低互調(diào)同軸腔體合路器的設(shè)計*

潘 寧，葉 強(qiáng)，孔 博

(中國計量學(xué)院信息工程學(xué)院，杭州310018)

PAN Ning，YE Qiang*，KONGBo

(College of Information Engineering，China Jiliang University，Hangzhou 310018，China)

合路器在當(dāng)今移動通信系統(tǒng)中應(yīng)用十分廣泛，隨著工程研發(fā)的不斷改進(jìn)，合路器各類基本指標(biāo)業(yè)已達(dá)到通信系統(tǒng)的基本要求，如插入損耗、帶外抑制等等。然而，隨著通信產(chǎn)業(yè)的發(fā)展，互調(diào)失真越來越成為合路器乃至整個無源器件發(fā)展的瓶頸，進(jìn)而影響了通信系統(tǒng)的通信效率［1］。因此，研究低互調(diào)合路器是十分有必要的。

基于微帶線結(jié)構(gòu)的合路器易加工、體積小、頻段較寬，但其損耗較大、承受功率較小、不易調(diào)諧;波導(dǎo)結(jié)構(gòu)性能較好，承受功率大，但其體積較大，不易集成;介質(zhì)合路器具有較低的插入損耗、良好的溫度特性，結(jié)構(gòu)緊湊，而受國內(nèi)加工工藝與成本的限制，其在通信系統(tǒng)中的應(yīng)用并不廣泛。同軸腔體合路器由于結(jié)構(gòu)緊湊，性能優(yōu)良，便于調(diào)諧，成本相對介質(zhì)結(jié)構(gòu)低，因此在通信系統(tǒng)中應(yīng)用最為廣泛［2］。

隨著微波CAD技術(shù)的不斷進(jìn)步，實驗與仿真并行的方法縮短了研制周期，提高了設(shè)計效率。本文設(shè)計了一個簡單的由兩個帶通濾波器構(gòu)成的雙頻合路器，首先研究了設(shè)計過程對互調(diào)失真影響較大的因素，然后使用電路仿真與場仿真分析，結(jié)合實驗方法實現(xiàn)了一款低互調(diào)雙頻合路器。

1 互調(diào)失真

兩個頻率分別為f1、f2的信號，經(jīng)過具有非線性特征的器件時會產(chǎn)生mf1±nf2(m，n為正整數(shù))分量的諧波失真，我們將這種失真稱之為互調(diào)失真。在(m+n)階失真中，以3階互調(diào)失真最為激烈，因此我們這里也是以3階互調(diào)3rd PIM(3rd Passive Intermodulation)為設(shè)計基準(zhǔn)。

文獻(xiàn)［3］給出同軸線的無源互調(diào):

其中c為光速，a、b分別為內(nèi)外半徑ε、σ分別為材料的介電常數(shù)與電導(dǎo)率;H1(b)、H2(b)分別為頻率ω1、ω2在外半徑b處的磁場強(qiáng)度。

公式表明，互調(diào)失真可由腔體結(jié)構(gòu)形式，材料特性，信號頻率確定。由于底部磁場強(qiáng)度大，因此，對PIM的貢獻(xiàn)值大。而增加諧振桿壁厚(圖1中ar)，可有效降低磁場密度，因此在優(yōu)化設(shè)計時可通過增加諧振桿壁厚減小H(b)來降低互調(diào)影響。

圖1 帶加載盤的同軸諧振腔

另一方面，Jonathan R Wilkerson在文獻(xiàn)［4］中推導(dǎo)了傳輸線上電熱特性對互調(diào)的影響。指出，由于電流與溫度的非線性，會產(chǎn)生諧波電流，進(jìn)而產(chǎn)生互調(diào)失真。

其中:

由式(2)可以看出PIM的值與電流密度J0成正比，因此避免高電流密度區(qū)，就可以降低互調(diào)值。采用CST仿真軟件仿真方腔諧振腔電流密度分布，圖2(a)、2(b)分別給出了諧振腔頂部與底部的電流密度分布，從圖中可以看出，底部電流密度大，因此，在設(shè)計時，調(diào)節(jié)螺桿盡可能短，避免加重調(diào)諧桿在大電流密度區(qū)對互調(diào)的貢獻(xiàn)。

圖2 電流密度分布

在式(2)、式(4)中，都分別表明PIM與金屬電導(dǎo)率有關(guān)，黃志洵在文獻(xiàn)［5］指出，由于金屬表面粗糙度的影響，有效電導(dǎo)率會降低10%。為保證良好的導(dǎo)電率，一般通過表面鍍銀實現(xiàn)，鍍銀厚度取6倍趨膚深度。

綜合上述討論，針對傳統(tǒng)諧振桿1 mm的壁厚，本文采用2 mm壁厚降低互調(diào)失真，同時控制調(diào)諧桿盡可能短，腔體表面鍍銀厚度10μm以降低表面損耗［6］。

2 電路模型

本文設(shè)計的合路器指標(biāo)如表2所示，我們采用Couplefil軟件可以得到兩路帶通濾波器初始值。為了實現(xiàn)更好的帶外抑制與小型化，我們在使用CT交叉耦合［7］，其中，CDMA800處使用一個感性耦合，GSM900處使用3個容性耦合，電路仿真圖如圖3所示。

表2 合路器設(shè)計指標(biāo)

經(jīng)過電路仿真軟件Ansoft Designer優(yōu)化后，可以 得到優(yōu)化后的參數(shù)，如表3所示，參數(shù)如圖4所示。

圖3 合路器整體電路模型

表3 電路優(yōu)化后耦合系數(shù)與有載Q值

圖4 合路器電路模型的S參數(shù)圖

3 電磁仿真模型建立與優(yōu)化

根據(jù)電路優(yōu)化后的數(shù)據(jù)，可以得到有載Qe值與耦合系數(shù)的大小。為使腔體品質(zhì)因數(shù)最大，且互調(diào)值最低，本文設(shè)計腔體特性阻抗為75Ω［8］。采用Appcad軟件確定單腔內(nèi)外徑大小，通過HFSS單腔仿真確定諧振腔中心頻率。

3．1 耦合系數(shù)的建模仿真

電磁建模實現(xiàn)耦合可以采用窗口耦合、飛桿耦合、盤耦合等形式來實現(xiàn)。對于耦合諧振器，本文使用雙模分析法實現(xiàn)耦合系數(shù)的仿真。

圖5 耦合關(guān)系圖

使用HFSS軟件，分別對3種耦合結(jié)構(gòu)建立仿真模型，如圖5。由于表2中，kij＜0．1，因此，采用式(4)中第1式求解耦合系數(shù)。通過設(shè)置窗口大小為仿真變量優(yōu)化得到窗口大小與耦合系數(shù)的關(guān)系，如圖5(b)所示。根據(jù)K值的大小，可以選擇對應(yīng)的耦合窗口大小。采用同樣辦法分別確定圖5(c)中飛桿的尺寸與(d)中兩耦合盤的距離。

3．2 抽頭線的設(shè)計

抽頭線的結(jié)構(gòu)實現(xiàn)形式有接觸式加載、環(huán)加載、盤加載3種，由于本文設(shè)計抽頭耦合較強(qiáng)且?guī)挻笥?%，因此我們選用直接接觸式耦合形式，仿真結(jié)構(gòu)圖如圖6(a)。確定抽頭的高度有群時延法、耦合帶寬法以及其他方法，本文采用群時延法確定抽頭高度［9］。

其中，(K為常數(shù)，Δf為帶寬)K在5腔時取481．5，在7腔時取507．3。

因此，利用式(5)可以計算得到在兩路中心頻率處群時延分別為96．3 ns，20．292 ns。在仿真結(jié)構(gòu)中更改抽頭位置，可得到仿真結(jié)果圖6(b)、圖6(c)，此時抽頭高度分別為2．6 mm，7 mm。

圖6 改變抽頭位置的仿真圖

4 加工調(diào)試與實驗結(jié)果分析

根據(jù)上述對合路器的結(jié)構(gòu)分析，對合路器進(jìn)行加工制作。為了提高品質(zhì)因數(shù)且減小互調(diào)，對合路器進(jìn)行鍍銀處理，使用低互調(diào)的DIN頭接頭，提高抽頭焊接工藝，裝配過程需戴手套操作。調(diào)試過程中，需注意在滿足基本指標(biāo)的前提下，盡量將調(diào)諧桿抽高以避免高電流密度引起的互調(diào)貢獻(xiàn)，但過分重復(fù)調(diào)諧會破壞器件表面，增加不必要的互調(diào)因素，因此需合理調(diào)試。調(diào)試結(jié)束，拆開器件進(jìn)行超聲波清洗，去除器件附著的污染。實物如圖7所示。

圖7 合路器實物內(nèi)腔圖

使用Agilent E5070B矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀測試。測試溫度為常溫25℃，測試前先對儀表進(jìn)行校準(zhǔn)。測試時標(biāo)記CDMA800頻段輸入端為2端口，GSM900輸入為3端口，合路輸出為1端口。圖8為測試曲線與仿真曲線合圖。

圖8 端口對比實例圖

圖8(a)中832．5 MHz～837．5 MHz實測回波損耗在－24 dB以下，插入損耗為－0．68 dB。在877．5 MHz～882．5 MHz的抑制仿真低于 －100 dB，實測數(shù)據(jù)位－85 dB。這是因為在調(diào)試時為得到更好的插入損耗將通帶展寬所致，實際展寬對器件指標(biāo)無較大影響，因此是可行的。相應(yīng)地，圖8(b)中，實測回波損耗為－22 dB，插入損耗為－0．85 dB，在877．5 MHz～882．5 MHz的抑制實測為 －65 dB，與仿真結(jié)果基本一致。整體來看，滿足合路器設(shè)計的基本指標(biāo)。

最后使用20w無源互調(diào)分析儀，采用IEC62037反射法［10］測量互調(diào)器件的互調(diào)指標(biāo)。分析結(jié)果如圖9所示。從最后的測試結(jié)果看，兩路測試三階無源互調(diào)值均在－155 dBc以下，本文設(shè)計的合路器達(dá)到了設(shè)計指標(biāo)。

圖9 端口PIM測試圖

在加工技藝完全相同并且非常精湛的前提下，對于金屬銅的抽頭線來講，三階無源互調(diào)值只有－130 dBc左右，而本設(shè)計的三階無源互調(diào)值為－155 dBc左右。對于焊接不平整或者不均勻、有瑕疵點的合路器來說，三階無源互調(diào)值遠(yuǎn)遠(yuǎn)不能達(dá)到低互調(diào)合路器的要求，所以本設(shè)計對于理論研究或者實際加工來說都是非常有意義的。

5 結(jié)語

本文設(shè)計了一種低互調(diào)同軸雙頻合路器，在分析對同軸腔體互調(diào)值貢獻(xiàn)較大的幾個因素后進(jìn)行了優(yōu)化設(shè)計，通過電路仿真與場仿真設(shè)計得到合路器具體參數(shù)。最后從樣品測試結(jié)果來看，插入損耗，帶外抑制等與仿真結(jié)果基本吻合，互調(diào)測試結(jié)果達(dá)到設(shè)計要求。

［1］ 張世全，葛德彪．通信系統(tǒng)無源非線性引起的互調(diào)干擾［J］．陜西師范大學(xué)學(xué)報(自然科學(xué)版)，2004，32(1):58－61．

［2］ Makimoto M，Yamashita S．無線通信中的微波諧振器與濾波器［M］．北京:國防工業(yè)出版社，2002:6－20．

［3］ Wilcox Jaroslava Z，Molmud Paul．Thermal Heating Contribution to Intermodulation Fields in Coaxial Waveguides［J］．Communi-cations，IEEE Transactions on，1976，24(2):238 －243．

［4］ Wilkerson Jonathan R，Lam Peter G，Gard Kevin G，et al．Distributed Passive Intermodulation Distortion on Transmission Lines［J］．Microwave Theory and Techniques，IEEE Transactions on，2011，(59):1190－1205．

［5］ 黃志洵．微波段金屬表面問題的基本理論和測量(續(xù))［J］．物理，1981:461－466．

［6］ Macchiarella G，Sartorio A．Passive Intermodulation in Microwave Filters:Experimental Investigation［J］．IEEE MTTS Symp Workshop，2005:981 －984．

［7］ 姜守明．交叉耦合濾波器設(shè)計［D］．西安:西安電子科技大學(xué)，2010:37－50．

［8］ In-Kui Cho，Jin Tae Kim，Myung Yung Jeong，et al．Analysis and Optimization of Passive Intermodulation in Microwave Coaxial Cavity Filters［J］．ETRI Journal，2003，25(2):133 － 139．

［9］ John B Ness．A Unified Approach to the Design，Measurement，and Tuning of Coupled-Resonator Filters［J］．IEEE Transactions on Microwave Theory and Techniques，1998，46(4):343 －350．

［10］葉強(qiáng)，周浩淼，鄒新民，等．基于計算機(jī)一體化無源互調(diào)測試系統(tǒng)的研究［J］．儀器儀表學(xué)報，2009，7(30):1540－1545．