一種新型微帶TV合路器的設計

侯艷茹

(安徽四創電子股份有限公司，安徽 合肥230088)

室內分布覆蓋系統主要由信號源和信號分布覆蓋系統兩部分組成，目的是將信號均勻分布在室內每個角落，從而保證室內區域擁有理想的信號覆蓋。合路器是室內分布系統中最核心的微波無源器件。隨著我國三網融合的推廣和應用，電信網、廣播電視網、互聯網在向寬帶通信網、數字電視網、下一代互聯網演進。三大網絡通過技術改造、網絡互聯互通、資源共享，能為用戶提供語音、數據和廣播電視等多種服務，同時可以大大提高網絡的建設速度和降低重復建設的成本。而傳統合路器多為同軸腔體結構［1］，結構復雜、體積龐大，采用這種形式幾乎不可能將廣播電視的頻段包括在內。

本文設計的新型微帶TV合路器，信號帶寬從5 MHz～2.2 GHz，滿足了三網融合的室內分布系統對寬帶合路器的需要，它包括廣播電視頻段和CMMB、CDMA、GSM、DCS、WCDMA、CDMA2000等移動通信系統的頻段。設計采用微帶的形式，運用濾波器基本原理結合集總參數和分布參數原理，將LP端口5 MHz～806 MHz頻段和HP端口890 MHz～2 200 MHz頻段的信號合成一路從COM端口輸出，該合路器同時具有體積小、重量輕、結構簡單、成本低等優勢。輸出端口分別為廣播電視系統常用的F接頭和射頻電路系統常用的SMA接頭，便于系統端口的匹配和連接。

1 工作原理

合路器的組成框圖如圖1所示，方案設計為一路低通濾波器和一路高通濾波器經公共端合成一路，考慮兩通道的過渡帶較小，要達到較高的隔離度［1］，所以選擇濾波器函數為橢圓函數。下面將濾波部分的設計和兩通道合成一路的整體設計方法分別進行介紹。

圖1 合路器組成框圖

技術指標為:

1)頻段:(1)TV為5～806 MHz;(2)GSM＆TD為890～2 200 MHz。

2)插入損耗≤2 dB。

3)端口隔離≥40 dB。

4)駐波比≤1.5(即回波損耗小于14.7 dB)。

5)端口類型SMA-Female(890～960)50Ω;F-Female(5-806)75Ω;F-Female(COM)75Ω。

1.1 濾波器的設計

在現代網絡綜合法中，集總元件低通原型濾波器是微波濾波器設計的基礎，低通、高通、帶通、帶阻濾波器的傳輸特性大都是根據此原型推導的［2-3］。根據不同的逼近函數，可以得到不同的響應，而橢圓函數的響應是最優越的，這種函數的通帶和阻帶均是等波紋的，陡度大、選擇性好。首先，選定低通和高通原型濾波器，這種理想的集總濾波器原型可以通過EDA軟件得到，這里選用的是Serenade Design。低通濾波器的截止頻率為806 MHz，9節;高通濾波器的截止頻率為890 MHz，7節。注意，濾波器兩端端口阻抗為75Ω。

1.2 合路器設計與仿真

將高、低通濾波器級聯，并在級聯處引出公共端口，即形成合路器，注意公共端的阻抗為75Ω，如圖2所示。

圖2 集總參數合路器原理圖(部分)

實際應用時合路器并不是兩個濾波器通道的簡單級聯和公共端單純的引出，應考慮公共端的匹配，這里公共端形成了一個T形接頭。經過軟件優化原型參數，電路中C15和C16的容值趨于無窮大，等效為開路，故可在電路里去掉這兩個電容。

考慮電路實現時的微帶板電路，在500 MHz以上的頻率，微帶上的焊盤，走線具有分布效應，一塊孤立的焊盤，同時等效為一個介質電容，電容大小可用平板電容公式估算

所以仿真應結合微帶板布板同步進行，將微帶板上焊盤的實際尺寸帶入電路原理圖進行計算和優化仿真，考慮微帶板焊盤和走線的分布效應后，合路器原理圖中的元件參數發生較大的改變。這里我們選用的板材是F4B-2，介電常數為2.7，板材厚度為1 mm。加入微帶傳輸線后的電路模型如圖3所示。

圖3 微帶合路器原理圖(部分)

在圖3的原理圖中除了將焊盤的分布效應等效為一小段的微帶線，還在高通濾波器的輸出端串聯一小段高阻抗微帶線，目的是進行阻抗變換，因為高通原型在設計時輸入輸出都是以75Ω的端口阻抗設計的，便于公共端口的匹配，因此公共端要求是75Ω阻抗輸出。但高通濾波器輸出端口要求為50Ω，這里的一小段微帶線寬為0.5 mm，長約6 mm，起到了阻抗變換，將75Ω阻抗變換到50Ω阻抗，實現端口良好匹配。

從圖4的仿真曲線可以看出:橫坐標為頻率軸，單位為GHz，縱坐標分別是參數S21，S31，S22，S33，單位為dB，在曲線右側的列表中標出不同的顏色代表不同的參數。2端口為高通濾波器在890 MHz截止，S21曲線帶外806 MHz處抑制大于40 dB;3端口低通濾波器在806 MHz截止，S31曲線帶外890 MHz處抑制大于67 dB，帶內插損小于2 dB;在5 MHz～2.2 GHz的帶內，S22，S33回波損耗大于20 dB。圖5所示的S23是隔離度指標，帶內大于40 dB，所以該方案完全滿足了指標的要求。

2 實物制作與測試

經過微帶板的設計和加工，即可將集總器件包括陶瓷電容和空心電感焊接在微帶板上，再將微帶板裝配在金屬外腔里，注意合路器公共端和5～806 MHz的低通濾波器端口連接器是F頭，阻抗為75Ω，而890～2 200 MHz高通濾波器輸出端口連接器是SMA接頭，阻抗為50Ω。實物照片如圖6所示，實測曲線如圖7所示。

圖6 合路器內部和外觀實物照片

圖7 合路器實物測試曲線(截圖)

對比圖4和圖7，發現測試曲線和仿真結果比較吻合。圖7中可以看到合路器在5 MHz～2.2 GHz的帶內插損小于1.37 dB，帶外抑制不小于40 dB，S22，S33回波損耗在低于2 GHz的頻段大于20 dB，在大于2 GHz的頻段，沒有達到指標要求的大于14.7 dB。原因是公共端使用的F連接器，其工作頻段通常在1 GHz以內，此時連接器的駐波在1.1以下，是廣播電視系統的通用接口，而在1 GHz以上，連接器的駐波會逐漸變差，到2.2 GHz時，駐波只有2左右。因此累及高通濾波器端口在大于2 GHz的頻段駐波也只有2左右，回波損耗在10 dB左右。這是為了顧及系統端口連接方便，在連接器選型上帶來的不可避免的對高頻指標的影響。

3 小結

本文設計的新型微帶TV合路器，信號帶寬從5 MHz～2.2 GHz，滿足了三網融合的室內分布系統對寬帶合路器的需要，設計采用微帶的形式，運用濾波器基本原理結合集總參數和分布參數原理，與傳統而笨重的同軸腔體合路器相比，這種新型微帶TV合路器實物尺寸只有50 mm×25 mm×15 mm，具有體積小、重量輕、結構簡單、成本低等優勢。端口的匹配和連接器的選擇充分考慮了多系統的不同需求，應用領域可推廣到更多通信系統合路或作為天線合路器等。

［1］甘本袚，吳萬春.現代微波濾波器的結構與設計［M］.北京:科學出版社，1973.

［2］黃席春，高順泉.濾波器綜合設計法原理［M］.北京:人民郵電出版社，1977.

［3］周蘭飛，王晶，張玲.一種高頻帶通LC濾波器的設計方法［J］.電視技術，2008，32(6):82-85.