用于LTE移動通信的寬帶定向耦合器設(shè)計

徐立勤，仲 進(jìn)

（南京郵電大學(xué) 電子科學(xué)與工程學(xué)院，江蘇 南京 210003）

0 引言

隨著LTE移動通信牌照的發(fā)放，我國正式進(jìn)入4G通信時代。而作為無線通信核心器件的定向耦合的設(shè)計就有了十分重要的現(xiàn)實意義。針對我國LTE移動通信有TD-LTE和FDD-LTE兩種制式并具有 1.8 GHz、2.3 GHz、2.6 GHz等多個頻段的特點，設(shè)計一個1.75 GHz～2.7 GHz的寬帶定向耦合器將是一個可行的辦法。對于寬帶定向耦合的設(shè)計，已有一些文獻(xiàn)提出多種方法。如運(yùn)用CBCPW和微帶線多層縫隙耦合技術(shù)[1-2]，利用有機(jī)介質(zhì)基片實現(xiàn)寬帶[3]，或通過半導(dǎo)體材料來拓展耦合器帶寬[4]等。本文在滿足工程應(yīng)用的情況下，通過在輸入端加入匹配網(wǎng)絡(luò)來改善耦合器的耦合端和直通端的性能，從而實現(xiàn)寬帶特性[5-8]。為了增加加工精確度，在匹配網(wǎng)絡(luò)中加入缺陷地結(jié)構(gòu)（DGS）改善了微帶線的寬度[9]。同時，階梯阻抗結(jié)構(gòu)的引入使匹配網(wǎng)絡(luò)的調(diào)節(jié)更加靈活[10-11]。

1 耦合器的結(jié)構(gòu)

1.1 匹配網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)

為了改善直通端和耦合端的特性，使其能達(dá)到寬帶的要求，在耦合器的輸入端加入如圖1所示的匹配網(wǎng)絡(luò)[5-8]，其中θ為λ/4的電長度。為了更好地調(diào)節(jié)耦合器的帶寬，在此匹配網(wǎng)絡(luò)中，引入了階梯阻抗結(jié)構(gòu)[9-10]。通過調(diào)節(jié)Wz2和Wz3的寬度，可以比較顯著地調(diào)節(jié)耦合器的性能。根據(jù)參考文獻(xiàn)[5]中的公式推導(dǎo)，設(shè)本征阻抗為Z0，則Z1和Z2的值分別為0.829Z0與0.837Z0。圖2中給出S11隨Wz3的變化圖，從圖中可以看出，調(diào)節(jié)Wz3的大小可以顯著地改變S11。因此，在匹配網(wǎng)絡(luò)中引入階梯阻抗結(jié)構(gòu)可以增加仿真優(yōu)化的靈活度。

圖1 在耦合器輸入端加入的匹配網(wǎng)絡(luò)

圖2 S11隨Wz3的變化圖

1.2 缺陷地結(jié)構(gòu)（DGS）

為了增加匹配網(wǎng)絡(luò)中微帶線的寬度以便利于加工，在耦合器的接地面加入5個串聯(lián)的“啞鈴型”缺陷地結(jié)構(gòu)（DGS），如圖3所示，其中灰色部分為金屬覆蓋面，空白處為刻蝕處，圖4所示為耦合器正面示意圖。參考文獻(xiàn)[9]中對“啞鈴型”缺陷地給出了詳細(xì)的理論分析，通過刻蝕缺陷圖案，可以改變電路襯底材料有效介電常數(shù)的分布，從而改變微帶線的分布電感和分布電容，使得由DGS構(gòu)成的微帶線具有帶阻特性和慢波特性。通過優(yōu)化，最終DGS的寬度為2.5 mm，總長度為35 mm。

圖3 耦合器接地面示意圖

圖4 耦合器正面示意圖

1.3 耦合器的結(jié)構(gòu)

針對我國LTE移動通信有TD-LTE和FDD-LTE兩種制式并具有 1.8 GHz、2.3 GHz、2.6 GHz等多個頻段的特點，所設(shè)計的耦合器得覆蓋 1.75 GHz～2.7 GHz頻段。根據(jù)參考文獻(xiàn)[5]和參考文獻(xiàn)[12]中的分析，采用厚度h=0.8 mm的FR4介質(zhì)作為基片。耦合器結(jié)構(gòu)如圖5，其尺寸為L×W=28.7 mm×104.3 mm。其各部件的具體尺寸如表1。

圖5 耦合器結(jié)構(gòu)圖

表1 耦合器各部件的設(shè)計尺寸

2 仿真與測試結(jié)果

利用Ansoft HFSS對耦合器進(jìn)行仿真設(shè)計并進(jìn)行了實物加工，圖6中給出了耦合器實物圖。用矢量網(wǎng)絡(luò)儀對實物進(jìn)行測試，將測試結(jié)果與仿真結(jié)果進(jìn)行對比。圖7中給出了輸入端和隔離端的S參數(shù)仿真與測試對比圖，從中可以看出，仿真數(shù)據(jù)與測試數(shù)據(jù)吻合良好，在1.75 GHz～2.7 GHz頻段內(nèi)，S11和 S41都小于-12.5 dB，并且最低點處能達(dá)到-40 dB以下。在圖8中給出了直通端和耦合端的S參數(shù)仿真與測試對比圖，從中可以看出測試結(jié)果與仿真結(jié)果吻合良好，S21和S31都在-5 dB左右，并且|S21-S31|≤1 dB。因此綜合此耦合輸入端、直通端、耦合端及隔離端的各S參數(shù)可知，此耦合器性能良好，達(dá)到了設(shè)計的要求，具有較強(qiáng)實用價值。

圖7 輸入端和隔離端的S參數(shù)仿真與測試對比圖

圖8 直通端和耦合端的S參數(shù)仿真與測試對比圖

3 結(jié)束語

本文通過在普通對稱分支線耦合的輸入端加入具有階梯阻抗結(jié)構(gòu)的匹配網(wǎng)絡(luò)，改善了耦合器直通端和耦合端的性能，使其具有了寬帶特性。選用0.8 mm厚度的FR4介質(zhì)材料作為基片，利用Ansoft HFSS軟件設(shè)計仿真出一個頻段為 1.75 GHz～2.7 GHz覆蓋 TD-LTE、FDD-LTE及WLAN的寬帶耦合器。對其進(jìn)行了實物加工。運(yùn)用矢量網(wǎng)絡(luò)儀對實物進(jìn)行測試，測試結(jié)果與仿真結(jié)果吻合良好。此耦合器性能良好，結(jié)構(gòu)簡潔，成本低，易于加工，具有較強(qiáng)的實用價值。

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