一種新型微帶TV合路器的設(shè)計(jì)

侯艷茹

(安徽四創(chuàng)電子股份有限公司，安徽 合肥230088)

室內(nèi)分布覆蓋系統(tǒng)主要由信號源和信號分布覆蓋系統(tǒng)兩部分組成，目的是將信號均勻分布在室內(nèi)每個(gè)角落，從而保證室內(nèi)區(qū)域擁有理想的信號覆蓋。合路器是室內(nèi)分布系統(tǒng)中最核心的微波無源器件。隨著我國三網(wǎng)融合的推廣和應(yīng)用，電信網(wǎng)、廣播電視網(wǎng)、互聯(lián)網(wǎng)在向?qū)拵ㄐ啪W(wǎng)、數(shù)字電視網(wǎng)、下一代互聯(lián)網(wǎng)演進(jìn)。三大網(wǎng)絡(luò)通過技術(shù)改造、網(wǎng)絡(luò)互聯(lián)互通、資源共享，能為用戶提供語音、數(shù)據(jù)和廣播電視等多種服務(wù)，同時(shí)可以大大提高網(wǎng)絡(luò)的建設(shè)速度和降低重復(fù)建設(shè)的成本。而傳統(tǒng)合路器多為同軸腔體結(jié)構(gòu)［1］，結(jié)構(gòu)復(fù)雜、體積龐大，采用這種形式幾乎不可能將廣播電視的頻段包括在內(nèi)。

本文設(shè)計(jì)的新型微帶TV合路器，信號帶寬從5 MHz～2.2 GHz，滿足了三網(wǎng)融合的室內(nèi)分布系統(tǒng)對寬帶合路器的需要，它包括廣播電視頻段和CMMB、CDMA、GSM、DCS、WCDMA、CDMA2000等移動(dòng)通信系統(tǒng)的頻段。設(shè)計(jì)采用微帶的形式，運(yùn)用濾波器基本原理結(jié)合集總參數(shù)和分布參數(shù)原理，將LP端口5 MHz～806 MHz頻段和HP端口890 MHz～2 200 MHz頻段的信號合成一路從COM端口輸出，該合路器同時(shí)具有體積小、重量輕、結(jié)構(gòu)簡單、成本低等優(yōu)勢。輸出端口分別為廣播電視系統(tǒng)常用的F接頭和射頻電路系統(tǒng)常用的SMA接頭，便于系統(tǒng)端口的匹配和連接。

1 工作原理

合路器的組成框圖如圖1所示，方案設(shè)計(jì)為一路低通濾波器和一路高通濾波器經(jīng)公共端合成一路，考慮兩通道的過渡帶較小，要達(dá)到較高的隔離度［1］，所以選擇濾波器函數(shù)為橢圓函數(shù)。下面將濾波部分的設(shè)計(jì)和兩通道合成一路的整體設(shè)計(jì)方法分別進(jìn)行介紹。

圖1 合路器組成框圖

技術(shù)指標(biāo)為:

1)頻段:(1)TV為5～806 MHz;(2)GSM＆TD為890～2 200 MHz。

2)插入損耗≤2 dB。

3)端口隔離≥40 dB。

4)駐波比≤1.5(即回波損耗小于14.7 dB)。

5)端口類型SMA-Female(890～960)50Ω;F-Female(5-806)75Ω;F-Female(COM)75Ω。

1.1 濾波器的設(shè)計(jì)

在現(xiàn)代網(wǎng)絡(luò)綜合法中，集總元件低通原型濾波器是微波濾波器設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)，低通、高通、帶通、帶阻濾波器的傳輸特性大都是根據(jù)此原型推導(dǎo)的［2-3］。根據(jù)不同的逼近函數(shù)，可以得到不同的響應(yīng)，而橢圓函數(shù)的響應(yīng)是最優(yōu)越的，這種函數(shù)的通帶和阻帶均是等波紋的，陡度大、選擇性好。首先，選定低通和高通原型濾波器，這種理想的集總濾波器原型可以通過EDA軟件得到，這里選用的是Serenade Design。低通濾波器的截止頻率為806 MHz，9節(jié);高通濾波器的截止頻率為890 MHz，7節(jié)。注意，濾波器兩端端口阻抗為75Ω。

1.2 合路器設(shè)計(jì)與仿真

將高、低通濾波器級聯(lián)，并在級聯(lián)處引出公共端口，即形成合路器，注意公共端的阻抗為75Ω，如圖2所示。

圖2 集總參數(shù)合路器原理圖(部分)

實(shí)際應(yīng)用時(shí)合路器并不是兩個(gè)濾波器通道的簡單級聯(lián)和公共端單純的引出，應(yīng)考慮公共端的匹配，這里公共端形成了一個(gè)T形接頭。經(jīng)過軟件優(yōu)化原型參數(shù)，電路中C15和C16的容值趨于無窮大，等效為開路，故可在電路里去掉這兩個(gè)電容。

考慮電路實(shí)現(xiàn)時(shí)的微帶板電路，在500 MHz以上的頻率，微帶上的焊盤，走線具有分布效應(yīng)，一塊孤立的焊盤，同時(shí)等效為一個(gè)介質(zhì)電容，電容大小可用平板電容公式估算

所以仿真應(yīng)結(jié)合微帶板布板同步進(jìn)行，將微帶板上焊盤的實(shí)際尺寸帶入電路原理圖進(jìn)行計(jì)算和優(yōu)化仿真，考慮微帶板焊盤和走線的分布效應(yīng)后，合路器原理圖中的元件參數(shù)發(fā)生較大的改變。這里我們選用的板材是F4B-2，介電常數(shù)為2.7，板材厚度為1 mm。加入微帶傳輸線后的電路模型如圖3所示。

圖3 微帶合路器原理圖(部分)

在圖3的原理圖中除了將焊盤的分布效應(yīng)等效為一小段的微帶線，還在高通濾波器的輸出端串聯(lián)一小段高阻抗微帶線，目的是進(jìn)行阻抗變換，因?yàn)楦咄ㄔ驮谠O(shè)計(jì)時(shí)輸入輸出都是以75Ω的端口阻抗設(shè)計(jì)的，便于公共端口的匹配，因此公共端要求是75Ω阻抗輸出。但高通濾波器輸出端口要求為50Ω，這里的一小段微帶線寬為0.5 mm，長約6 mm，起到了阻抗變換，將75Ω阻抗變換到50Ω阻抗，實(shí)現(xiàn)端口良好匹配。

從圖4的仿真曲線可以看出:橫坐標(biāo)為頻率軸，單位為GHz，縱坐標(biāo)分別是參數(shù)S21，S31，S22，S33，單位為dB，在曲線右側(cè)的列表中標(biāo)出不同的顏色代表不同的參數(shù)。2端口為高通濾波器在890 MHz截止，S21曲線帶外806 MHz處抑制大于40 dB;3端口低通濾波器在806 MHz截止，S31曲線帶外890 MHz處抑制大于67 dB，帶內(nèi)插損小于2 dB;在5 MHz～2.2 GHz的帶內(nèi)，S22，S33回波損耗大于20 dB。圖5所示的S23是隔離度指標(biāo)，帶內(nèi)大于40 dB，所以該方案完全滿足了指標(biāo)的要求。

2 實(shí)物制作與測試

經(jīng)過微帶板的設(shè)計(jì)和加工，即可將集總器件包括陶瓷電容和空心電感焊接在微帶板上，再將微帶板裝配在金屬外腔里，注意合路器公共端和5～806 MHz的低通濾波器端口連接器是F頭，阻抗為75Ω，而890～2 200 MHz高通濾波器輸出端口連接器是SMA接頭，阻抗為50Ω。實(shí)物照片如圖6所示，實(shí)測曲線如圖7所示。

圖6 合路器內(nèi)部和外觀實(shí)物照片

圖7 合路器實(shí)物測試曲線(截圖)

對比圖4和圖7，發(fā)現(xiàn)測試曲線和仿真結(jié)果比較吻合。圖7中可以看到合路器在5 MHz～2.2 GHz的帶內(nèi)插損小于1.37 dB，帶外抑制不小于40 dB，S22，S33回波損耗在低于2 GHz的頻段大于20 dB，在大于2 GHz的頻段，沒有達(dá)到指標(biāo)要求的大于14.7 dB。原因是公共端使用的F連接器，其工作頻段通常在1 GHz以內(nèi)，此時(shí)連接器的駐波在1.1以下，是廣播電視系統(tǒng)的通用接口，而在1 GHz以上，連接器的駐波會(huì)逐漸變差，到2.2 GHz時(shí)，駐波只有2左右。因此累及高通濾波器端口在大于2 GHz的頻段駐波也只有2左右，回波損耗在10 dB左右。這是為了顧及系統(tǒng)端口連接方便，在連接器選型上帶來的不可避免的對高頻指標(biāo)的影響。

3 小結(jié)

本文設(shè)計(jì)的新型微帶TV合路器，信號帶寬從5 MHz～2.2 GHz，滿足了三網(wǎng)融合的室內(nèi)分布系統(tǒng)對寬帶合路器的需要，設(shè)計(jì)采用微帶的形式，運(yùn)用濾波器基本原理結(jié)合集總參數(shù)和分布參數(shù)原理，與傳統(tǒng)而笨重的同軸腔體合路器相比，這種新型微帶TV合路器實(shí)物尺寸只有50 mm×25 mm×15 mm，具有體積小、重量輕、結(jié)構(gòu)簡單、成本低等優(yōu)勢。端口的匹配和連接器的選擇充分考慮了多系統(tǒng)的不同需求，應(yīng)用領(lǐng)域可推廣到更多通信系統(tǒng)合路或作為天線合路器等。

［1］甘本袚，吳萬春.現(xiàn)代微波濾波器的結(jié)構(gòu)與設(shè)計(jì)［M］.北京:科學(xué)出版社，1973.

［2］黃席春，高順泉.濾波器綜合設(shè)計(jì)法原理［M］.北京:人民郵電出版社，1977.

［3］周蘭飛，王晶，張玲.一種高頻帶通LC濾波器的設(shè)計(jì)方法［J］.電視技術(shù)，2008，32(6):82-85.