電視接收天線VUHF頻段LC合路器設(shè)計(jì)與仿真

盧紹飛

摘要：以低通濾波器和高通濾波器為基礎(chǔ)設(shè)計(jì)異頻合路器，設(shè)計(jì)了一種2路小型化LC合路器，采用LC分離元件設(shè)計(jì)的合路器，重量輕且空間占用小，利用電路元件代替天線形式的濾波功能。通過Agilent公司的先進(jìn)設(shè)計(jì)系統(tǒng)（ADS）軟件對(duì)合路器電路模型進(jìn)行仿真設(shè)計(jì)與優(yōu)化，仿真結(jié)果表明該合路器各端口匹配良好，插入損耗低，隔離度高，且結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，體積小，電路的穩(wěn)定性和性能指標(biāo)比機(jī)械元件的穩(wěn)定，滿足工程設(shè)計(jì)的需求，具有很高的工程應(yīng)用價(jià)值。

關(guān)鍵詞：濾波器;合路器;LC;高通;低通;VHF;UHF

合路器是現(xiàn)代無線和移動(dòng)通信系統(tǒng)收發(fā)信機(jī)中的關(guān)鍵部件，一般有兩個(gè)或多個(gè)輸入端口，只有一個(gè)輸出端口。端口隔離度是一個(gè)比較重要的指標(biāo)，用于描述兩路信號(hào)互不影響的能力，一般要求在20dB以上。在電視天線接收系統(tǒng)中，將幾種不同頻段的（如170MHZ～230MHZ與470MHZ～862MHZ）輸入輸出信號(hào)通過合路器合路后，用一根同軸饋線與電視連接，這樣同時(shí)可以接收多個(gè)頻段電視信號(hào)，實(shí)現(xiàn)一副電視天線可以接收多個(gè)頻道。合路器既可以用于發(fā)送端，也可以應(yīng)用于接收端。電視天線一般采用偶極子或折疊形振子，是對(duì)稱平衡結(jié)構(gòu)，接收信號(hào)為平衡的，其輸入阻抗為75歐姆。

目前，合路器有采用微帶或者腔體結(jié)構(gòu)，然而對(duì)于VHF及UHF頻段，相應(yīng)波長(zhǎng)較長(zhǎng)，如果使用微帶合路器或者腔體合路器，其結(jié)構(gòu)尺寸大，且重量重，不便于應(yīng)用，而LC合路器可以做到體積小，重量輕，易于集成，成本低，設(shè)計(jì)靈活等優(yōu)勢(shì)，因此這種結(jié)構(gòu)組成合路器具有很好應(yīng)用與發(fā)展。

VHF及UHF頻段LC合路器結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，性能指標(biāo)良好，可根據(jù)需要靈活調(diào)整印制板，便于系統(tǒng)集成。 LC合路器包括高通濾波電路，低通濾波電路，高通濾波電路的輸出端和低通濾波電路的輸出端相連作為公共接口，低通濾波電路的輸入端相連作為低通信號(hào)接口，高通濾波電路的輸入端為高通信號(hào)接口，通過LC無耗器件實(shí)現(xiàn)插入損耗小，利用濾波器帶外抵制實(shí)現(xiàn)端口之間隔離，達(dá)到很高隔離度。

本文設(shè)計(jì)2路異頻VHF和UHF頻段的LC合路器，它是由1個(gè)低通濾波器和1個(gè)高頻濾波器并在1個(gè)合路端口共用構(gòu)成。使用ADS仿真軟件對(duì)合路器電路模型進(jìn)行仿真優(yōu)化，仿真優(yōu)化達(dá)到了設(shè)計(jì)指標(biāo)。

1 設(shè)計(jì)指標(biāo)

根據(jù)某工程的設(shè)計(jì)需求，制定合路器的技術(shù)指標(biāo)如表1所示。

2 濾波器設(shè)計(jì)

根據(jù)指標(biāo)要求，選取帶內(nèi)波紋為0.1dB的5階Chebyshev低通及高通濾波器，通過使用ADS 濾波器設(shè)計(jì)向?qū)В―esignGuide---Filter）分別設(shè)置低通濾波器各項(xiàng)參數(shù)（源阻抗Source：75Ω、負(fù)載阻抗Load： 75Ω、通帶Fp：230MHz、阻帶Fs：470MHz、帶內(nèi)波紋Ap：0.1dB、帶外抑制As：30dB，響應(yīng)類型：Chebyshev）;高通濾波器的各項(xiàng)參數(shù)（源阻抗Source：75Ω、負(fù)載阻抗Load： 75Ω、通帶Fp：470MHz、阻帶Fs：230MHz、帶內(nèi)波紋Ap：0.1dB、帶外抑制As：30dB，響應(yīng)類型：Chebyshev），點(diǎn)擊Design按鈕即可得到低通及高通濾波器原型及初始值，如圖2、3所示：

直接利用ADS軟件仿真設(shè)計(jì)優(yōu)化得到原型及初始值，既避免了煩瑣的數(shù)學(xué)計(jì)算，又避免了理論計(jì)算結(jié)果不能完全適合實(shí)際電路的情況。

3 整體電路模型與仿真分析

通過上面的設(shè)計(jì)分析，將設(shè)計(jì)好的低通濾波器和高通濾波器合并，得到如圖4所示整體電路圖。從圖中可以看出，1路從低通濾器端口1輸入，另1路從高通濾器端口2輸入，最后兩路匯合從端口3輸出。

初步合并仿真其效果不符合設(shè)計(jì)要求，經(jīng)過ADS自帶優(yōu)化功能及調(diào)諧優(yōu)化后，最終效果滿足設(shè)計(jì)要求。電路優(yōu)化后并經(jīng)打板驗(yàn)證后其各元件參數(shù)值如表2所示，電路優(yōu)化后的S參數(shù)結(jié)果如圖5所示。在170～230MHz和470～862MHz兩個(gè)工作頻帶內(nèi)插入損耗<0.1dB，回波損耗≥20 dB，帶外抑制≥40 dB（@470～862MHz）、≥35 dB（@170～230MHz），隔離度≥40 dB（@470～862MHz）、≥35 dB（@170～230MHz），達(dá)到了設(shè)計(jì)指標(biāo)。另外，由互易性可得反向S參數(shù)。

4 結(jié) 論

本文結(jié)合低通濾波器和高通濾波器選頻特性，用ADS設(shè)計(jì)了一款2路異頻VHF、UHF頻段的LC合路器，利用ADS濾波器設(shè)計(jì)向?qū)гO(shè)計(jì)出低通及高通濾波器原型再組合仿真優(yōu)化，避免煩瑣的數(shù)學(xué)計(jì)算，提高設(shè)計(jì)效率及準(zhǔn)確性。文中給出了該合路器的電路模型和仿真結(jié)果，表明了該合路器性能優(yōu)越，設(shè)計(jì)方法簡(jiǎn)單，可制作成本低，適用于電視接收天線高低頻信號(hào)合路，以及適用一些頻率低，頻帶寬和需要同時(shí)合成異頻的通信系統(tǒng)。

參考文獻(xiàn)：

[1] 榮二，森，培鼎.LC 濾波器設(shè)計(jì)與制作[M].北京： 科學(xué)出版社，2006： 13-48.

[2] 孔 博，葉 強(qiáng).VHF頻段高通低通型 LC合路器的研制[J].電子器件，2015，38（1）：36-66.

[3] Advanced Design System 2005 user’s guide，2005 ， Agilent Technologies.