潘 寧，葉 強(qiáng)，孔 博

(中國計(jì)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(dòng)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(gè)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(duì)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(shí)驗(yàn)與仿真并行的方法縮短了研制周期，提高了設(shè)計(jì)效率。本文設(shè)計(jì)了一個(gè)簡單的由兩個(gè)帶通濾波器構(gòu)成的雙頻合路器，首先研究了設(shè)計(jì)過程對(duì)互調(diào)失真影響較大的因素，然后使用電路仿真與場(chǎng)仿真分析，結(jié)合實(shí)驗(yàn)方法實(shí)現(xiàn)了一款低互調(diào)雙頻合路器。

1 互調(diào)失真

兩個(gè)頻率分別為f1、f2的信號(hào)，經(jīng)過具有非線性特征的器件時(shí)會(huì)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(jì)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(chǎng)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(hào)頻率確定。由于底部磁場(chǎng)強(qiáng)度大，因此，對(duì)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(chǎng)密度，因此在優(yōu)化設(shè)計(jì)時(shí)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(duì)互調(diào)的影響。指出，由于電流與溫度的非線性，會(huì)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(jì)時(shí)，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(duì)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(huì)降低10%。為保證良好的導(dǎo)電率，一般通過表面鍍銀實(shí)現(xiàn)，鍍銀厚度取6倍趨膚深度。

綜合上述討論，針對(duì)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(shí)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(jì)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(shí)現(xiàn)更好的帶外抑制與小型化，我們?cè)谑褂肅T交叉耦合［7］，其中，CDMA800處使用一個(gè)感性耦合，GSM900處使用3個(gè)容性耦合，電路仿真圖如圖3所示。

表2 合路器設(shè)計(jì)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(jì)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(shí)現(xiàn)耦合可以采用窗口耦合、飛桿耦合、盤耦合等形式來實(shí)現(xiàn)。對(duì)于耦合諧振器，本文使用雙模分析法實(shí)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(duì)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(duì)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(jì)

抽頭線的結(jié)構(gòu)實(shí)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(jì)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(shí)延法、耦合帶寬法以及其他方法，本文采用群時(shí)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(shí)取481．5，在7腔時(shí)取507．3。

因此，利用式(5)可以計(jì)算得到在兩路中心頻率處群時(shí)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(shí)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(shí)驗(yàn)結(jié)果分析

根據(jù)上述對(duì)合路器的結(jié)構(gòu)分析，對(duì)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(duì)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(huì)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(shí)物如圖7所示。

圖7 合路器實(shí)物內(nèi)腔圖

使用Agilent E5070B矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀測(cè)試。測(cè)試溫度為常溫25℃，測(cè)試前先對(duì)儀表進(jìn)行校準(zhǔn)。測(cè)試時(shí)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(cè)試曲線與仿真曲線合圖。

圖8 端口對(duì)比實(shí)例圖

圖8(a)中832．5 MHz～837．5 MHz實(shí)測(cè)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(shí)測(cè)數(shù)據(jù)位－85 dB。這是因?yàn)樵谡{(diào)試時(shí)為得到更好的插入損耗將通帶展寬所致，實(shí)際展寬對(duì)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(shí)測(cè)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(shí)測(cè)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(jì)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(cè)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(cè)試結(jié)果看，兩路測(cè)試三階無源互調(diào)值均在－155 dBc以下，本文設(shè)計(jì)的合路器達(dá)到了設(shè)計(jì)指標(biāo)。

圖9 端口PIM測(cè)試圖

在加工技藝完全相同并且非常精湛的前提下，對(duì)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(jì)的三階無源互調(diào)值為－155 dBc左右。對(duì)于焊接不平整或者不均勻、有瑕疵點(diǎn)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(jì)對(duì)于理論研究或者實(shí)際加工來說都是非常有意義的。

5 結(jié)語

本文設(shè)計(jì)了一種低互調(diào)同軸雙頻合路器，在分析對(duì)同軸腔體互調(diào)值貢獻(xiàn)較大的幾個(gè)因素后進(jìn)行了優(yōu)化設(shè)計(jì)，通過電路仿真與場(chǎng)仿真設(shè)計(jì)得到合路器具體參數(shù)。最后從樣品測(cè)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(cè)試結(jié)果達(dá)到設(shè)計(jì)要求。

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