2.3 GHz/2.6 GHz腔體雙工器的設(shè)計

汪海英，江海金

(1.羅森伯格技術(shù)(昆山)有限公司，江蘇 昆山 215345；2.江蘇哈維爾喜萬年照明有限公司，江蘇 鹽城 224799)

2.3 GHz/2.6 GHz腔體雙工器的設(shè)計

汪海英1，江海金2

(1.羅森伯格技術(shù)(昆山)有限公司，江蘇 昆山 215345；2.江蘇哈維爾喜萬年照明有限公司，江蘇 鹽城 224799)

基于廣義切比雪夫帶通濾波器的綜合理論，研究了2.3/2.6 GHz腔體雙工器的設(shè)計原理及仿真方法。利用能產(chǎn)生傳輸零點(diǎn)的交叉耦合結(jié)構(gòu)，采用公共諧振腔將兩個通道濾波器進(jìn)行合路，通過電磁仿真軟件對雙工器模型仿真分析，并進(jìn)行了實物的加工和調(diào)試，得到的實測曲線滿足設(shè)計要求。該雙工器已成功應(yīng)用于4G移動通信系統(tǒng)中，從而論證了該方法的正確性與可行性。

廣義切比雪夫濾波器；雙工器；耦合矩陣；交叉耦合；公共腔

雙工器作為通信系統(tǒng)設(shè)備可以使系統(tǒng)不同通道隨著無線通信技術(shù)的發(fā)展，雙工器在通信系統(tǒng)設(shè)備中占有重要的地位。信號進(jìn)行合成和分離，使不同頻率通道同時運(yùn)作，從而滿足實時雙向通信的要求。因此雙工器廣泛應(yīng)用于移動通信、衛(wèi)星通信、遙測遙控等系統(tǒng)，其性能優(yōu)劣將直接影響整個通信系統(tǒng)的質(zhì)量[1-4]。

本文研究了由2.3 GHz帶通濾波器和2.6 GHz帶通濾波器組成的雙工器。利用廣義切比雪夫濾波器理論，通過非相鄰諧振腔的交叉耦合來實現(xiàn)傳輸零點(diǎn)，研究耦合矩陣、公共腔結(jié)構(gòu)和耦合結(jié)構(gòu)的仿真設(shè)計，得到雙工器的電路仿真和三維電磁仿真結(jié)果為設(shè)計腔體雙工器提供了良好的依據(jù)。隨著新一代4G移動通信技術(shù)的到來，研制2.3 /2.6 GHz腔體雙工器對4G移動通信技術(shù)的發(fā)展具有重要意義。

1 雙工器的電路仿真

1.1 帶通濾波器的耦合系數(shù)

腔體雙工器的指標(biāo)如表1所示，根據(jù)表1的指標(biāo)，選擇6 腔廣義切比雪夫濾波器[5-9]，帶有一個 單元交叉耦合，2～5腔組成 單元，2 腔和5 腔的非相鄰耦合為交叉耦合，級聯(lián)耦合為磁耦合，交叉耦合為電耦合，其拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)如圖1所示[9-12]。

表1 雙工器主要指標(biāo)

通過商用微波電路仿真、優(yōu)化軟件和電磁分析軟件，可建立起耦合矩陣、電路模型和三維實物模型。本文先分別對兩個帶通濾波器采用圖1的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)獲得耦合系數(shù)矩陣和外部品質(zhì)因數(shù)。

2 300～2 400 的帶通濾波器對應(yīng)的去歸一化耦合矩陣為M[13]

去歸一化耦合系數(shù)K與外部品質(zhì)因素Qe由下列公式求出[13]

K=FBW×M

(1)

(2)

耦合矩陣中對角線元素表示各諧振腔的諧振頻率，其具體頻率可用以下式得到[13]

(3)

fri=2Mii×FBW+f0

(4)

由此可得去歸一化耦合系數(shù)K

Qe1=Qe2=20.092 02

各諧振腔諧振頻率為：fr1=2 349.501 6 MHz;fr2=2 349.500 9 MHz;fr3=2 349.500 8 MHz;fr4=2 349.500 3 MHz;fr5=2 349.500 9 MHz;fr6=2 349.501 6 MHz。

相鄰與非相鄰諧振腔之間的去歸一化耦合系數(shù)為：K12=0.038 936；K23=0.026 784;K34=0.028 182;K45=0.026 783;K56=0.038 936;K25=-0.003 13。

同理可得，2 500～2 700 MHz的帶通濾波器對應(yīng)的去歸一化耦合矩陣M和耦合系數(shù)為K[13]

各諧振腔諧振頻率為：fr1=2 598.079 MHz;fr2=2 598.078 MHz;fr3=2 598.078 MHz;fr4=2 598.078 MHz;fr5=2 598.078 MHz;fr6=2 598.079 MHz。

相鄰與非相鄰諧振腔之間的去歸一化耦合系數(shù)為：K12=0.073 929;K23=0.049 953;K34=0.052 111;K45=0.048 748;K56=0.073 929;K25=-0.006 95

1.2 雙工器電路仿真

根據(jù)以上計算，雙工器兩個通道濾波器的各項電參數(shù)：各腔諧振頻率、相鄰腔與非相鄰腔之間的耦合系數(shù)以及外部品質(zhì)因數(shù) 已全部得出，雙工器的兩個帶通濾波器已設(shè)計完成，接下來是將兩個濾波器進(jìn)行合路設(shè)計。本文利用一個公共諧振腔結(jié)構(gòu)將兩個帶通濾波器進(jìn)行合路，形成一個三端口網(wǎng)絡(luò)的雙工器[14-15]，如圖2所示。帶有公共腔結(jié)構(gòu)的雙工器避免了合路端有抽頭線交織在一起，降低了兩個通道濾波器之間的相互影響。

圖2 公共腔結(jié)構(gòu)圖

在高頻電路軟件中建立電路模型，將各諧振器諧振頻率及各諧振腔之間的耦合系數(shù)代入，將兩個濾波器通過公共腔級聯(lián)起來。并且設(shè)置合適的優(yōu)化目標(biāo)進(jìn)行優(yōu)化，使其滿足設(shè)定的指標(biāo)。經(jīng)過優(yōu)化計算后，雙工器性能指標(biāo)如圖3雙工器優(yōu)化后的S參數(shù)曲線圖。如圖3 所示，兩個帶通濾波器回波損耗達(dá)到24 dB，相互間的帶外抑制度達(dá)60 dB。

圖3 雙工器電路仿真曲線圖

2 雙工器的三維結(jié)構(gòu)仿真

使用CST三維電磁仿真軟件對雙工器進(jìn)行三維電磁仿真，以電路仿真結(jié)果為參考，對三維模型的尺寸進(jìn)行調(diào)整。根據(jù)雙工器外形尺寸的要求、濾波器單腔的諧振頻率及單腔的Q值，采用CST的本征模計算方法，設(shè)計出單個諧振腔的結(jié)構(gòu)。在腔體上面再加一個調(diào)諧螺釘，一方面可以降低內(nèi)導(dǎo)體的長度，另一方面在后期調(diào)試時可以改變調(diào)諧螺釘進(jìn)入腔體的深度來改變諧振腔的諧振頻率。

取諧振腔方腔內(nèi)邊長a=30 mm，高H=28 mm，內(nèi)導(dǎo)體外直徑D=11 mm，高H1=22 mm，調(diào)諧螺釘直徑Ds=5 mm，進(jìn)入腔體的深度設(shè)為變量L。由于腔體的諧振頻率和無載Q值隨著L變大而降低[13,16]，在設(shè)計單個諧振腔時，既要考慮到調(diào)諧螺釘改變頻率的范圍能滿足雙工器的頻率范圍，又要求盡量減少諧振螺釘進(jìn)入腔體中帶來無載Q值的降低。

圖4 有載Q值仿真結(jié)構(gòu)圖

圖5 群時延與耦合盤到內(nèi)導(dǎo)體距離L_plate的關(guān)系圖

在CST中，有載Qe值可以通過群時延式(5)計算[13]，建立圖4所示的有載Qe值仿真結(jié)構(gòu)圖。當(dāng)輸入/輸出耦合盤越靠近內(nèi)導(dǎo)體，群時延值越小，耦合越強(qiáng)。由圖5可知，耦合盤到內(nèi)導(dǎo)體的距離L_plate越小，群時延值越小，諧振頻率下降。通過仿真結(jié)果與AWR理論計算的對比，可估算出端口耦合盤的位置，并確定內(nèi)導(dǎo)體和諧振螺釘?shù)某叽?/p>

(5)

式中，fg是群時延最大值所對應(yīng)的頻率；tmax是最大群時延值。

圖6是雙腔耦合系數(shù)模型仿真圖，如圖6所示，在兩個諧振腔之間開辟耦合窗口來實現(xiàn)兩相鄰腔的耦合，耦合系數(shù)的大小與兩諧振腔的距離、連接兩內(nèi)導(dǎo)體的凸臺高度、耦合窗口的大小、耦合螺釘?shù)拇旨?xì)和耦合螺釘進(jìn)入腔體的深度都有關(guān)系。根據(jù)兩諧振腔的諧振頻率，可以通過式(6)計算出耦合系數(shù)[13]。式(6)的計算結(jié)果表明：耦合系數(shù)隨著窗口寬度的增大而增大；在耦合窗口尺寸固定后，耦合系數(shù)隨著凸臺高度的增大而增大，隨著耦合螺釘進(jìn)入耦合窗口的深度的增大而增大[13-16]。在后期調(diào)試中，可以通過改變兩腔體中間的耦合螺釘進(jìn)入耦合窗口的深度來改變耦合系數(shù)

(6)

式中，fi和fj分別為兩諧振腔的諧振頻率。

圖6 雙腔耦合系數(shù)模型仿真圖

非相鄰腔的交叉耦合系數(shù)主要決定帶外傳輸零點(diǎn)的位置，可根據(jù)傳輸零點(diǎn)的位置來判斷耦合的強(qiáng)弱。采用電耦合形式的探針來實現(xiàn)2腔和5腔非相鄰腔的交叉耦合，探針直徑為4 mm，通過調(diào)節(jié)探針的長度和位置來改變耦合系數(shù)，確定傳輸零點(diǎn)的位置。

通過上述分析結(jié)果，綜合AWR電路仿真的參數(shù)進(jìn)行三維電磁仿真，最終確定了雙工器的大概結(jié)構(gòu)尺寸。由于雙工器模型在設(shè)計時考慮到腔體的調(diào)諧螺釘及腔間的耦合螺釘，可變參量比較多，通過CST仿真優(yōu)化得到理想的仿真曲線也并不容易。為了縮短研制周期，可以根據(jù)三維仿真結(jié)構(gòu)尺寸進(jìn)行雙工器樣品加工及調(diào)試。

3 雙工器的調(diào)試與結(jié)果

圖7 雙工器的電性能實測圖

雙工器組裝完畢后，將雙工器的輸入/輸出耦合盤遠(yuǎn)離諧振腔內(nèi)導(dǎo)體，減弱雙工器的輸入/輸出耦合。從通道1濾波器的非公共端開始，依次調(diào)整頻率調(diào)諧螺釘讓諧振腔諧振于通道中心頻率。然后開始調(diào)節(jié)雙工器的耦合螺釘，在網(wǎng)絡(luò)分析儀上觀察S曲線，使通道的帶寬盡量滿足雙工器的指標(biāo)要求。接下來加強(qiáng)雙工器的輸入/輸出耦合，在調(diào)節(jié)輸入/輸出耦合盤的位置同時也要適量調(diào)整頻率調(diào)諧螺釘和耦合螺釘，使S曲線滿足設(shè)計要求。最后根據(jù)帶外傳輸零點(diǎn)的位置來確定交叉耦合探針的位置，若傳輸零點(diǎn)的位置靠近通帶，則實際交叉耦合系數(shù)過大，可以縮短探針的長度；若傳輸零點(diǎn)位置的位置遠(yuǎn)離通帶，則實際交叉耦合系數(shù)過小，可以增加探針的長度。反復(fù)幾次，很快就可以確定出探針的尺寸。雙工器通過調(diào)試后，取得了較好的電性能。實測電性能如圖7所示。測試結(jié)果表明，雙工器的駐波比≤1.2，插入損耗≤0.5 dB，隔離度≥50 dB。

4 結(jié)束語

本文利用廣義切比雪夫函數(shù)的交叉耦合濾波器的理論和技術(shù)，在此基礎(chǔ)上實現(xiàn)了帶有公共腔結(jié)構(gòu)的2.3/2.6 GHz腔體雙工器，實測結(jié)果與設(shè)計指標(biāo)吻合良好。該雙工器已成功用于4G無線移動通信系統(tǒng)中，為4G移動通信技術(shù)的發(fā)展和推廣奠定了基礎(chǔ)。

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Design of 2.3 GHz/2.6 GHz Band Coaxial Diplexer

WANG Haiying1，JIANG Haijin2

(1. Rosenberger Technology (Kunshan) Co.,Ltd.,Kunshan 215345，China；2. Jiangsu Havells Sylvania Lighting Co.,Ltd., Yancheng 224799, China )

Based on the theory of the general Chebyshev band-pass filter，the design principle and simulation method of a 2.3 GHz/2.6 GHz Band coaxial cavity diplexer is studied. The coupling matrix with transmission zeros is calculated in the cross coupling structure filter. Two filters are combined with a common resonant cavity. The diplexer is processed and tuned according to simulation diplexer model which is simulated by electromagnetic simulation software. The obtained curves agree well with the design specifications. The diplexer is applied successfully to 4G mobile communication system, indicating that this method is correct and feasible.

general Chebyshev filter；diplexer；couple matrix；cross coupling；common cavity

2016- 03- 17

汪海英(1979-)，女，碩士研究生。研究方向:微波無源器件。江海金(1981-)，男，本科。研究方向:光源器件。

10.16180/j.cnki.issn1007-7820.2017.01.011

TN713

A

1007-7820(2017)01-037-05