基于S參數(shù)的基站分路器設(shè)計與實現(xiàn)

尤小泉 彭映杰

摘 要：目前2G和3G移動通信網(wǎng)絡(luò)均使用820MHz-960MHz和1710MHz-2145MHz兩個頻段，其分路器為微波三端口網(wǎng)絡(luò)，該電路在設(shè)計上有一定的難度，本文利用分路器S參數(shù)的特點，將微波三端口網(wǎng)絡(luò)轉(zhuǎn)化為了兩個微波二端口網(wǎng)絡(luò)，利用我們熟悉的低通濾波器和高通濾波器完成了該電路的設(shè)計，設(shè)計指標完全符合要求，該方法具有一定的參考價值。

關(guān)鍵詞：S參數(shù)；分路器；濾波器

1 引言

目前2G和3G移動通信網(wǎng)絡(luò)均使用820MHz-960MHz和1710MHz-2145MHz兩個頻段，由于受到后端放大器帶寬的限制，在基站設(shè)備中必須采用分路器將這兩個頻段進行分離后分別處理。由此可見，分路器是移動基站和直放站的重要組成部分，其質(zhì)量直接決定了通信信號的質(zhì)量[1]。

由于該兩個頻段相距較遠，可以采用低通濾波器和高通濾波器將這兩個頻段分離開。由于這兩個頻段的頻率較高，所以在設(shè)計濾波器時應(yīng)當(dāng)采用分布參數(shù)的設(shè)計方法。該方法的核心就是需要考慮射頻微波信號的入射波和反射波，在電路布線時需要考慮電路的特征阻抗和匹配，否則信號將會發(fā)生嚴重的反射，進而引起嚴重的碼間干擾和失真[2]。目前，射頻與微波電路的設(shè)計已經(jīng)廣泛的使用散射參數(shù)（S參數(shù)）的設(shè)計方法，該方法是一種基于端口入射波和反射波的方法，在設(shè)計時就能控制端口的反射波和反射系數(shù)，是一種有效的射頻微波電路設(shè)計方法，本文也是采用該方法對移動基站和直放站中的分路器進行設(shè)計。

2 分路器的S參數(shù)模型

分路器可以看做一個典型的微波三端口網(wǎng)絡(luò)，如圖1所示的分路器結(jié)構(gòu)示意圖。圖中①、②、③分別代表三個端口，即信號從①進，②、③出。①上的信號為820MHz-960MHz和1710MHz-2145MHz兩個頻段，②上的信號為820MHz-960MHz的頻段，③上的信號為1710MHz-2145MHz頻段。圖中ai表示i號端口的入射波，bi表示i號端口的反射波。

根據(jù)三端口網(wǎng)絡(luò)的S參數(shù)的定義，分路器所對應(yīng)的S參數(shù)為式1：

式中Sjj的物理含義為：其他端口都接匹配負載時，即αi=0（i≠j）時，端口j自身的反射系數(shù)；式中Sij的物理含義為：其他端口都接匹配負載時，即αi=0（i≠j）時，端口j到端口i的傳輸系數(shù)[3]；據(jù)此，對于理想的分路器，其各端口的反射系數(shù)均為0，即S11=S22=S33=0，這樣反射所引起的干擾和失真才會最小；并且2號端口和3號端口之間是隔離的，即S23=S32=0；最后，傳輸系數(shù)S12、S21、S31、S13應(yīng)該在各自的通頻帶內(nèi)為1，截止帶內(nèi)為0。綜上所述，在820MHz-960MHz和1710MHz-2145MHz兩個頻帶內(nèi)可以將分路器的S參數(shù)分別改寫為式2和式3：

根據(jù)網(wǎng)絡(luò)理論[4，5]，消去式2和式3中全零的行和列后，2式和3式分別可以看做一個二端口網(wǎng)絡(luò)，其S參數(shù)式4和式5：

顯然，式4為一截止頻率為960MHz的理想低通濾波器；式5為一截止頻率為1710MHz的理想高通濾波器，故分路器可以認為是兩個濾波器的組合[6]。

3 分路器的指標與設(shè)計

根據(jù)實際產(chǎn)品的需要，分路器的設(shè)計指標如下：

（1）工作頻率范圍：820MHz-960MHz和1710MHz-2145MHz

（2）插入損耗：≤0.6dB

（3）端口駐波：≤1.6

（4）通道隔離：≥40dB

由前面的分析可知，分路器可以看做兩個濾波器，其設(shè)計指標為：隔離度應(yīng)≥40dB，濾波器的帶內(nèi)波動應(yīng)≤0.6dB；由駐波比與反射系數(shù)的關(guān)系可以等到端口的反射系數(shù)應(yīng)≤-6.3dB[7]。據(jù)此我們分別設(shè)計低通濾波器和高通濾波器。

低通濾波器一般由電感和電容構(gòu)成，設(shè)計指標決定了電感和電容的取值，其計算過程較為復(fù)雜，為了簡化設(shè)計的難度，我們選擇ADS2011作為輔助軟件進行濾波器的設(shè)計，該軟件具有一個強大的濾波器設(shè)計向?qū)?，該向?qū)軌蜃詣釉O(shè)計出符合指標的濾波器模型。如圖2所示，只要在向?qū)е刑钊胪l帶、濾波器原型、帶內(nèi)波動、阻帶最大衰減以及端口特性阻抗，機會自動生成圖3所示的電路原型。

圖3所示的橢圓函數(shù)低通濾波器的端口阻抗為50Ω、通頻帶0～1.2GHz、帶內(nèi)波動0.5dB、阻帶衰減70dB。

其高通濾波器的設(shè)計方法和低通濾波器完全一致，只不過在設(shè)計向?qū)е行薷膶?yīng)的參數(shù)而已。將低通和高通濾波器進行并聯(lián)，并且考慮到元件間的連接的傳輸線，就可以得到所需要的分路器原理圖，如圖4所示。

該電路采用的微帶基片采用聚四氟乙烯，相對介電常數(shù)為2.08，厚度為0.5mm，據(jù)此可以計算特征阻抗為50Ω的微帶寬度為1.6mm，可以繪制出PCB版圖。電容采用ATC電容，電感采用自制的包漆線電感，圖中的自制電感（如L1=R120030041）的含義如下：R表示右旋，與L（左旋）對應(yīng)，120表示繞徑為1.2mm，030表示圈數(shù)為3圈，041表示線徑為0.41mm。裝配好后的實物尺寸如圖5所示。

其元件清單為表1所示：

4 測試結(jié)果

分路器組裝完成后進入調(diào)試，調(diào)試所用儀器為矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀，利用矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀可以很方便地得到其S參數(shù)。調(diào)試時雙端口矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀的兩根電纜分別接雙工器的其中兩個端口，另一個端口接匹配負載。該雙工器的調(diào)試主要針對自制的包漆線電感，通過調(diào)節(jié)電感線圈的緊密度等來改變電感值，從而得到滿足設(shè)計指標的測試結(jié)果，測試結(jié)果如圖5所示。

右圖5可以看出，該電路的帶內(nèi)波動、阻帶衰減以及端口的駐波比均滿足設(shè)計指標要求，說明采用S參數(shù)的方法設(shè)計該功能電路是有效的。

5 結(jié)語

本文利用S參數(shù)方法對分路器設(shè)計，將分路器分解為兩個二端口微波網(wǎng)絡(luò)，簡化了設(shè)計的難度。另一方面，將設(shè)計指標對應(yīng)為相應(yīng)的S參數(shù)，這有利于電路設(shè)計的準確性，能夠很好的達到設(shè)計指標的要求，在一定程度上對其它電路的設(shè)計具有一定的指導(dǎo)意義。

[參考文獻]

[1]張紀明，肖智，鄢澤洪.移動通信中微帶雙工器的設(shè)計與仿真[J].電子科技，2006，01：5-8.

[2]梁玭.基于ADS軟件的衛(wèi)星“動中通”收發(fā)系統(tǒng)微帶雙工器的設(shè)計仿真實驗研究[A].中國電子學(xué)會（Chinese Institute of Electronics）.2009年全國微波毫米波會議論文集（上冊）[C].中國電子學(xué)會（Chinese Institute of Electronics），2009：4.

[3]尤小泉，張玉平.一種X波段窄帶信號源的低成本實現(xiàn)方法[J].成都電子機械高等?？茖W(xué)校學(xué)報，2012，04：18-21.

[4]王俊華，沙春芳，單國威，等.微波綜合實驗儀的設(shè)計[J].實驗室研究與探索，2011，30（10）：44-46.

[5]Reinhold Ludwig，Pavel Bretchko.RF Circuit Design：Theory and Applications[M].London：Prentice Hall，2000

[6]Lucido， M..A New High-Efficient Spectral-Domain Analysis of Single and Multiple Coupled Microstrip Lines in Planarly Layered Media[J].Microwave Theory and Techniques，IEEE Transactions on，2012，60（7）：2025–2034.

[7]V.E.Lyubchenko，E.O.Yunevich，V.D.Kotov，V.I.Kalinin.Generation of microwave oscillations in a log-periodic antenna integrated with a field-effect transistor[J].Journal of Communications Technology and Electronics，2008，53（11）：1417–1419.