治，扇形短截线结构的椭圆微带低通滤波器设计[J]电子测试技术，2012.

[4]刘海强，周立学，李良，交指型微带带通滤波器的设计[J].电子科技，2014 （7）：71-73.

[5]陈丽飞，射频电路PCB的设计技巧[J].电子设计工程，2013（7）：181-184.