低互調(diào)三頻同軸腔體合路器的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

葛雪飛 ，張需溥 ，游 彬

(1.杭州電子科技大學(xué) 電子信息學(xué)院，浙江 杭州 310018；2.杭州紫光網(wǎng)絡(luò)技術(shù)有限公司，浙江 杭州 310051)

0 引言

隨著移動(dòng)通信系統(tǒng)的不斷發(fā)展，對(duì)合路器的需求也越來(lái)越高。合路器在移動(dòng)通信系統(tǒng)和基站得到了非常廣泛的應(yīng)用，如大型寫字樓、大型商場(chǎng)、地鐵的覆蓋[1]等，由于其空間相對(duì)較小，需要的合路器的性能要求也越來(lái)越高，因此低損耗、高抑制、小體積、低互調(diào)的多頻合路器成為合路器的發(fā)展和應(yīng)用的主要方向。

合路器廣泛應(yīng)用的同時(shí)，對(duì)其性能要求也不斷增加。傳統(tǒng)的合路器優(yōu)缺點(diǎn)十分明顯，微帶合路器雖其體積小、頻段寬、加工簡(jiǎn)單，但其功耗較大、所能承受的功率小、互調(diào)干擾大[2]；波導(dǎo)結(jié)構(gòu)的合路器其性能較好，所能承受的功率較大，但其體積大不易集成[3]；介質(zhì)合路器在各個(gè)方面均有較好的性能，但因現(xiàn)在國(guó)內(nèi)生產(chǎn)工藝與成本的局限，在目前的通信系統(tǒng)中應(yīng)用還不是特別的廣泛。而同軸腔體合路器憑借其結(jié)構(gòu)緊湊、性能優(yōu)良、成本相對(duì)于介質(zhì)結(jié)構(gòu)較低、便于調(diào)諧的特點(diǎn)，在通信系統(tǒng)中有著廣泛的應(yīng)用[4]。

本文設(shè)計(jì)的合路器由兩個(gè)交叉耦合設(shè)計(jì)的濾波器單元組成，3 個(gè)通道采用了公共腔的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。設(shè)計(jì)一款基于DCS1800、TD-SCDMA2100、WLAN2600 的三頻合路器，頻段范圍分別為1 710 MHz～1 880 MHz、1 920 MHz～2 170 MHz、2 500 MHz～2 690 MHz。對(duì)設(shè)計(jì)得到的合路器進(jìn)行實(shí)際測(cè)試，結(jié)果表明該合路器具有較低的三階互調(diào)特性，并且其他的性能也達(dá)到了設(shè)計(jì)指標(biāo)。

1 電路結(jié)構(gòu)與模型

根據(jù)所提出的結(jié)構(gòu)，本文設(shè)計(jì)的三頻帶合路器主要設(shè)計(jì)指標(biāo)見(jiàn)表1。

表1 合路器的參數(shù)指標(biāo)

為了減小通帶內(nèi)的衰減，設(shè)計(jì)中采用切比雪夫?yàn)V波器的設(shè)計(jì)方法[5-6]，如式(1)～式(7)所示：

對(duì)于兩個(gè)頻率分別為f1和f2的信號(hào)，經(jīng)過(guò)具有非線性的器件是會(huì)產(chǎn)生(m，n)(m，n 為正整數(shù))分量的諧波失真，這種失真被稱為互調(diào)失真。在互調(diào)失真中，三階互調(diào)失真最為明顯，即為PIM3。下面給出同軸腔體的無(wú)源互調(diào)公式[7]：

其中，a、b 為諧振腔的內(nèi)外半徑，ε 為材料的介電常數(shù)，σ 為材料的電導(dǎo)率，c 為光速，H1(b)、H2(b)分別為頻率ω1、ω2在外半徑處的磁場(chǎng)強(qiáng)度。

由式(8)可知，互調(diào)失真可由腔體結(jié)構(gòu)形式、材料特性、磁場(chǎng)強(qiáng)度確定。由于諧振腔底部的磁場(chǎng)強(qiáng)度較大，對(duì)于互調(diào)的影響很大?？梢酝ㄟ^(guò)增加諧振桿壁的厚度，降低磁場(chǎng)密度，因此在優(yōu)化設(shè)計(jì)中可采用增加諧振桿壁的厚度來(lái)減小,從而降低互調(diào)值。同時(shí)可知值與電流密度有關(guān)，可減小電流密度，進(jìn)而降低互調(diào)值[8]。如圖1、圖2 顯示了調(diào)諧諧振桿的長(zhǎng)度和腔間臺(tái)階的高度對(duì)于電流密度的影響。由圖1 可知，增加諧振桿的長(zhǎng)度，電流密度也增加。由圖2可知，增加腔間臺(tái)階的高度，電流密度也會(huì)增加。

圖1 調(diào)諧諧振桿對(duì)于電流密度的影響

圖2 調(diào)諧腔間臺(tái)階對(duì)于電流密度的影響

因此本文在設(shè)計(jì)時(shí)，一方面通過(guò)調(diào)諧桿的長(zhǎng)度和腔間臺(tái)階的高度，使其盡可能地小來(lái)降低互調(diào)失真；另一方面抽頭結(jié)構(gòu)和相對(duì)于腔體的位置對(duì)于互調(diào)失真更為明顯。因此可通過(guò)調(diào)諧抽頭的結(jié)構(gòu)和位置，來(lái)改善合路器的互調(diào)失真。

所設(shè)計(jì)的合路器由3 路組成，其中兩路的頻帶中加入了交叉耦合的結(jié)構(gòu)，產(chǎn)生傳輸零點(diǎn)，從而改善帶外抑制，提高合路器的隔離度等指標(biāo)，其中，在1 800 MHz 頻段加入了一個(gè)容性耦合結(jié)構(gòu)，在2 100 MHz 頻段加入了兩個(gè)感性耦合結(jié)構(gòu)。在合路的端口通過(guò)一個(gè)公共腔連接來(lái)提高合路器的回波損耗并減小合路器的體積。

根據(jù)式(1)～式(7)和耦合諧振器濾波器的理論設(shè)計(jì)，通過(guò)耦合矩陣的綜合以及歸一化反歸一化可以得到合路器每一個(gè)頻帶的階數(shù)、耦合系數(shù)，外部品質(zhì)因數(shù)Q 值以及諧振腔的諧振頻率。合路器的3 個(gè)通帶的階數(shù)分別為7、7、5。通過(guò)每一頻帶的諧振頻率、耦合系數(shù)和外部Q 值得到合路器的整體參數(shù)并在designer 中建立合路器電路的整體模型，整體電路是由多個(gè)諧振腔組成的，合路器的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)如圖3 所示，其中圓形代表諧振腔，與公共腔相連的正方形代表合路端口，其余正方形代表個(gè)頻帶的端口。諧振腔之間相連的電路結(jié)構(gòu)模型如圖4 所示。對(duì)其中的參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化仿真，得到的S 參數(shù)曲線如圖5 所示。

圖3 合路器的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)

圖4 諧振腔之間相連的電路結(jié)構(gòu)模型

從圖5 中合路器仿真的S11、S21、S31、S41 參數(shù)曲線可得，從S11 得到合路器的回波損耗小于22 dB，合路器的插入損耗和通帶間隔離度也滿足要求。

圖5 合路器的電路模型S 參數(shù)曲線

在合路器的方的設(shè)計(jì)中，抽頭結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)采用的是電耦合式，根據(jù)所設(shè)計(jì)的頻帶帶寬大小，采用群延時(shí)的方法確定抽頭的位置，采用下式[9-10]：

其中，φ 為S11 的相位，ω 為角頻率。在實(shí)際的設(shè) 計(jì)中，用式(10)計(jì)算：

其中，Δf 為所設(shè)計(jì)濾波器的頻率帶寬。

2 電磁仿真與實(shí)物測(cè)試

根據(jù)電磁仿真軟件HFSS 仿真優(yōu)化諧振腔的結(jié)構(gòu)，腔間臺(tái)階的高度和抽頭位置，得到最終的合路器的結(jié)構(gòu)尺寸,圖6 為抽頭的結(jié)構(gòu)。在用AutoCAD 對(duì)合路器的整體模型進(jìn)行排版設(shè)計(jì)，得到的CAD 模型如圖7 所示。

圖6 抽頭結(jié)構(gòu)

圖7 合路器的腔體模型

根據(jù)AutoCAD 得到的模型參數(shù)如圖8 所示，進(jìn)行加工制作得到的合路器的實(shí)物圖如圖9 所示，圖10 為合路器內(nèi)腔圖。

圖8 合路器的整體CAD 數(shù)據(jù)圖

圖9 合路器的實(shí)物圖

圖10 合路器的內(nèi)腔圖

其中1 800 MHz 頻段內(nèi)導(dǎo)體高度分別為25.8 mm、25.8 mm、25.8 mm、25.8 mm、26.0 mm、25.5 mm、25.0 mm，2 100 MHz 頻段內(nèi)導(dǎo)體高度為24.0 mm、22.5 mm、24.0 mm、22.5 mm、23.5 mm、24.5 mm、24.0 mm，2 600 MHz 頻段內(nèi)導(dǎo)體高度為18.0 mm、16.8 mm、16.0 mm、16.0 mm、17.0 mm，公共腔的公共腔內(nèi)導(dǎo)體高度為24.5 mm，內(nèi)導(dǎo)體的直徑都為10.0 mm，3 個(gè)頻段腔體直徑都為25 mm。3 個(gè)頻段的抽頭都為高度為17.0 mm，壁距分別為2.5 mm、1.8 mm、1.9 mm。公共腔抽頭高度為24.0 mm，壁距為2.0 mm。與公共腔相連的腔體和腔體與腔體之間采用臺(tái)階設(shè)計(jì)來(lái)增強(qiáng)耦合，與公共腔相連的腔體的臺(tái)階高度分別8.0 mm、9.3 mm、18.0 mm，1 800 MHz 頻段腔體與腔體之間無(wú)臺(tái)階，2 100 MHz 頻段腔體與腔體之間臺(tái)階高度分別 為8.0 mm、0.0 mm、0.0 mm、7.mm、7.8 mm、12.8 mm，2 600 MHz 頻段腔體與腔體之間臺(tái)階高度分別為18.0 mm、7.5 mm、4.5 mm、0 mm、3.0 mm。

使用AgilentE5071C 網(wǎng)絡(luò)分析儀進(jìn)行測(cè)試，測(cè)試時(shí)，室內(nèi)常溫約為27 ℃，需要對(duì)3 路信號(hào)進(jìn)行測(cè)試，測(cè)試一路信號(hào)時(shí)，另兩路的輸入端需接匹配負(fù)載，端口也需接上匹配負(fù)載。

合路器實(shí)測(cè)的S 參數(shù)圖如圖11 所示，從圖10 可以看出，插入損耗(S21)在0.22 dB 以內(nèi)，回波損耗到達(dá)21 dB，隔離度達(dá)到45 dB 以上，都達(dá)到了指標(biāo)的要求。

圖11 合路器的實(shí)測(cè)S 參數(shù)曲線

在使用無(wú)源互調(diào)儀進(jìn)行三階互調(diào)值的測(cè)試，測(cè)試結(jié)果如圖12～圖14 所示，得到3 個(gè)頻帶TX、RX 端的三階互調(diào)值(PIM3)分別低于-172.50 dBc、-169.75 dBc、-173.30 dBc。

圖12 1 800 MHz 頻段的三階互調(diào)測(cè)試結(jié)果

圖13 2 100 MHz 頻段的三階互調(diào)測(cè)試結(jié)果

圖14 2 600 MHz 頻段的三階互調(diào)測(cè)試結(jié)果

與其他文獻(xiàn)相比，本文設(shè)計(jì)的合路器同頻段的三階互調(diào)值都有所降低，見(jiàn)表2。

表2 與其他文獻(xiàn)的對(duì)比研究

3 結(jié)論

本文設(shè)計(jì)了一款具有低三階互調(diào)的三頻腔體合路器，通過(guò)在合路端口采用公共腔結(jié)構(gòu)來(lái)減小每個(gè)頻帶的回波損耗，并減小合路器的體積。在1 800 MHz 和2 100 MHz頻段加入交叉耦合設(shè)計(jì)，增加了傳輸零點(diǎn)，使得合路器具有較好的帶外抑制，從而提高相臨近的頻帶之間的隔離度。通過(guò)抽頭結(jié)構(gòu)和腔間臺(tái)階的設(shè)計(jì)，以達(dá)到低的三階互調(diào)值。所設(shè)計(jì)的三頻合路器的實(shí)際測(cè)量與仿真結(jié)果基本一致，證明了設(shè)計(jì)的可行性。在頻帶越來(lái)越擁擠的現(xiàn)代移動(dòng)通信中，往往一個(gè)通信制式中需要多個(gè)信道才能滿足要求，而這種合路器能夠在多信道的前提下，滿足通信系統(tǒng)對(duì)于小型化、低互調(diào)的性能要求，從而保持各個(gè)系統(tǒng)的通信質(zhì)量，具有良好的發(fā)展前景。