一種新結(jié)構(gòu)用于正交接收機(jī)的功分器設(shè)計(jì)

孫 濤,林華杰,包 濤

(西北工業(yè)大學(xué) 電子信息學(xué)院,陜西 西安 710100)

一種新結(jié)構(gòu)用于正交接收機(jī)的功分器設(shè)計(jì)

孫 濤,林華杰,包 濤

(西北工業(yè)大學(xué) 電子信息學(xué)院,陜西 西安 710100)

隨著技術(shù)及工藝的進(jìn)步,接收機(jī)越來(lái)越趨于小型化.功分器作為接收機(jī)中必不可少的部件之一,其小型化設(shè)計(jì)也越來(lái)越重要.本文分析了對(duì)稱和反對(duì)稱源激勵(lì)(奇偶模分析技術(shù)),給出了設(shè)計(jì)方法,并設(shè)計(jì)出了一種新結(jié)構(gòu)432MHz的90°相移功分器,通過(guò)頻率特性分析,該結(jié)構(gòu)功分器內(nèi)部直接集成LC濾波器,減小了整體的集總元件數(shù)量及整體體積體.借助于ADS仿真軟件對(duì)設(shè)計(jì)結(jié)果進(jìn)行仿真,仿真結(jié)果與理論計(jì)算符合并滿足指標(biāo)要求.

功分器;集總元件;奇偶模;濾波器

接收機(jī)是無(wú)線通信系統(tǒng)必不可少的部分,小型化和高集成度是當(dāng)今接收機(jī)的發(fā)展趨勢(shì),功分器作為接收機(jī)中的一個(gè)重要模塊,其作用是將一路信號(hào)分成多路多路相等或者不想等的信號(hào),目前常用的功分器類型有分支線定向耦合器、wilkinson功分器[1]和雙線二分器[2],其結(jié)構(gòu)幾乎全部用微帶形式.文中根據(jù)信號(hào)頻率的特點(diǎn),提出了內(nèi)部集成特定頻率濾波器的新結(jié)構(gòu)功分器的設(shè)計(jì)方法,該結(jié)構(gòu)功分器全部由集總原件組成,減小了整體的體積.

1 設(shè)計(jì)需求

在所從事的接收機(jī)研制項(xiàng)目中,采用正交變換接收機(jī)結(jié)構(gòu).正交變換接收機(jī)具有體積小、集成度高和低成本等優(yōu)點(diǎn),已經(jīng)漸漸發(fā)展為接收機(jī)中的主流結(jié)構(gòu)[3](圖1).在該結(jié)構(gòu)中為了減少鏡像干擾,要求兩路本振信號(hào)完全正交,故功分器的好壞直接影響整個(gè)接收機(jī)性能.項(xiàng)目要求在工作頻率(432 MHz)附近濾除一個(gè)強(qiáng)干擾信號(hào)(380 MHz).

設(shè)計(jì)指標(biāo)如下:

工作頻率 432 MHz;

90°相移功分器380 MHz隔離度S(2.1)≤-30 dB;S(3.1)≤-30 dB;

輸入端口回波損耗S(1.1)≤-30 dB;

輸出端口隔離度S(2.3)≤-30 dB;

插入損耗S(2.1)≤-3.1 dB;S(3.1)≤-3.1 dB;

相位誤差≤2°.

圖1 正交接收機(jī)結(jié)構(gòu)圖Fig. 1 Structure chart of the quadrature receiver

2 理論分析

功分器典型的分析法是奇偶模分析法[6],奇偶模分析法是基于線性網(wǎng)絡(luò)疊加原理,將線性網(wǎng)絡(luò)的散射參數(shù)用偶模和奇模情況下的反射系數(shù)(和投射系數(shù))來(lái)表示,例如如果在網(wǎng)絡(luò)的兩個(gè)端口上,同時(shí)分別以入射波a1和a2激勵(lì),則響應(yīng)b1、b2是偶模(兩個(gè)端口以幅度、相位都相同的電壓波激勵(lì), ae和ae)和奇模(兩個(gè)端口以幅度相同、相位相反的電壓波激勵(lì),ao和-ao)分別響應(yīng)下的疊加,如圖2所示.

其中:

圖2 奇偶模分析法圖解Fig. 2 Chart even-odd mode analysis

當(dāng)為偶模激勵(lì)時(shí),中心對(duì)稱平面相當(dāng)于一個(gè)磁壁(開路),當(dāng)為奇模激勵(lì)時(shí),中心對(duì)稱平面相當(dāng)于一個(gè)電壁(短路).

圖3(a)為普通集總原件功分器與LC濾波器的結(jié)構(gòu)原理圖,圖3(b)為集成了LC濾波器的90°相移功分器結(jié)構(gòu)原理圖[1],圖3(c)為集成了LC濾波器的0°功分器原理圖.項(xiàng)目要求功分器工作在432 MHz,而在380 MHz處有一個(gè)強(qiáng)干擾信號(hào).由于功分器的工作帶寬以及干擾信號(hào)的帶寬都很窄,根據(jù)LC電路的諧振特性,可以使L2與C3的串聯(lián)諧振頻率為380 MHz,這樣對(duì)于380 MHz頻率信號(hào)而言相當(dāng)于與地短路,從而濾除了380 MHz的強(qiáng)干擾信號(hào).為了使圖3(b)結(jié)構(gòu)的功分器與圖3(a)的特性相同,必須保證L2與C3的總阻抗與L1相同.這樣相當(dāng)于該功分器集成了LC濾波器,減少了電容與電感的數(shù)量,從而減小了整體的體積.

奇偶模分析法的核心是解耦,由于激發(fā)的對(duì)稱性與反對(duì)稱性,一個(gè)四端口的網(wǎng)絡(luò)可以等效于4個(gè)解耦的一端口網(wǎng)絡(luò) ,圖4是圖3(a)的4種激勵(lì)解耦圖.

圖3 原理圖Fig. 3 Power drivider

圖4 90°普通功分器解耦圖Fig. 4 Decomposition of the proposed 90-degree power divider into forur excitations

L2與C3的阻抗Zf由下式給出:

L2與C1的總阻抗與L1相同,其中L2與C1與構(gòu)成諧振頻率為380 MHz諧振回路.

各端口的波振幅為:

其中Bi為端口i的波振幅, 表示j端口到i端口的散射參量,Γa、Γb、Γc和 Γd為圖4(a)、(b)、(c)、(d)的散射系數(shù).另:

S11=0(端口1匹配)(一半功率,從端口1到端口2相移90°)(一半功率,從端口1到端口3相移-180°)

S41=0(端口四無(wú)功率輸出)

再由式(2)可得各個(gè)端口的反射系數(shù):

3 仿 真

利用ADS軟件對(duì)上述結(jié)論進(jìn)行頻率點(diǎn)與相位點(diǎn)的仿真[5].

S參數(shù)頻率點(diǎn)仿真如圖5所示,從結(jié)果中可以看出頻率在432 MHz的時(shí)候,傳輸損耗S(3.1)為-2.790 dB,S(2.1)為-2.781 dB,輸出端口隔離度S(2.3)=-30.63 dB,端口的反射系數(shù)為:S(1.1)=-30.201 dB、S(2.2)=-30.975 dB=S(3.3),頻率在380 MHz的時(shí)候S(2.1)=-61.154 dB、S(3.1)=-60.580 dB.滿足設(shè)計(jì)要求.

S參數(shù)相位點(diǎn)仿真如圖5所示,相位差別在432 MHz, Phase(S(2.1))為89.534,Phase(S(3.1))為179.559°.誤差為0.025°,滿足設(shè)計(jì)要求.

圖5 仿真Fig. 5 Simulation

4 結(jié)束語(yǔ)

小型化與低成本是接收機(jī)發(fā)展的趨勢(shì),功分器作為接收機(jī)中必不可少的模塊其性能、大小以及成本直接關(guān)系到接收機(jī)的整體.文中應(yīng)用奇偶模分析技術(shù)并采用集總元件給出432 MHz的90°相移功分器設(shè)計(jì)方法,并根據(jù)項(xiàng)目要求提出功分器內(nèi)部直接集成LC濾波器新型結(jié)構(gòu),免除了外部LC濾波器,減小了整體的體積,最后借助ADS對(duì)該模型進(jìn)行仿真,仿真結(jié)果滿足設(shè)計(jì)指標(biāo)要求.

[1] 徐興福. ADS2008射頻電路設(shè)計(jì)與仿真實(shí)例[M].北京:電子工業(yè)出版社,2009.

[2] Noriega F, Gonzalez P J. Designing of LC Wilkinson power splitters [J].RF interconnects/interfaces ,2002,18-24.

[3] 李智群, 王志功. 零中頻射頻接收機(jī)技術(shù)[J]. 通信與計(jì)算機(jī), 2004,30(5): 69-72. LI Zhi-qun,WANG Zhi-gong.Technology of zero-IF receiver[J],C ommunication&Computer,2004,30(50):69-72.

[4] TSENG ChaoH-siung,CHANG Chih -Lin.A broadband quadrature power splitter using metamaterial transmission line[J]. Microwave and Wireless Components Letters,IEEE,2008,18(1):25-27.

[5] 赫崇駿, 韓永寧, 袁乃昌. 微波電路[M]. 長(zhǎng)沙:國(guó)防科技大學(xué)出版社,2000.

[6] Richard,Chi-Hsi,Li.RF circuit design[M].北京:電子工業(yè)出版社, 2011.

Design of a new type power divider used in quadrature receiver

SUN Tao, LIN Hua-jie, BAO Tao
(School of Electronics And Information, Northwestern Polytechnical University, Xi'an 710100, China)

As the progress of technology and process , the RF receiver is going smaller and smaller. power divider as one of the most important parts of the receiver and it's becoming smaller and smaller, with this purpose,this paper describes a new type power divider on the basis of even-odd mode analysis using lumped element in 432MHz,to analyze the working frequency, this type of the power divider includes LC filter ,so it has fewer lumped elements and the size is smaller than usual. the simulated result is pleased by ADS.

power divider; lumped element; even and odd mode; filter

TN73

A

1674-6236(2014)07-0137-03

2013-07-27稿件編號(hào):201307201

孫 濤(1987-),男,陜西渭南人,碩士研究生.研究方向:微波通信.