一種高隔離度的腔體雙頻合路器的設(shè)計(jì)

陳其豪，葉強(qiáng)，封建華

（中國計(jì)量學(xué)院信息工程學(xué)院，杭州310018）

一種高隔離度的腔體雙頻合路器的設(shè)計(jì)

陳其豪，葉強(qiáng)*，封建華

（中國計(jì)量學(xué)院信息工程學(xué)院，杭州310018）

設(shè)計(jì)了一款高隔離的同軸腔體雙頻合路器。采用了較多的交叉耦合來增加合路器的傳輸零點(diǎn)，從而提高了隔離度。兩路濾波器之間采用的是公共腔結(jié)構(gòu)，大幅降低了抽頭線對(duì)通帶的影響。為了驗(yàn)證該設(shè)計(jì)的可行性，采用這種結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)制作了一款針對(duì)DSC臺(tái)式機(jī)的合路器。該合路器的仿真和實(shí)測基本達(dá)到指標(biāo)要求。

合路器；隔離度；公共腔；交叉耦合

隨著移動(dòng)通信的迅猛發(fā)展，對(duì)具有小型化以及高選擇性的合路器需求日益增長。這些器件廣泛應(yīng)用于移動(dòng)通信系統(tǒng)和基站中，用來綜合不同射頻信道（來自發(fā)射機(jī)或者天線）中的信號(hào)。在微波頻段中，由具有傳輸零點(diǎn)的梳狀線或同軸腔體的濾波器組成的合路器有著很廣泛的應(yīng)用前景［1-3］。

合路器是由多路信號(hào)合成一路，因此為了保證系統(tǒng)的通信質(zhì)量，防止各個(gè)系統(tǒng)之間出現(xiàn)相互干擾，必須要對(duì)合路器的隔離度有著很高的要求。隔離度作為合路器3個(gè)國家必檢指標(biāo)之一（其他兩個(gè)是駐波比和三階互調(diào)），如何設(shè)計(jì)出高隔離度的合路器一直是設(shè)計(jì)者們所研究的難題。

本次合路器由兩個(gè)具有多個(gè)交叉耦合設(shè)計(jì)的濾波器單元組成，并在合路端采用公共腔的結(jié)構(gòu)，并根據(jù)這個(gè)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)了一款工作頻率范圍在1 850 MHz～1 910 MHz和1 930 MHz～1 990 MHz的三端口合路器。最后對(duì)該合路器進(jìn)行實(shí)際測試，基本達(dá)到了所規(guī)定的設(shè)計(jì)指標(biāo)。這種結(jié)構(gòu)能夠使得合路器具有較高的隔離度，有著很好的應(yīng)用前景。

1　合路器電磁仿真模型

本文通過所提出的結(jié)構(gòu)，設(shè)計(jì)了一個(gè)三端口的合路器，其兩路通道由帶有交叉耦合設(shè)計(jì)的帶通濾波器構(gòu)成，主要指標(biāo)如表1所示。

表1　雙頻合路器的指標(biāo)

通過仿真軟件可以直接得出TX端濾波器諧振腔個(gè)數(shù)為12，RX端濾波器諧振腔個(gè)數(shù)為13。在每一路單獨(dú)的通道濾波器里面加入交叉耦合結(jié)構(gòu)，進(jìn)而改善帶外抑制，提高合路器的隔離度指標(biāo)，其中，在TX端加入了3個(gè)容性耦合結(jié)構(gòu)，在RX端加入3個(gè)感性耦合結(jié)構(gòu)，1個(gè)容性耦合結(jié)構(gòu)。

每一個(gè)單獨(dú)的濾波器電路都是帶有傳輸零點(diǎn)的帶通濾波器等效電路，將兩個(gè)信道的濾波器通過一個(gè)公共腔組合在一起，合成后的合路器的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)如圖1所示，其中空心圓代表源和負(fù)載，實(shí)線代表主耦合，虛線代表的是交叉耦合。

圖1　合路器拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)圖

為了使得通帶內(nèi)衰減盡可能小，采用切比雪夫?yàn)V波器設(shè)計(jì)，根據(jù)公式：

式（1）～式（4）應(yīng)用于非公共腔，式（5）～式（7）應(yīng)用于公共腔；式中為濾波器的內(nèi)部耦合系數(shù)；為濾波器的Q值；為諧振腔的諧振頻率；B為濾波器帶寬；Bn為相對(duì)帶寬；Mk為耦合矩陣；b0為公共腔歸一化導(dǎo)納；c0為歸一化電容；f0為中心頻率；np，k為第K路濾波器階數(shù)。

根據(jù)耦合諧振器帶通濾波器設(shè)計(jì)理論和上面的公式，通過耦合矩陣的綜合以及反歸一化最終得出合路器的耦合系數(shù)、外界Q值以及諧振腔的諧振頻率，將相關(guān)的設(shè)計(jì)參數(shù)代入等效電路中作為初值進(jìn)行優(yōu)化仿真。合路器在Ansoft Designer中的整體電路模型如圖2。

根據(jù)從電路模型中提取優(yōu)化后的設(shè)計(jì)參數(shù)，再使用電磁仿真軟件HFSS對(duì)合路器進(jìn)行結(jié)構(gòu)模擬，得到合路器單個(gè)諧振器結(jié)構(gòu)尺寸、抽頭位置和耦合窗口大小的初值。并在AutoCAD中對(duì)合路器的整體模型圖進(jìn)行排版，如圖3所示。

圖2　合路器的整體電路模型

圖3　AutoCAD中合路器整體模型圖

合路器仿真曲線如圖4所示。從圖4可以看出，合路器的回波損耗達(dá)到了26 dB，且合路器的通帶隔離度都達(dá)到了105 dB，滿足了設(shè)計(jì)要求。

圖4　合路器的S參數(shù)圖

2　實(shí)測仿真

根據(jù)電磁仿真軟件HFSS仿真優(yōu)化的結(jié)構(gòu)尺寸參數(shù)，對(duì)合路器進(jìn)行加工制作，然后對(duì)合路器進(jìn)行試制，使其技術(shù)指標(biāo)滿足設(shè)計(jì)要求，由于合路器抽頭線的一切信息都隱藏在時(shí)延中，所以我們通過觀測反射群時(shí)延的方法來確定合路端抽頭線的位置，通過觀測合路器的散射參數(shù)來調(diào)整諧振器之間的壁距和耦合窗口大小，最后得到合路器的實(shí)物內(nèi)腔圖如圖5所示。其中公共腔內(nèi)導(dǎo)體高度為24 mm，TX端內(nèi)導(dǎo)體高度為25 mm，RX內(nèi)導(dǎo)體高度為26 mm，內(nèi)導(dǎo)體直徑為6 mm，腔體直徑為26 mm。端口1的抽頭高度為19 mm，壁距為4.8 mm，端口2和端口3的抽頭高度為19 mm，壁距為7 mm。TX和RX與公共腔相連的兩個(gè)腔體采用的凸臺(tái)設(shè)計(jì)來增強(qiáng)耦合，其中TX端凸臺(tái)高度為4.5 mm，RX端為1.5 mm。

最后使用Agilent E5070B網(wǎng)絡(luò)分析儀進(jìn)行測試，測試時(shí)，室內(nèi)常溫約為25℃，需要對(duì)兩路信號(hào)進(jìn)行測試，測試一路信號(hào)時(shí)，另一路的輸入端需接匹配負(fù)載，例如測1、TX端口時(shí)（端口標(biāo)注如圖5），RX端口需接上匹配負(fù)載。合路器實(shí)測的圖如圖6所示。

圖5　合路器的實(shí)物內(nèi)腔圖

圖6　實(shí)測結(jié)果圖

圖6（a）顯示的是RX端的實(shí)測數(shù)據(jù)，從中我們可以看出插入損耗（S21）在0.4 dB以內(nèi)，回波損耗到達(dá)25 dB，隔離度達(dá)到106 dB，都達(dá)到了指標(biāo)的要求。圖6（b）顯示的是TX端的實(shí)測數(shù)據(jù)，也基本上達(dá)到了設(shè)計(jì)指標(biāo)。實(shí)測數(shù)據(jù)與仿真數(shù)據(jù)基本上一致，在考慮到誤差的前提下，該合路器基本滿足了要求。

3　結(jié)論

本文設(shè)計(jì)了一款高隔離度的腔體雙頻合路器，在合路端采用了公共腔，每一路濾波器都設(shè)計(jì)了較多的交叉耦合設(shè)計(jì)，增加了傳輸零點(diǎn)，每一路的濾波器都有很好的帶外抑制，從而提高了隔離度。根據(jù)這樣的結(jié)構(gòu)，設(shè)計(jì)并制作出的用于DSC臺(tái)式機(jī)的合路器，實(shí)測與仿真基本吻合。證明了這種設(shè)計(jì)能夠滿足現(xiàn)代通信系統(tǒng)對(duì)合路器小型化，高隔離度的要求。在頻帶越來越擁擠的現(xiàn)代移動(dòng)通信中，往往一個(gè)通信制式中就需要多個(gè)信道才能滿足要求，而這種合路器能夠在多信道的前提下，保持各個(gè)系統(tǒng)的通信質(zhì)量，具有很好的發(fā)展前景。

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陳其豪（1992-）男，漢，浙江蒼南，碩士。研究方向?yàn)槲⒉o源器件的設(shè)計(jì)，13516715421@163.com；

葉強(qiáng)（1964-）男，漢，浙江杭州，教授，碩士，碩導(dǎo)。研究方向?yàn)橥ㄐ畔到y(tǒng)中無源互調(diào)電平測試標(biāo)準(zhǔn)，yeqiang0571@163. com；

封建華（1960-），男，漢，上海，本科學(xué)士，工程師；研究方向?yàn)槲⒉o源器件的設(shè)計(jì)，fengjh@jointcom.com。

Design of a High Degree of Isolation Cavity Dual-Frequency Combiner

CHEN Qihao，YE Qiang*，F(xiàn)ENG Jianhua
（College of Information Engineering，China Jiliang University，Hangzhou 310018，China）

Designed a high isolation of coaxial cavity dual-frequency combiner，and used more cross coupling that increasing the transmission zeros of combiner，then the result of this designed isolation has upgrade.As to the struc?ture of common cavity between the two filters，combiner has more low-impact of frequency-bandwidth with tap-line. In order to verify the feasibility of the design，we produce a combiner with the structure for DSC Combiner.In the simulation and experimental using the combiner，the conclusion achieves specification requirements.

combiner；isolation；common cavity；cross coupling

TN454

A

1005-9490（2016）02-0276-04

EEACC：135010.3969/j.issn.1005-9490.2016.02.008

2015-04-29修改日期：2015-05-27