基于新型開口諧振環結構雙工器的設計

楊芷若 黃玉蘭

【摘要】? ? 本文提出了一種基于新型方形開口環諧振環結構的微帶雙工器，由兩個中心頻率不同的濾波器組成，每個濾波單元由兩個新型開口諧振環構成。同尺寸下，該新型諧振環相比于傳統開口諧振環降低了工作頻率，體積縮小了27%，且兩個濾波單元的角度呈90°以此獲得較大的隔離度，仿真結果顯示，雙工器的隔離度為28.826dB和38.072dB，該雙工器有很好的頻率選擇性、阻帶特性和較小尺寸。

【關鍵字】? ? 新型開環諧振環? ? 雙工器? ? 小型化? ?隔離度

Abstract：This paper proposes a microstrip duplexer based on a new square split ring resonant ring structure， which is composed of two filters with different center frequencies， and each filter unit is composed of two new split resonant rings. Under the same size， the new resonant ring reduces the operating frequency compared to the traditional split resonant ring， the volume is reduced by 27%， and the angle of the two filter units is 90°to obtain greater isolation. The simulation results show that the double The isolation of the duplexer is 28.826dB and 38.072dB. The duplexer has good frequency selectivity， stop-band characteristics and small size.

Key Words：New open-loop resonant ring; duplexer; miniaturization; isolation

引言

隨著通信系統的逐漸完善，電磁環境越來越復雜，頻譜資源越來越擁擠，雙工器作為天線前端收發一體三端口元器件，可以實現雙頻復用且隔離電路的作用，在通信系統中越來越重要[1-2]。相比于三端口的環形器，雙工器可以實現雙頻雙工[3]，所以受到了國內外學者的高度重視。雙工器性能直接影響到通信系統的收發效率，目前通信系統對雙工器的性能指標、體積及成本的要求也越來越苛刻。微帶雙工器對于傳統的微帶線濾波器來說，體積小，重量輕，制作方式簡單，可以用最簡單的結構達到預期的目的。近幾年微帶雙工器的設計方法不斷更新，傳統的微帶雙工器一般采用兩個相同的濾波單元（RX發送端和TX接收端），根據線長和線寬的計算實現高頻和低頻中心頻率的設計，雙工器的設計主要是在保證性能的前提下增大隔離度和提高帶外抑制[3]。諧振器作為雙工器的基本組成單元，其小型化也是目前研究的重點[4]。

一、新型開口諧振環設計

本文提出了一種加載容性負載結構的新型諧振器結構，如圖1所示。它是一個方形開口環，這種結構利用了開口環的內部空間，傳輸線均分布在開口環的內部，所以不占用更多的空間，相當于在諧振器中引入電容負載，達到小型化的目的[5]。

采用新型諧振開口環結構的濾波單元在不增大電路面積的情況下降低了諧振器的諧振頻率[6]，中心頻率從2.75GHz降低到2GHz， 相當于體積縮小了27%。

二、雙工器的理論分析與設計

2.1 雙工器隔離度提升原理

新型諧振環雙工器分別針對TX和RX模塊設計在1.8GHz和2.9GHz的中心頻率上。

本文所設計的雙工器原理結構如圖2所示。其中端口1作為天線端口，端口2和端口3分別作為接收端口和輸出端口，濾波器1是高頻部分，其工作的頻率f1=1.8GHz，濾波器2的頻率f2=2.9GHz。從發射端口3到接收端口2存在兩條信號傳輸路徑1和2。由于兩組濾波器相位相差90°，端口2和3之間存在良好的隔離度[7]。

2.2 雙工器的設計原理

最終設計雙工器結構如圖3所示，Roger5880介質基板厚度為0.508mm，介電常數2.2。雙工器兩個端口均采用50Ω微帶線饋電。利用仿真軟件優化設計，得到主要的尺寸如表1所示。

雙工器的仿真結果如圖4和圖5所示，雙工器的兩個濾波單元的中心頻率分別為1.8GHz和2.9GHz，帶寬分別為240MHz和125MHz，兩個濾波單元的隔離度為28.826dB和38.072dB，具有良好的隔離度。在工作頻率相同時，與傳統的開口諧振環組成的雙工器相比體積縮小了約27%。

三、總結

本文設計了一種高隔離的新型三端口雙工器， 該結構由兩個相位差（90°）的采用新型諧振開口環組成的窄帶帶通濾波器構成。利用收發端口之間的兩路具有反相特性的傳輸路徑[8]，使得發射端口泄漏到接收通路上的信號相互疊加抵消，進而改善整個三端口雙工器的隔離度。采用該方法實現的三端口雙工器具有隔離度高、結構簡單等優點。通過仿真顯示，其結果良好，采用新型諧振開口環結構的濾波單元在不增大電路面積的情況下降低了諧振器的諧振頻率， 相當于在獲得相同頻率的情況下，采用新型開口諧振環的體積更小[9]，這為無線通信系統射頻前端電路中雙工器的設計提供了一種新的方法。

參? 考? 文? 獻

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[4]賀旺，陸云龍，黃季甫，李凱.一種新型高隔離四端口雙工器設計[J].電波科學學報，2018，33（02）：156-161.

[5] Jack Browne. Design a Diplexer for 275 to 500 GHz[J]. Microwaves & RF，2017.

[6]丁華華，翁子彬，張馳，楊磊.一種基于基片集成波導的小型化雙工器設計[J].微波學報，2016，32（S2）：357-359.

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[9] R. Gómez-García， L. Yang and J. Munoz-Ferreras， “Balanced Quasi-Elliptic-Type Combline Diplexer With Multiextracted-Pole Junction/Output Sections，” in IEEE Microwave and Wireless Components Letters， vol. 30， no. 6， pp. 569-572， June 2020， doi： 10.1109/LMWC.2020.2990084.