基于可開關(guān)橋式耦合結(jié)構(gòu)的介質(zhì)濾波開關(guān)

張朋飛 劉疆 秦偉 陳建新

（南通大學信息科學技術(shù)學院，南通 226019）

引 言

隨著現(xiàn)代無線通信系統(tǒng)的不斷發(fā)展，頻譜擁擠問題變得越來越嚴重. 時分雙工(time division duplex,TDD)技術(shù)是一種有效且常用的節(jié)約頻譜資源方法，受到了廣泛的關(guān)注. 在TDD通信子系統(tǒng)的射頻前端，射頻開關(guān)和帶通濾波器(bandpass filter, BPF)都是基本的組成部分[1-3]，二者通常級聯(lián)使用，但是由于開關(guān)自身存在寄生效應，級聯(lián)開關(guān)通常會引入較大的損耗. 另外，若開關(guān)與BPF之間匹配不好也會引入額外的損耗. 因此，專家學者們將開關(guān)和濾波器聯(lián)合設計在同一個射頻器件中，提出了濾波開關(guān)的概念.

目前，大部分的濾波開關(guān)都是采用微帶線結(jié)構(gòu)實現(xiàn)的[4-9]，微帶線濾波器是平面結(jié)構(gòu)，易于實現(xiàn)小型化、集成化，且便于焊接PIN管等開關(guān)元件. 然而，由于微帶線諧振器的Q值較低，當微帶濾波開關(guān)處于打開狀態(tài)時，通帶內(nèi)的插入損耗可達到2.5～3 dB，難以滿足現(xiàn)代無線通信系統(tǒng)的要求. 因此，高Q值的介質(zhì)諧振器和同軸諧振器被應用于射頻前端[10-12]. 文獻[13-14]中，分別應用介質(zhì)諧振器和同軸諧振器設計出插入損耗低于1 dB的濾波開關(guān)，但是這兩種諧振器都需要使用金屬腔體，使得整個電路較重. 隨著5G時代的到來，5G通信系統(tǒng)同時要求低損耗和輕量化. 具有金屬化外表面的一體成型介質(zhì)濾波器憑借這兩個方面的突出優(yōu)勢，成為適用于5G應用的最佳選擇之一[15-16]. 由于TDD技術(shù)是5G通信系統(tǒng)中的主流方案，因此一體成型介質(zhì)濾波開關(guān)的研究就很有必要.

本文提出一種適用于介質(zhì)濾波開關(guān)的可開關(guān)橋式耦合結(jié)構(gòu)，并對其工作原理進行分析. 為了驗證其可行性和有效性，利用所提出的可開關(guān)橋式耦合結(jié)構(gòu)設計、加工并測試了一款適用于5G無線通信系統(tǒng)的四階介質(zhì)濾波開關(guān)設計實例. 測試結(jié)果與仿真結(jié)果具有較高的一致性. 與傳統(tǒng)微帶濾波開關(guān)相比，本設計具有更低的插入損耗和更高的隔離度.

1 可開關(guān)橋式耦合結(jié)構(gòu)

圖1為可開關(guān)橋式耦合結(jié)構(gòu)，其由介質(zhì)部分和印刷電路板(printed circuit board, PCB)部分組成. 介質(zhì)部分包括四周的介質(zhì)壁和中間的介質(zhì)圓柱，二者一體成型，且介質(zhì)壁的外表面覆銀. 介質(zhì)材料的相對介電常數(shù)為20.3，損耗角正切為5×10?5. PCB部分既作為介質(zhì)部分的蓋子形成介質(zhì)腔體諧振器，又用于焊接PIN管來實現(xiàn)開關(guān)功能. PCB的介質(zhì)基板采用的是Rogers 5880，相對介電常數(shù)為2.2，厚度為0.508 mm.可開關(guān)橋式耦合結(jié)構(gòu)由PCB板上的一部分金屬帶條和插入介質(zhì)腔體中的兩個金屬探針組成. 為了實現(xiàn)開關(guān)功能，本文將四個PIN管對稱并聯(lián)在金屬帶條上. PIN管型號為Skyworks SMP 1 340-079LF.

圖1 可開關(guān)橋式耦合結(jié)構(gòu)示意圖Fig. 1 Configuration of the switchable bridge-type coupling structure

可開關(guān)橋式耦合結(jié)構(gòu)的原理如圖2(a)所示. 當PIN管零偏或反偏時，其等效為一個小電容Coff(當PIN管零偏時，Coff=0.3 pF)，耦合結(jié)構(gòu)處于打開狀態(tài)，其等效電路如圖2(b)所示. 此時，PIN管并聯(lián)于電路中且處于截止狀態(tài)，不會影響通帶內(nèi)的損耗. 當PIN管正偏時，其等效為一個小電阻Ron(當導通電流為5 mA時，Ron=1 Ω)，耦合結(jié)構(gòu)處于關(guān)閉狀態(tài)，圖2(c)為該狀態(tài)下的等效電路.

圖2 可開關(guān)橋式耦合結(jié)構(gòu)的原理圖和等效電路圖Fig. 2 Schematic and equivalent circuits of the switchable bridge-type coupling structure

首先，對未加載PIN管的橋式耦合結(jié)構(gòu)進行分析. 當兩個介質(zhì)腔體諧振器相互耦合時，將得到兩個分裂的諧振模式. 兩種模式下金屬帶條上的電場分布如圖3所示. 對于第一種模式，金屬帶條上存在四個電場最強的點. 而在第二種模式下，電場沿金屬帶條一直處于較強的狀態(tài). 電場較強的位置對應于開路點，在開路點并聯(lián)一個1 Ω的小電阻相當于將開路點短路，則絕大部分能量都經(jīng)小電阻流向公共地，可以有效中斷諧振器之間的耦合通路，因此在電場最強的位置進行短路，將會達到最優(yōu)的隔離效果. 綜合考慮以上兩種模式，第一種模式的四個電場最強點應是PIN管的最優(yōu)位置. 從圖3中可以看出，最佳位置應在距離金屬帶條中心5.4 mm處.

圖3 兩種模式下金屬帶條上的電場分布圖Fig. 3 Electric field distributions on the metal strip of the two modes

為驗證上述的推斷，固定金屬帶條的長度和寬度分別為Ls=15.2 mm、Ws=2 mm，通過仿真分別提取該耦合結(jié)構(gòu)在打開和關(guān)閉狀態(tài)下耦合系數(shù)隨PIN管位置d和金屬探針長度Lp的變化，結(jié)果如圖4所示.其中，moff和mon分別表示耦合結(jié)構(gòu)處于關(guān)閉和打開狀態(tài)下的耦合系數(shù).

圖4 打開和關(guān)閉狀態(tài)下耦合系數(shù)隨d和Lp的變化Fig. 4 Coupling coefficients vs. d and Lp at on- and off-state

由圖4(a)可以看出，當耦合結(jié)構(gòu)處于打開狀態(tài)時，PIN管的位置d對耦合系數(shù)的影響不大，而金屬探針的長度對其影響較大. 由圖4(b)可以看出，當耦合結(jié)構(gòu)處于關(guān)閉狀態(tài)時，隨著d的增加，耦合系數(shù)先減小后增加. 當金屬探針的長度改變時，耦合系數(shù)也會改變，但最優(yōu)位置處d一直保持在5.4 mm. 由此可以得到，該耦合結(jié)構(gòu)在打開狀態(tài)下的耦合系數(shù)主要由金屬探針的長度決定，而在關(guān)閉狀態(tài)下的耦合系數(shù)主要由PIN管的位置決定，說明兩種狀態(tài)下的耦合系數(shù)可以獨立控制.

2 介質(zhì)濾波開關(guān)設計

基于上述可開關(guān)橋式耦合結(jié)構(gòu)，設計一款四階介質(zhì)濾波開關(guān)，結(jié)構(gòu)如圖5所示. 該介質(zhì)濾波開關(guān)包括四個介質(zhì)腔體諧振器和三個可開關(guān)耦合結(jié)構(gòu)，其中，四個介質(zhì)諧振器的尺寸完全相同.

圖5 四階介質(zhì)濾波開關(guān)的結(jié)構(gòu)示意圖Fig. 5 Structure of the fourth-order dielectric filtering switch

圖6為該四階介質(zhì)濾波開關(guān)在不同狀態(tài)下的拓撲結(jié)構(gòu)圖. 若要使該濾波開關(guān)處于關(guān)閉狀態(tài)，可通過關(guān)閉其中的一個或多個耦合結(jié)構(gòu)來實現(xiàn).

圖6 打開和關(guān)閉狀態(tài)下四階介質(zhì)濾波開關(guān)的耦合拓撲結(jié)構(gòu)Fig. 6 Coupling topology of the fourth-order dielectric filtering switch at on-and off states

首先考慮打開狀態(tài)下的帶通性能設計. 假設該介質(zhì)濾波開關(guān)導通時的設計指標為：通帶頻率范圍為3.4～3.5 GHz，且通帶內(nèi)的回波損耗優(yōu)于20 dB.具體設計遵循耦合諧振器理論[17]，步驟如下：

1)為實現(xiàn)3.45 GHz的中心頻率，每個介質(zhì)腔體諧振器的尺寸為：LR=21.3 mm，WR=21.3 mm，T=2.6 mm，HR=11.2 mm，DC=9 mm，HC=8.8 mm.

2)根據(jù)所要求的通帶內(nèi)回波損耗得到歸一化的耦合矩陣. 其中，非零元素為：MS1=M4L=1.035，M12=M34=0.911，M23=0.700. 進而計算出外部品質(zhì)因數(shù)Qe和耦合系數(shù)分別為：

式中，WFB代表相對帶寬.

3)固定金屬帶條的長度和寬度分別為Ls=15.2 mm、Ws=2 mm，提取外部品質(zhì)因數(shù)Qe隨饋電探針長度Lf的變化及耦合系數(shù)的絕對值|m|隨金屬探針長度Lp的變化，如圖7所示.

圖7 帶通性能設計中Qe和|m|隨Lf、Lp的變化Fig. 7 Extracted Qe and |m| vs. Lf and Lp for on-state filter design

4)由式(1)、式(2)和圖7，確定Lf=9.2 mm、Lp1=8.7 mm、Lp2=8.2 mm. 根據(jù)以上確定的參數(shù)建立模型并仿真.

帶通性能設計完成后，本文對該濾波開關(guān)在關(guān)閉狀態(tài)下的隔離性能進行仿真，仿真結(jié)果如圖8所示. 僅關(guān)閉諧振器2、3之間的耦合結(jié)構(gòu)時，隔離度優(yōu)于43 dB. 當三個耦合結(jié)構(gòu)全部關(guān)閉時，隔離度優(yōu)于62 dB. 因此，關(guān)閉耦合結(jié)構(gòu)的數(shù)量可由所要求的隔離度來決定.

圖8 關(guān)閉不同數(shù)量耦合結(jié)構(gòu)時S21的仿真結(jié)果Fig. 8 Simulated S21 for switching off different numbers of coupling structures

3 測試及分析

為了驗證其可行性，對四階介質(zhì)濾波開關(guān)進行加工及測試. 圖9給出了該介質(zhì)濾波開關(guān)的實物圖.開關(guān)尺寸為66 mm×66 mm×14.3 mm.

圖9 四階介質(zhì)濾波開關(guān)實物圖Fig. 9 Photograph of the fourth-order dielectric filtering switch

打開和關(guān)閉三個耦合結(jié)構(gòu)情況下的測試和仿真結(jié)果如圖10所示. 其中，仿真結(jié)果由Ansoft HFSS電磁仿真軟件得到，測試儀器為Agilent N5230C矢量網(wǎng)絡分析儀. 由于焊接PIN管的位置存在誤差，仿真和測試的隔離性能存在一定的誤差. 由測試結(jié)果可以得到：當濾波開關(guān)處于打開狀態(tài)時，通帶范圍為3.4～3.5 GHz，通帶內(nèi)的插入損耗為1.2 dB；當三個耦合結(jié)構(gòu)全部關(guān)閉時，隔離度優(yōu)于50 dB.

圖10 四階介質(zhì)濾波開關(guān)的測試和仿真結(jié)果Fig. 10 Measured and simulated results of the fourth-order dielectric filtering switch

表1列出了所設計的介質(zhì)濾波開關(guān)與已報道傳統(tǒng)微帶濾波開關(guān)的性能對比. 可以看出，與傳統(tǒng)微帶濾波開關(guān)相比，本文設計具有更低的插入損耗和更高的隔離度.

表1 本文介質(zhì)濾波開關(guān)與現(xiàn)有相關(guān)設計的性能對比Tab. 1 Performance comparisons with other reported works

4 結(jié) 論

本文提出了一種基于可開關(guān)橋式耦合結(jié)構(gòu)的介質(zhì)濾波開關(guān)，并對其工作原理進行了深入分析. 在該可開關(guān)橋式耦合結(jié)構(gòu)的設計中，利用PCB易于集成的特點，將開關(guān)電路設計在PCB蓋子上，從而在沒有增加額外尺寸的基礎上實現(xiàn)了開關(guān)功能. 對于高階的濾波開關(guān)，可使用多個可開關(guān)耦合結(jié)構(gòu)，而關(guān)閉該耦合結(jié)構(gòu)的數(shù)量可根據(jù)要求的隔離度來決定，因此具有一定的靈活性. 測試與仿真結(jié)果表明本設計具有低損耗、高隔離度等優(yōu)點，適用于5G通信 TDD子系統(tǒng).