基于全制式寬帶通信信號的開關(guān)濾波器設(shè)計與實(shí)現(xiàn)

朱亮 徐丹丹 武敬飛

摘要：介紹了寬帶無線通信技術(shù)產(chǎn)業(yè)化要求，通過仿真帶通濾波器、低通濾波器，并結(jié)合放大器、射頻開關(guān)設(shè)計了一種開關(guān)濾波器，滿足全制式寬帶通信信號的濾波要求，并經(jīng)過印制板加工及測試，實(shí)驗(yàn)結(jié)果滿足設(shè)計指標(biāo)。

關(guān)鍵詞：無線通信;濾波器;射頻開關(guān);寬帶放大器;

0 引言

隨著新一代寬帶無線通信技術(shù)產(chǎn)業(yè)化的不斷深入和發(fā)展，LTE-A Pro、LTE-A、LTE、WCDMA、TD-SCDMA和GSM等多制式寬帶通信信號共存的情況下如何針對不同制式進(jìn)行分段濾波[1]。傳統(tǒng)寬帶濾波器只能針對固定頻段進(jìn)行濾波，本文提出一種開關(guān)濾波器實(shí)現(xiàn)全制式寬帶信號帶外抑制，提高通信信號頻譜純度，滿足新一代無線通信要求。

1 開關(guān)濾波器基本工作原理

針對全制式寬帶通信信號不同頻段要求，在保證輸入輸出功率插損較小的情況下，進(jìn)行濾波器分段設(shè)計，該開關(guān)濾波器包括開關(guān)帶通濾波器模塊和開關(guān)低通濾波器模塊。寬帶通道信號頻率范圍在400 MHz-6000 MHz，開關(guān)帶通濾波器針對400 MHz-6000 MHz信號進(jìn)行頻段劃分，考慮設(shè)計成本問題及性能指標(biāo)，濾波器沒有采用集成封裝濾波器器件，而是采用ADS進(jìn)行仿真設(shè)計濾波器[2]。在仿真的時候考慮到設(shè)計的誤差，對通帶要求留有一定的余量。帶通濾波器模塊將頻段劃分為三段，400 MHz-2.8 GHz，2.75 GHz-4.55 GHz和4.45 GHz-6.1 GHz。其中400 MHz-2.8 GHz頻段采用2.8 GHz低通濾波器，其余兩段采用帶通濾波器設(shè)計，開關(guān)帶通濾波器模塊原理框圖如圖1所示。

圖1中每一路信號都需經(jīng)過四個射頻開關(guān)，再加上每一路濾波器帶內(nèi)差損，信號功率由輸入到輸出至少存在10 dB損耗，為了保證帶通濾波器輸出信號功率要求，必須對帶通濾波器輸出信號功率進(jìn)行放大。

開關(guān)低通濾波器主要針對開關(guān)帶通濾波器模塊在400 MHz-2.8G Hz頻段內(nèi)不能有效濾除二次諧波進(jìn)行改善，同時對高頻寬帶信號中產(chǎn)生的雜散進(jìn)行濾波。低通濾波器模塊將頻段劃分為三段，400 MHz-1.2 GHz，1.2 GHz-2.8 GHz和2.8 GHz-6.1 GHz，各濾波器均采用低通濾波器設(shè)計，開關(guān)低通濾波器原理框圖如圖2所示。

圖2中射頻開關(guān)通過級聯(lián)實(shí)現(xiàn)，對于信號在2.8 GHz-6.1 GHz時，寬帶通信信號經(jīng)過低通濾波器模塊會產(chǎn)生高達(dá)10 dB的損耗，為了彌補(bǔ)通路中損失的功率，同樣采用寬帶放大器進(jìn)行功率補(bǔ)償。

2 方案設(shè)計與實(shí)現(xiàn)

2.1 開關(guān)濾波器通路開關(guān)及放大設(shè)計

開關(guān)濾波器為了實(shí)現(xiàn)多頻段濾波，采用Hittite公司的SPDT開關(guān)HMC270MS8G實(shí)現(xiàn)級聯(lián)，HMC270MS8G器件指標(biāo)如表1所示。

由表可知，HMC270MS8G開關(guān)插入損耗在高頻時只有1.7 dB，且隔離度能夠達(dá)到45 dB，保證了開關(guān)在級聯(lián)時信號損耗較小，隔離度足夠大。同時開關(guān)輸入功率1 dB壓縮點(diǎn)能夠達(dá)到20 dBm，可以保證本振在輸出較大信號時也不會出現(xiàn)功率壓縮。

為了避免在開關(guān)濾波器射頻通路中衰減器、開關(guān)以及濾波器對輸入信號存在較大的損耗，保證寬帶通信信號在最終輸出端功率滿足3 GPP要求，需要在射頻發(fā)通路中進(jìn)行功率放大從而補(bǔ)償信號差損。

為了實(shí)現(xiàn)400 MHz-6000 MHz寬帶信號的功率輸出，通過比較，開關(guān)帶通濾波器模塊和開關(guān)低通濾波器模塊均采用Firsar公司的寬帶放大器FGB-1509A寬帶放大器進(jìn)行放大，該器件指標(biāo)如表2所示。

該器件工作頻率能夠達(dá)到9.0 GHz，增益達(dá)到+15 dB，且頻響較好，通過該放大器可以保證帶通濾波器輸出功率大于0 dBm，放大器設(shè)計電路及增益曲線如圖3所示。

2.2 射頻通路帶通濾波器設(shè)計

本方案未采用封裝好的集成濾波器，而是采用ADS仿真設(shè)計，在降低成本的同時提高整個模塊性能指標(biāo)。對于低頻低通濾波器通過LC濾波器實(shí)現(xiàn)，設(shè)計簡單，器件分布參數(shù)對指標(biāo)影響較小。對于高頻低頻濾波器，本文采用ADS仿真設(shè)計出扇形微帶濾波器[3]進(jìn)行濾波。

帶通濾波器作為開關(guān)濾波器設(shè)計難點(diǎn)之一，采用帶狀線結(jié)構(gòu)設(shè)計交指型濾波器，增大濾波器帶外抑制;采用微帶濾波仿真與參數(shù)優(yōu)化技術(shù)，提高濾波器性能;眾所周知，傳統(tǒng)LC帶通濾波器設(shè)計簡單，逼近函數(shù)類型多，廣泛應(yīng)用于低頻模擬電路。但由于LC器件標(biāo)稱值誤差存在，濾波器指標(biāo)不穩(wěn)定，一致性較差。尤其在高頻時，LC由于分布參數(shù)的存在，感抗容抗發(fā)生變化，造成信號傳輸插入損耗變大，帶外抑制變差，以及中心頻率發(fā)生偏移等問題。在本文中，帶通濾波器通過采用帶狀線交指型結(jié)構(gòu)[4]設(shè)計，并與PCB設(shè)計為一個整體，性能指標(biāo)穩(wěn)定。帶狀線結(jié)構(gòu)由于其結(jié)構(gòu)封閉性，沒有輻射，損耗小，帶通濾波器在插入損耗和帶外抑制上明顯優(yōu)于微帶結(jié)構(gòu)。同時由于終端短路式交指型濾波器具有體積小，結(jié)構(gòu)緊湊，帶寬大，易于加工和一致性好等優(yōu)點(diǎn)。此外為了避免外部安裝濾波器引起的阻抗不匹配、接地不充分造成的帶外自激和差損增大等問題，本方案將帶通濾波器和射頻電路作為一個完整的PCB設(shè)計，帶通濾波器結(jié)構(gòu)如圖4所示。

兩款帶通濾波器的仿真曲線如圖5所示。

兩款帶通濾波器的測試曲線如圖6所示。

由測試結(jié)果可以看出帶通濾波器在減去線損的情況下通帶插入損耗小于4 dB，帶外抑制大于35 dB，帶內(nèi)紋波優(yōu)于1.5 dB，由于實(shí)際加工誤差和測試誤差，測試結(jié)果雖然略差于仿真結(jié)果，但測試結(jié)果仍滿足設(shè)計要求。

開關(guān)濾波器射頻走線在印制板頂層，但帶通濾波器使用帶狀線結(jié)構(gòu)，為了避免微帶線和帶狀線通過過孔連接時由于阻抗不匹配射頻信號會造成較大反射，影響信號的傳輸。解決辦法通過在帶通濾波器兩端分別加入兩個衰減量為1 dB的Ⅱ型衰減器來實(shí)現(xiàn)阻抗匹配，經(jīng)實(shí)際測試未發(fā)現(xiàn)信號反射問題。

2.3 開關(guān)濾波器實(shí)現(xiàn)

開關(guān)帶通濾波器模塊和開關(guān)低通濾波器模塊作為一個完整部件放入屏蔽盒中，組合安裝后的開關(guān)濾波器實(shí)物如圖7所示。該屏蔽盒通過分倉和在蓋板上增加導(dǎo)電橡膠板的模式有效抑制射頻通道相互干擾以及功率泄漏問題[5]。

3 結(jié)論

開關(guān)濾波器在新一代寬帶無線通信中具有舉足輕重的地位，其性能決定了全制式寬帶通信系統(tǒng)信號質(zhì)量的好壞。本文基于帶通濾波器、低通濾波器，并結(jié)合放大器、射頻開關(guān)設(shè)計的全制式寬帶通信信號開關(guān)濾波器，能夠廣泛應(yīng)用于無線通信系統(tǒng)領(lǐng)域。

參考文獻(xiàn)：

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[3]鄧世雄，陳星，李德治，扇形短截線結(jié)構(gòu)的橢圓微帶低通濾波器設(shè)計[J]電子測試技術(shù)，2012.

[4]劉海強(qiáng)，周立學(xué)，李良，交指型微帶帶通濾波器的設(shè)計[J].電子科技，2014 （7）：71-73.

[5]陳麗飛，射頻電路PCB的設(shè)計技巧[J].電子設(shè)計工程，2013（7）：181-184.