一種高隔離度的腔體雙頻合路器的設計

陳其豪，葉強，封建華

（中國計量學院信息工程學院，杭州310018）

一種高隔離度的腔體雙頻合路器的設計

陳其豪，葉強*，封建華

（中國計量學院信息工程學院，杭州310018）

設計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，從而提高了隔離度。兩路濾波器之間采用的是公共腔結構，大幅降低了抽頭線對通帶的影響。為了驗證該設計的可行性，采用這種結構設計制作了一款針對DSC臺式機的合路器。該合路器的仿真和實測基本達到指標要求。

合路器；隔離度；公共腔；交叉耦合

隨著移動通信的迅猛發展，對具有小型化以及高選擇性的合路器需求日益增長。這些器件廣泛應用于移動通信系統和基站中，用來綜合不同射頻信道（來自發射機或者天線）中的信號。在微波頻段中，由具有傳輸零點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用前景［1-3］。

合路器是由多路信號合成一路，因此為了保證系統的通信質量，防止各個系統之間出現相互干擾，必須要對合路器的隔離度有著很高的要求。隔離度作為合路器3個國家必檢指標之一（其他兩個是駐波比和三階互調），如何設計出高隔離度的合路器一直是設計者們所研究的難題。

本次合路器由兩個具有多個交叉耦合設計的濾波器單元組成，并在合路端采用公共腔的結構，并根據這個結構設計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。最后對該合路器進行實際測試，基本達到了所規定的設計指標。這種結構能夠使得合路器具有較高的隔離度，有著很好的應用前景。

1　合路器電磁仿真模型

本文通過所提出的結構，設計了一個三端口的合路器，其兩路通道由帶有交叉耦合設計的帶通濾波器構成，主要指標如表1所示。

表1　雙頻合路器的指標

通過仿真軟件可以直接得出TX端濾波器諧振腔個數為12，RX端濾波器諧振腔個數為13。在每一路單獨的通道濾波器里面加入交叉耦合結構，進而改善帶外抑制，提高合路器的隔離度指標，其中，在TX端加入了3個容性耦合結構，在RX端加入3個感性耦合結構，1個容性耦合結構。

每一個單獨的濾波器電路都是帶有傳輸零點的帶通濾波器等效電路，將兩個信道的濾波器通過一個公共腔組合在一起，合成后的合路器的拓撲結構如圖1所示，其中空心圓代表源和負載，實線代表主耦合，虛線代表的是交叉耦合。

圖1　合路器拓撲結構圖

為了使得通帶內衰減盡可能小，采用切比雪夫濾波器設計，根據公式：

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

根據耦合諧振器帶通濾波器設計理論和上面的公式，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、外界Q值以及諧振腔的諧振頻率，將相關的設計參數代入等效電路中作為初值進行優化仿真。合路器在Ansoft Designer中的整體電路模型如圖2。

根據從電路模型中提取優化后的設計參數，再使用電磁仿真軟件HFSS對合路器進行結構模擬，得到合路器單個諧振器結構尺寸、抽頭位置和耦合窗口大小的初值。并在AutoCAD中對合路器的整體模型圖進行排版，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到了26 dB，且合路器的通帶隔離度都達到了105 dB，滿足了設計要求。

圖4　合路器的S參數圖

2　實測仿真

根據電磁仿真軟件HFSS仿真優化的結構尺寸參數，對合路器進行加工制作，然后對合路器進行試制，使其技術指標滿足設計要求，由于合路器抽頭線的一切信息都隱藏在時延中，所以我們通過觀測反射群時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來調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物內腔圖如圖5所示。其中公共腔內導體高度為24 mm，TX端內導體高度為25 mm，RX內導體高度為26 mm，內導體直徑為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腔體采用的凸臺設計來增強耦合，其中TX端凸臺高度為4.5 mm，RX端為1.5 mm。

最后使用Agilent E5070B網絡分析儀進行測試，測試時，室內常溫約為25℃，需要對兩路信號進行測試，測試一路信號時，另一路的輸入端需接匹配負載，例如測1、TX端口時（端口標注如圖5），RX端口需接上匹配負載。合路器實測的圖如圖6所示。

圖5　合路器的實物內腔圖

圖6　實測結果圖

圖6（a）顯示的是RX端的實測數據，從中我們可以看出插入損耗（S21）在0.4 dB以內，回波損耗到達25 dB，隔離度達到106 dB，都達到了指標的要求。圖6（b）顯示的是TX端的實測數據，也基本上達到了設計指標。實測數據與仿真數據基本上一致，在考慮到誤差的前提下，該合路器基本滿足了要求。

3　結論

本文設計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，每一路濾波器都設計了較多的交叉耦合設計，增加了傳輸零點，每一路的濾波器都有很好的帶外抑制，從而提高了隔離度。根據這樣的結構，設計并制作出的用于DSC臺式機的合路器，實測與仿真基本吻合。證明了這種設計能夠滿足現代通信系統對合路器小型化，高隔離度的要求。在頻帶越來越擁擠的現代移動通信中，往往一個通信制式中就需要多個信道才能滿足要求，而這種合路器能夠在多信道的前提下，保持各個系統的通信質量，具有很好的發展前景。

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陳其豪（1992-）男，漢，浙江蒼南，碩士。研究方向為微波無源器件的設計，13516715421@163.com；

葉強（1964-）男，漢，浙江杭州，教授，碩士，碩導。研究方向為通信系統中無源互調電平測試標準，yeqiang0571@163. com；

封建華（1960-），男，漢，上海，本科學士，工程師；研究方向為微波無源器件的設計，fengjh@jointcom.com。

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

CHEN Qihao，YE Qiang*，FENG 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