小型化POI組件設計

李驚生，容榮，歐陽兆桉

（1.廣州杰賽科技股份有限公司，廣東 廣州 510310；2.澳門大學 科技學院，澳門特別行政區(qū) 519000）

0 引 言

室內(nèi)覆蓋是現(xiàn)代無線通信系統(tǒng)部署的重中之重，隨著移動通信技術(shù)的深化發(fā)展，多種標準和制式的系統(tǒng)同時存在，增加了室分系統(tǒng)的資源消耗以及布設難度。為同時滿足不同運營商的需求，實現(xiàn)復雜室內(nèi)環(huán)境的信號全覆蓋并且達到良好的系統(tǒng)指標，有效解決解決雜散干擾、及互調(diào)干擾等問題就顯得十分重要。多系統(tǒng)接入平臺（Point of Interface, POI）可以實現(xiàn)多系統(tǒng)多個頻段的信號合路接入，在干擾抑制以及減少功率損耗方面效果顯著，是目前主流的室分解決方案之一。以POI 為核心部件，可靈活搭建出各種室分系統(tǒng)共建方案，如主要考慮節(jié)約成本的單纜室分方案，兼容MIMO 系統(tǒng)的雙纜方案等。除傳統(tǒng)的三大運營商及鐵塔公司以外，多頻高性能POI 組件也是各城市地鐵沿線以及城市間軌道交通無線網(wǎng)絡覆蓋解決方案的關鍵器件之一，從市場規(guī)模來看，各大城市地鐵公司以及鐵路公司對高性能POI 組件的需求量并不亞于傳統(tǒng)的運營商，產(chǎn)品具有非常廣闊的市場前景。

從圖1結(jié)構(gòu)上看，POI 內(nèi)部由兩個多頻合路器組成，多個通信系統(tǒng)的頻段信號從輸入端口進入對應的合路器，通過信號合路，最后輸出到天線系統(tǒng)實現(xiàn)室內(nèi)覆蓋。目前常見的POI產(chǎn)品包括9 頻和12 頻兩種，POI 內(nèi)部的合路器設計的核心是濾波器的設計，濾波器的體積決定著整個POI 產(chǎn)品的體積，因此如何在實現(xiàn)各項電性能指標的同時使濾波器盡量小型化，是工程上需要解決的關鍵技術(shù)問題。本文的主要貢獻是提出了一種基于多模諧振技術(shù)來實現(xiàn)濾波器模塊小型化的方案。

圖1 POI 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖

與傳統(tǒng)的方案對比，本方案具有以下優(yōu)點：

（1）腔體內(nèi)部無需相鄰金屬壁，通過多模諧振來有效減少腔體數(shù)量，實現(xiàn)濾波器的小型化；

（2）金屬耗材的減少，有利于提高腔體的無載Q 值，減少通帶的插入損耗；

（3）圓柱形諧振內(nèi)導體可以進一步加工成片狀同軸，更方便一次加工和安裝。

1 小型化POI 組件設計

1.1 相關研究

如前所述，在站址資源緊缺以及室內(nèi)施工難度大的前提下，希望在完成運營商性能要求下，盡可能實現(xiàn)電路的小型化，這點對室分解決方案尤其重要，近年來很多科研團隊都致力于在更小的體積下實現(xiàn)更好的指標。POI 組件的核心技術(shù)是濾波器和多工器，近年來，國內(nèi)外相關的研究呈現(xiàn)上升趨勢。2010年來自意大利米蘭的團隊提出了一套星型節(jié)點多工器的綜合設計方法，并按照該方法設計了三路多工器，為了提升多工器的濾波性能，利用多階諧振器級聯(lián)來提高帶外抑制，同時采用交叉耦合引入一對零點提高通帶選擇性。2013年加拿大Ming Yu 教授發(fā)表的三路多工器設計，此3 路多工器應用在Ku 波段，采用介質(zhì)諧振器的技術(shù)，體積大幅減小，并且有高功率容量和良好的溫度穩(wěn)定性。通帶兩邊各有一個傳輸零點，在工作范圍內(nèi)提供良好的頻率選擇性。2013年吳克利教授在MTT 上公布了一款17 路多工器。其諧振器為階梯型單腔雙模波導諧振器，采用兩個單腔級聯(lián)的方式作為一路，兩單腔之間靠十字形的縫隙控制耦合，每路通帶均有4 個模，S11 都在-20 dB 以下，并且在通帶兩邊各產(chǎn)生一個傳輸零點提高通帶選擇性。整體結(jié)構(gòu)的排列方式是魚骨型，各路相互之間的干擾小，并節(jié)省空間。Ming Yu 教授在2015年提出的多工器。此多工器工作在Ka 頻段，同樣是采用單腔雙模諧振器并且擁有高Q 值和高功率容量。每路也是采用雙腔縫隙耦合的方式級聯(lián)，產(chǎn)生4 階濾波特性，帶外抑制有-60 dB 以下，帶內(nèi)插入損耗小于1 dB，經(jīng)測試表明溫度對其性能影響小，熱穩(wěn)定性好，適合大功率環(huán)境。學者S. Cogollos 在2015年提出的一種波導多工器設計方法，可實現(xiàn)頻帶連續(xù)的多工器。該款多工器采用混合折疊矩形波導諧振器，在18 GHz 到24 GHz 實現(xiàn)了5 個連續(xù)相同帶寬分路通帶和一個高頻寬帶分路通帶，每路通帶內(nèi)的插損小并且較好的帶外抑制，但是該款多工器體積較大，通帶兩邊并無零點，選擇性比上述介紹的多工器稍差。

1.2 基于多模諧振技術(shù)的小型化濾波器模塊

POI 組件小型化要求多工器小型化，而多工器小型化要求濾波器具有更小的尺寸，更輕的重量，更低的成本。采用多模諧振器構(gòu)成多模濾波器是減小濾波器尺寸最有效的方法之一。在一個諧振腔內(nèi)有多個可資利用的諧振模式，利用一個諧振腔中前個模式的耦合，可以用單腔實現(xiàn)階濾波器，使得濾波器所用的諧振腔數(shù)目減少-1 個，從而減小了濾波器體積，減輕了重量。基于該原理，本節(jié)提出一種多模諧振方案來實現(xiàn)濾波器模塊的小型化，腔體諧振器采用經(jīng)典的同軸腔諧振器，由于同軸內(nèi)導體金屬柱和腔體上表面之間開路存在電容加載效應，改變金屬同軸長度能改變加載電容值的大小，從而可控制同軸腔的諧振頻率。在雙階腔體濾波器設計中，利用同軸金屬柱之間的距離作為控制參數(shù)，可以控制兩個模式之間的耦合系數(shù)，如圖2所示。

圖2給出了傳統(tǒng)單腔單模的雙階結(jié)構(gòu)和基于多模諧振技術(shù)的單腔雙模結(jié)構(gòu)。可以看出后者尺寸在諧振柱耦合方向上明顯較前者更小。通過同樣響應下的六階單模結(jié)構(gòu)和單腔六模結(jié)構(gòu)來對比具體的尺寸，圖3（a）和（b）分別給出了六階單模結(jié)構(gòu)和單腔六模結(jié)構(gòu)設計。

圖2 傳統(tǒng)雙階結(jié)構(gòu)和單腔雙模結(jié)構(gòu)對比圖

圖3 六階單模結(jié)構(gòu)和單腔六模結(jié)構(gòu)對比圖

六階單模結(jié)構(gòu)的尺寸為90×135.4×30 mm，在中心頻率2.85 GHz 對應波長下，電尺寸為0.855×1.286× 0.285，而單腔六模結(jié)構(gòu)的尺寸為28.8×97.25×29.8 mm，在中心頻率2.85 GHz 對應波長下，電尺寸為0.274× 0.924×0.283，即除了在高度上相近外，后者在寬度和長度均比前者要減少約3/4 和1/4。兩者的性能仿真對比將在下一節(jié)給出。

圖4給出了單腔六模結(jié)構(gòu)內(nèi)部的電場分布和磁場分布，可以看出在單個金屬諧振腔中，通過同軸內(nèi)導體的加載，可以利用多個諧振模以構(gòu)建所需通帶的響應。

圖4 單腔六模結(jié)構(gòu)電場和磁場分布

2 仿真驗證

為驗證上一節(jié)給出的單腔多模小型化濾波器設計方法的有效性，本節(jié)先給出了單腔多模與多階單模的仿真性能對比，然后對單腔雙模、單腔四模、單腔六模的濾波器參數(shù)，矩形度等指標做出對比驗證。

圖5給出單腔六模結(jié)構(gòu)和六階單模結(jié)構(gòu)的頻率響應的仿真結(jié)果和電路綜合結(jié)果對比，如圖所示，兩者具有相近的頻率響應。然而由上節(jié)給出的體積來看，對于中心頻率2.85 GHz 的濾波器來說，單腔六模結(jié)構(gòu)的體積僅為六階單模結(jié)構(gòu)體積的22.8%。圖6和表1給出單腔雙模、單腔四模和單腔六模的參數(shù)仿真結(jié)果對比。

表1 單腔雙模、四模和六模詳細指標對比

圖5 單腔六模仿真、六階單模仿真和電路綜合結(jié)果對比圖

圖6 單腔雙模、四模和六模仿真結(jié)果對比圖

從仿真結(jié)果可以看出隨著階數(shù)的增多，帶外抑制及矩形度也越好。當單腔六模諧振時，其帶外抑制已超過90 dB，完全可以滿足運營商級的POI 組件設計要求。

3 結(jié) 論

室內(nèi)覆蓋是當前移動通信產(chǎn)業(yè)發(fā)展的重點，采用POI 進行多系統(tǒng)合路接入是目前室分系統(tǒng)的主流解決方案之一，而POI的小型化是迫切要解決的問題。POI 組件的核心是濾波器，其體積大小決定了POI 的體積，本文提出了一種基于多模諧振技術(shù)的濾波器模塊小型化方案。通過仿真驗證，提出的方案能夠有效減小濾波器體積，在中心頻率為2.85 GHz時，單腔六模情況下，體積僅約為傳統(tǒng)六階單模濾波器方案的22%，并且?guī)庖种颇軌蜻_到94.7 dB，能夠滿足運營商級別的POI 組件設計要求。