大功率連續(xù)通道雙工器設(shè)計(jì)

游金鳳　王書新　朱江

【摘 要】設(shè)計(jì)并制作了工作在20MHz～100MHz的大功率LC雙工器，兩通帶分別為20MHz～57.8MHz和57.8MHz～100MHz的橢圓型濾波器，并通過ADS進(jìn)行仿真。由仿真結(jié)果可知，在20MHz～57.8MHz通帶內(nèi)輸入端口的駐波小于1.2，插損小于0.2dB;57.8MHz～100MHz通帶內(nèi)輸入端口的駐波小于1.2，插損小于0.2dB;交接點(diǎn)57.8MHz處駐波小于1.3，插損小于4.6dB。為解決大功率散熱問題，本設(shè)計(jì)采用陶瓷板代替聚四氟乙烯印制板，極大地改善了雙工器散熱性能。實(shí)測值與仿真結(jié)果吻合較好，產(chǎn)品已大量應(yīng)用。

【關(guān)鍵詞】大功率;連續(xù)通帶;雙工器

中圖分類號： TN722.75文獻(xiàn)標(biāo)識碼： A文章編號： 2095-2457（2019）17-0023-002

DOI：10.19694/j.cnki.issn2095-2457.2019.17.009

0 引言

雙工器是用來將一個(gè)寬帶信號分開成兩個(gè)頻率范圍的信號或者把兩個(gè)頻率范圍的信號合成為一個(gè)寬帶信號的部件。因此雙工器一般用于射頻前端實(shí)現(xiàn)收發(fā)共用一副天線。

隨著通信技術(shù)的發(fā)展，頻譜資源愈加緊張。為了更好更高效地利用頻率資源，提高信號選擇性，各信道之間的頻率間隔需要越來越小，且各信道之間隔離要求越來越大。本文設(shè)計(jì)的雙工器為連續(xù)通道雙工器，可以最大限度利用頻譜資源，且可承受大功率信號。

1 理論及仿真設(shè)計(jì)

1.1 設(shè)計(jì)原理

本設(shè)計(jì)采用一個(gè)高通和一個(gè)低通濾波器加一定的匹配元件組成三端口的雙工器。根據(jù)設(shè)計(jì)指標(biāo)的插損和隔離度要求，并留一定余量，通過ADS的集總參數(shù)濾波器設(shè)計(jì)向?qū)В瑸V波器采用橢圓函數(shù)形式，得到一個(gè)高通和一個(gè)低通濾波器的基本電路模型。考慮射頻信號為交流信號，電感具有隔交通直的作用，且安裝、調(diào)試方便，則通過一個(gè)電感將這兩個(gè)濾波器的輸出端跨接在一起，構(gòu)成了一個(gè)三端口的基本電路。

本設(shè)計(jì)的特點(diǎn)是：頻率范圍較寬、兩通道為連續(xù)頻段、插入損耗較小、承受功率大。因此，在設(shè)計(jì)與制作時(shí)針對以上特點(diǎn)予以考慮。

1.2 設(shè)計(jì)指標(biāo)

大功率連續(xù)通道設(shè)計(jì)指標(biāo)如下：

（1）通帶頻率：20MHz～57.8MHz、57.8MHz～100MHz;

（2）插入損耗：≤0.2dB、交叉點(diǎn)：≤5dB;

（3）駐波：≤1.25、交叉點(diǎn)：≤1.5;

（4）兩通道隔離度：≥15dB;

（5）最大承受功率：300W。

1.3 元件參數(shù)設(shè)計(jì)

為提高仿真結(jié)果與實(shí)際結(jié)果的吻合程度，在仿真設(shè)計(jì)時(shí)，均考慮電容和電感的Q值。通過查閱電容手冊，并根據(jù)實(shí)際工作頻段，仿真時(shí)電容的Q值取500～800，電感的Q值取300。

為能承受300W大功率，選用700C系列陶瓷電容，封裝較大（約為6mm×6mm），散熱性能好。但安裝需要較大焊盤，為提高仿真精度，在仿真時(shí)均帶入焊盤參數(shù)進(jìn)行仿真。

1.4 仿真設(shè)計(jì)

根據(jù)上述設(shè)計(jì)原理和元器件參數(shù)設(shè)計(jì)，搭建仿真電路。仿真時(shí)，將所有電容和電感元件值均設(shè)為可優(yōu)化、可調(diào)諧的，并設(shè)置適當(dāng)?shù)膬?yōu)化、調(diào)諧范圍。優(yōu)化設(shè)計(jì)時(shí)綜合電容型號容值和電感繞制加工可實(shí)現(xiàn)性等因素。優(yōu)化仿真后的電路如圖1所示，仿真結(jié)果如圖2所示。

2 工程設(shè)計(jì)及裝配調(diào)試

本設(shè)計(jì)是一種大功率雙工器設(shè)計(jì)，因此設(shè)計(jì)時(shí)需考慮器件散熱、調(diào)試等多方因素，保證設(shè)計(jì)產(chǎn)品即方便加工調(diào)試，又能滿足技術(shù)指標(biāo)要求。

2.1 原料選型設(shè)計(jì)

2.1.1 元器件的選用

由于電容的寄生特性，及雙工器承受高功率的要求，電容需選擇高Q值、高射頻功率、低等效串聯(lián)電阻、超高穩(wěn)定性的陶瓷高射頻功率多層電容700C系列，其溫度特性可滿足寬溫度范圍、高穩(wěn)定的需求。

電感采用漆包線繞制的空心線圈。高頻電感線匝間的電容、趨膚效應(yīng)導(dǎo)致導(dǎo)線電阻增加而造成Q值降低。為使線圈在高頻情況下使用，應(yīng)盡量減少分布參量，線圈尺寸盡可能做得小些，當(dāng)然，線圈過小也容易造成Q值降低。為達(dá)到一個(gè)平衡點(diǎn)，通常將線圈直徑定為與線圈長度相當(dāng)。漆包線的直徑大小雖然不影響感量，但線徑越細(xì)，線圈的等效串聯(lián)電阻就越大，Q值就越低，線圈的性能也會越差，綜合考慮電感Q值、承受功率、制作難易等因素，線徑大小選為1.1mm左右。

2.1.2 印制板的選用

由于雙工器承受功率要求較高，用一般的聚四氟乙烯板或FR4板難以良好散熱，散熱較差將會使元器件的使用壽命大大降低，因而考慮選用散熱良好的陶瓷覆銅板或覆銀板，而覆銅板的加工成本較覆銀板更高，且裝配難度高于覆銀板。綜合考慮承受功率、電性能指標(biāo)、成本、裝配等因素，選用陶瓷（Er=9.6）覆銀板作為印制板。

2.1.3 盒體的選用

盒體采用鋁基材、再鍍銅、最后鍍銀的方式，保證良好散熱的同時(shí)，提高腔體的Q值，降低損耗。

2.1.4 電路的調(diào)試

由于該雙工器由一個(gè)低通和一個(gè)高通濾波器組成，實(shí)際調(diào)試時(shí)可先調(diào)其中一個(gè)，然后再合在一起調(diào)試。調(diào)試時(shí)主要調(diào)整電感的大小，可通過調(diào)整單個(gè)線圈內(nèi)部的間距來改變電感大小，間距變大，電感減小，反之電感增大。由于線圈較多，線圈與線圈之間相互耦合相互影響，還可適當(dāng)調(diào)整線圈的朝向和兩個(gè)線圈之間的距離，以達(dá)到設(shè)計(jì)指標(biāo)。

3 雙工器測試

雙工器實(shí)物如圖3所示，內(nèi)部如圖4所示。通過圖4可見陶瓷覆銀板結(jié)構(gòu)，陶瓷覆銀板底部黃色的為銅板，二者通過焊膏焊接在一起，最大限度提高雙工器散熱量，確保承受300W大功率信號。

大功率連續(xù)通道雙工器實(shí)測指標(biāo)如圖5和表1所示。分析測試數(shù)據(jù)可知，實(shí)際制作的雙工器在性能上與仿真結(jié)果接近，且完全滿足技術(shù)指標(biāo)的要求。因采用了多項(xiàng)散熱措施，保證能滿足承受300W大功率的要求。

4 結(jié)論

本文設(shè)計(jì)了一款大功率連續(xù)通道雙工器，給出了仿真和實(shí)測結(jié)果。本設(shè)計(jì)特定是采用陶瓷覆銀板代替聚四氟乙烯板材，極大提高散熱性能，提高功率容量。綜合考慮電感電容Q值，合理選型，降低雙工器插損。

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