一種低損耗頻分復(fù)用多工器的設(shè)計(jì)與仿真

作者 姜汝丹1，2 汪波1 1.京信通信技術(shù)(廣州)有限公司南京研發(fā)中心(江蘇 南京 210014) 2.南京京迪通信設(shè)備有限公司(江蘇 南京 210014)

姜汝丹(1982-)，男，碩士，工程師，主要研究方向：微波天線、微波與衛(wèi)星通信的天饋?zhàn)酉到y(tǒng)。汪波(1989-)，本科，工程師，主要研究方向：微波無源器件。

摘要：本文介紹了一種基于帶通濾波器和環(huán)行器構(gòu)建的頻分復(fù)用的多工器，提出了工程設(shè)計(jì)及仿真流程，通過8GHz微波頻段的2+1頻分復(fù)用(FD)的多工器實(shí)例進(jìn)行驗(yàn)證，實(shí)現(xiàn)311.32 MHz收發(fā)間隔、28 MHz信號(hào)帶寬的三工收發(fā)，且仿真與測(cè)試結(jié)果較為吻合，設(shè)計(jì)方法合理、有效。

0 引言

　　微波通信是目前國(guó)際上常用的無線通信手段之一，廣泛應(yīng)用于數(shù)據(jù)傳輸、廣播電視傳送、衛(wèi)星通信、移動(dòng)通信等領(lǐng)域。隨著微波通信需求的增長(zhǎng)，由微波天線組成的點(diǎn)對(duì)點(diǎn)或點(diǎn)對(duì)多點(diǎn)的通信網(wǎng)絡(luò)越來越密集，微波系統(tǒng)之間產(chǎn)生互相干擾的潛在風(fēng)險(xiǎn)越來越大。因此，通信網(wǎng)絡(luò)希望所使用的設(shè)備數(shù)量要盡可能的少、功能盡可能的豐富、同時(shí)室外整體體積盡可能的小，也就是希望盡量使一跳收發(fā)信機(jī)可以同時(shí)使用更多的信道和頻譜資源，也就是希望在射頻前端集成有頻分復(fù)用的多工分合路器。尤其是對(duì)于大容量、長(zhǎng)距離的微波傳輸系統(tǒng)，整個(gè)鏈路需要較多的信道數(shù)來保證傳輸容量。

　　傳統(tǒng)的多工分合路器，一般都是采用耦合電橋加雙工器/濾波器多級(jí)級(jí)聯(lián)而成，這樣的多工器結(jié)構(gòu)比較復(fù)雜，甚至為了補(bǔ)償耦合電橋的傳輸插損，每個(gè)通道需要多個(gè)濾波器/雙工器和多個(gè)耦合電橋，造成物理尺寸較大、插損也較大，相應(yīng)的成本也比較高，尤其是使用耦合電橋，因其耦合量的存在造成一部分能量的損失，并且很難實(shí)現(xiàn)一套設(shè)備具有收/發(fā)雙工的雙向傳輸功能，從而使系統(tǒng)的射頻配置要翻倍。

　　立足于工程設(shè)計(jì)和優(yōu)化，本文介紹了基于一種帶通濾波器和環(huán)行器構(gòu)建的頻分復(fù)用的多工器^[1,2]的工程實(shí)例及其設(shè)計(jì)仿真流程，不僅整體結(jié)構(gòu)緊湊，采用較少的器件實(shí)現(xiàn)收/發(fā)雙工以及空間分集功能，使整個(gè)子系統(tǒng)的插損性能更優(yōu)，而且性能良好、工藝和成本較優(yōu)，并應(yīng)用于實(shí)際工程產(chǎn)品。

1 多工器的基本構(gòu)造

　　通信系統(tǒng)中的多工器，其作用主要是劃分寬帶信號(hào)為若干窄帶信號(hào)或者信道，同時(shí)由于微波網(wǎng)絡(luò)的互異性，還要在同一部件內(nèi)分離發(fā)射和接收頻段。多工器網(wǎng)絡(luò)最常見的結(jié)構(gòu)^[2]有混合電橋耦合型結(jié)構(gòu)、環(huán)行器耦合型結(jié)構(gòu)、定向?yàn)V波器型結(jié)構(gòu)、多支節(jié)耦合型結(jié)構(gòu)等型式。考慮到工程應(yīng)用及模塊化設(shè)計(jì)的理念，本文采用的結(jié)構(gòu)為環(huán)行器耦合型多工器。

　　如圖1所示，最基本的環(huán)行器耦合型多工器，其每個(gè)信道由一個(gè)環(huán)行器和一個(gè)帶通濾波器組成，環(huán)行器的單向性使其可以方便地進(jìn)行模塊化的集成設(shè)計(jì)，且信道濾波器之間可以做到無相互影響，結(jié)構(gòu)較為簡(jiǎn)單、緊湊。每個(gè)信道的插入損耗為信道濾波器的插入損耗與信道路徑上的所有環(huán)行器插入損耗之和，較混合電橋耦合型結(jié)構(gòu)多工器有較小的鏈路插損，且比多支節(jié)耦合型多工器具有簡(jiǎn)潔的設(shè)計(jì)和靈活的頻率規(guī)劃等特點(diǎn)。

　　由于環(huán)行器具有方向性，通過選擇不同的分支端口，可以實(shí)現(xiàn)接收或是發(fā)射信道，即構(gòu)成頻率復(fù)用的分路器或者合路器。

2 8GHz頻段 2+1 FD多工器的設(shè)計(jì)

　　相對(duì)于10 GHz以上甚至毫米波頻段的較大的雨衰特性，8 GHz頻段為微波傳輸系統(tǒng)常用頻段，尤其在主干網(wǎng)的點(diǎn)對(duì)點(diǎn)長(zhǎng)距離、大容量傳輸有著廣泛的應(yīng)用。按照國(guó)際通信聯(lián)盟(ITU)的頻段劃分，如圖2所示，8 GHz頻段(7.725-8.500 GHz)在±275 MHz頻段內(nèi)，最多八個(gè)前向和八個(gè)返回頻道的射頻頻道配置，每個(gè)頻道最大可容納29.65 MHz帶寬的信號(hào)，其收發(fā)間隔為311.32 MHz^[3]。

　　根據(jù)微波傳輸系統(tǒng)的應(yīng)用需求，本文設(shè)計(jì)的8 GHz頻段2+1 FD多工器其結(jié)構(gòu)拓?fù)淙鐖D3所示，其中三個(gè)信道為接收信道、三個(gè)信道為發(fā)射信道。根據(jù)結(jié)構(gòu)拓?fù)?，本文中的三工器的設(shè)計(jì)可以將具體器件的性能指標(biāo)獨(dú)立去耦，即單獨(dú)對(duì)環(huán)行器和帶通濾波器進(jìn)行器件級(jí)設(shè)計(jì)，所以在系統(tǒng)級(jí)仿真軟件AWRDE(AWR Design Environment)中進(jìn)行建模。

　　美國(guó)NI公司的AWR設(shè)計(jì)環(huán)境高頻軟件^[4]是一款微波/射頻方面器部件和系統(tǒng)級(jí)設(shè)計(jì)的仿真工具，兼有電路和電磁場(chǎng)建模仿真，對(duì)于較為復(fù)雜的微波無源子系統(tǒng)的仿真和優(yōu)化具有較高的效率和準(zhǔn)確性?？紤]到總端口的環(huán)行器具有較好的方向性，收/發(fā)信道可去耦，即可分別對(duì)接收和發(fā)射信道進(jìn)行拆分，在AWRDE中進(jìn)行建模，如圖4所示。

　　值得特別注意的時(shí)，帶通濾波器的性能指標(biāo)是多工器的設(shè)計(jì)重點(diǎn)和難點(diǎn)。在常規(guī)的140 Mbit/s容量或同步數(shù)字系列比特率的數(shù)字固定無線系統(tǒng)中，8 GHz頻段系統(tǒng)工作的信號(hào)帶寬為28 MHz，所以對(duì)每個(gè)信道的帶通濾波器，需考慮溫漂影響和相鄰信道的“路徑失真”[2,5]影響：即對(duì)相鄰信道的給定頻率的抑制超過40~50 dB，則幾乎對(duì)反射響應(yīng)沒有影響;而若給定頻率的抑制在5~10 dB之間，則將引起其通帶內(nèi)幅度和群時(shí)延的極大變化，引起信號(hào)帶內(nèi)失真。以發(fā)射信道[即圖4(b)所示模型]為例，如圖5所示，對(duì)其進(jìn)行仿真，可以看出不同鄰道抑制程度的對(duì)相鄰信道的影響，每個(gè)信道的傳輸特性，除了本身信道濾波器的貢獻(xiàn)外，還包括后接信道的反射特性，尤其是當(dāng)抑制度不夠時(shí)，每個(gè)信道的右側(cè)會(huì)被相鄰的更高頻信道的左側(cè)影響，從而使信道內(nèi)產(chǎn)生畸變。

　　相比于多支節(jié)耦合型多工器復(fù)雜的設(shè)計(jì)和優(yōu)化流程^[2,5]，環(huán)行器耦合型多工器設(shè)計(jì)重點(diǎn)聚焦到了信道濾波器的設(shè)計(jì)上，通過設(shè)計(jì)和優(yōu)化信道濾波器實(shí)現(xiàn)多工器的系統(tǒng)性能。微波傳輸系統(tǒng)應(yīng)用的多工器通常的工作溫度要求是-5 ℃~+45 ℃，即50度的溫變范圍;另一方面，8 GHz頻段的系統(tǒng)工作的信號(hào)帶寬為28 MHz，相對(duì)于頻譜規(guī)劃的29.65 MHz的信道間隔，兩側(cè)共只有1.65 MHz的設(shè)計(jì)余量，由此針對(duì)濾波器本身的設(shè)計(jì)選型即要求高Q值且高熱穩(wěn)定性的類型，本文采用的工作模式為TE01δ的介質(zhì)諧振器構(gòu)成的腔體濾波器。關(guān)于單模介質(zhì)腔體濾波器的設(shè)計(jì)^[2,5-7]本身有較成熟的方法和設(shè)計(jì)，其仿真工具有包括HFSS、uwave等商用軟件，而對(duì)于多工器設(shè)計(jì)而言，主要是確定信道濾波器的性能要求，所以本文不再贅述介質(zhì)濾波器的設(shè)計(jì)。根據(jù)仿真的情況，如圖6所示，發(fā)射信道的信道濾波器設(shè)計(jì)性能要求無載Q值>12000，其性能大致為：-1 dB帶寬26.5 MHz、-3 dB帶寬30 MHz、且間隔±29.65 MHz的抑制要求>55 dB。

3 樣機(jī)及測(cè)試結(jié)果

　　根據(jù)仿真情況，如圖3拓?fù)浯罱? GHz頻段2+1 FD多工器，其中環(huán)行器采用隔離度23 dB的結(jié)型環(huán)行器，信道濾波器采用七腔TE01δ單模介質(zhì)濾波器，通過低損射頻跳線實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)搭建，樣機(jī)如圖7所示，其低頻帶為發(fā)射信道，高頻帶為接收信道，其仿真結(jié)果如圖8所示，收/發(fā)鏈路中中間信道(即Ch2和Ch2’)的測(cè)試結(jié)果如圖9所示，通過對(duì)比結(jié)果基本吻合、仿真與測(cè)試的一致性較好;只是因?yàn)榉抡骀溌分械膿p耗較為理想(未計(jì)算跳線的插損和失配性插損)，而實(shí)際樣機(jī)的插損會(huì)略大一些，但對(duì)于一般的微波傳輸系統(tǒng)而言，一跳收發(fā)鏈路的插損小于8.5 dB，可滿足應(yīng)用需求。

4 結(jié)語(yǔ)

　　本文介紹了一種應(yīng)用在微波傳輸系統(tǒng)中的帶通濾波器和環(huán)行器構(gòu)建的多工器，實(shí)現(xiàn)311.32 MHz收發(fā)間隔、28 MHz信號(hào)帶寬的2+1 頻分復(fù)用/收發(fā)三工，在AWRDE軟件中進(jìn)行系統(tǒng)建模與設(shè)計(jì)，通過實(shí)際樣機(jī)進(jìn)行比對(duì)，其仿真與測(cè)試結(jié)果較為吻合，由此設(shè)計(jì)方法合理、有效。

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　　本文來源于《電子產(chǎn)品世界》2018年第11期第57頁(yè)，歡迎您寫論文時(shí)引用，并注明出處。