一種低損耗頻分復用多工器的設計與仿真

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(xiàn)、微波與衛星通信的天饋子系統。汪波(1989-)，本科，工程師，主要研究方向：微波無(wú)源器件。

摘要：本文介紹了一種基于帶通濾波器和環(huán)行器構建的頻分復用的多工器，提出了工程設計及仿真流程，通過(guò)8GHz微波頻段的2+1頻分復用(FD)的多工器實(shí)例進(jìn)行驗證，實(shí)現311.32 MHz收發(fā)間隔、28 MHz信號帶寬的三工收發(fā)，且仿真與測試結果較為吻合，設計方法合理、有效。

0 引言

　　微波通信是目前國際上常用的無(wú)線(xiàn)通信手段之一，廣泛應用于數據傳輸、廣播電視傳送、衛星通信、移動(dòng)通信等領(lǐng)域。隨著(zhù)微波通信需求的增長(cháng)，由微波天線(xiàn)組成的點(diǎn)對點(diǎn)或點(diǎn)對多點(diǎn)的通信網(wǎng)絡(luò )越來(lái)越密集，微波系統之間產(chǎn)生互相干擾的潛在風(fēng)險越來(lái)越大。因此，通信網(wǎng)絡(luò )希望所使用的設備數量要盡可能的少、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用的多工分合路器。尤其是對于大容量、長(cháng)距離的微波傳輸系統，整個(gè)鏈路需要較多的信道數來(lái)保證傳輸容量。

　　傳統的多工分合路器，一般都是采用耦合電橋加雙工器/濾波器多級級聯(lián)而成，這樣的多工器結構比較復雜，甚至為了補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)現一套設備具有收/發(fā)雙工的雙向傳輸功能，從而使系統的射頻配置要翻倍。

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

1 多工器的基本構造

　　通信系統中的多工器，其作用主要是劃分寬帶信號為若干窄帶信號或者信道，同時(shí)由于微波網(wǎng)絡(luò )的互異性，還要在同一部件內分離發(fā)射和接收頻段。多工器網(wǎng)絡(luò )最常見(jiàn)的結構^[2]有混合電橋耦合型結構、環(huán)行器耦合型結構、定向濾波器型結構、多支節耦合型結構等型式?？紤]到工程應用及模塊化設計的理念，本文采用的結構為環(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)行模塊化的集成設計，且信道濾波器之間可以做到無(wú)相互影響，結構較為簡(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構多工器有較小的鏈路插損，且比多支節耦合型多工器具有簡(jiǎn)潔的設計和靈活的頻率規劃等特點(diǎn)。

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

2 8GHz頻段 2+1 FD多工器的設計

　　相對于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常用頻段，尤其在主干網(wǎng)的點(diǎn)對點(diǎn)長(cháng)距離、大容量傳輸有著(zhù)廣泛的應用。按照國際通信聯(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，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，其收發(fā)間隔為311.32 MHz^[3]。

　　根據微波傳輸系統的應用需求，本文設計的8 GHz頻段2+1 FD多工器其結構拓撲如圖3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。根據結構拓撲，本文中的三工器的設計可以將具體器件的性能指標獨立去耦，即單獨對環(huán)行器和帶通濾波器進(jìn)行器件級設計，所以在系統級仿真軟件AWRDE(AWR Design Environment)中進(jìn)行建模。

　　美國NI公司的AWR設計環(huán)境高頻軟件^[4]是一款微波/射頻方面器部件和系統級設計的仿真工具，兼有電路和電磁場(chǎng)建模仿真，對于較為復雜的微波無(wú)源子系統的仿真和優(yōu)化具有較高的效率和準確性?？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，即可分別對接收和發(fā)射信道進(jìn)行拆分，在A(yíng)WRDE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是多工器的設計重點(diǎn)和難點(diǎn)。在常規的140 Mbit/s容量或同步數字系列比特率的數字固定無(wú)線(xiàn)系統中，8 GHz頻段系統工作的信號帶寬為28 MHz，所以對每個(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：即對相鄰信道的給定頻率的抑制超過(guò)40~50 dB，則幾乎對反射響應沒(méi)有影響;而若給定頻率的抑制在5~10 dB之間，則將引起其通帶內幅度和群時(shí)延的極大變化，引起信號帶內失真。以發(fā)射信道[即圖4(b)所示模型]為例，如圖5所示，對其進(jìn)行仿真，可以看出不同鄰道抑制程度的對相鄰信道的影響，每個(gè)信道的傳輸特性，除了本身信道濾波器的貢獻外，還包括后接信道的反射特性，尤其是當抑制度不夠時(shí)，每個(gè)信道的右側會(huì )被相鄰的更高頻信道的左側影響，從而使信道內產(chǎn)生畸變。

　　相比于多支節耦合型多工器復雜的設計和優(yōu)化流程^[2,5]，環(huán)行器耦合型多工器設計重點(diǎn)聚焦到了信道濾波器的設計上，通過(guò)設計和優(yōu)化信道濾波器實(shí)現多工器的系統性能。微波傳輸系統應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頻段的系統工作的信號帶寬為28 MHz，相對于頻譜規劃的29.65 MHz的信道間隔，兩側共只有1.65 MHz的設計余量，由此針對濾波器本身的設計選型即要求高Q值且高熱穩定性的類(lèi)型，本文采用的工作模式為T(mén)E01δ的介質(zhì)諧振器構成的腔體濾波器。關(guān)于單模介質(zhì)腔體濾波器的設計^[2,5-7]本身有較成熟的方法和設計，其仿真工具有包括HFSS、uwave等商用軟件，而對于多工器設計而言，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)濾波器的設計。根據仿真的情況，如圖6所示，發(fā)射信道的信道濾波器設計性能要求無(wú)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 樣機及測試結果

　　根據仿真情況，如圖3拓撲搭建8 GHz頻段2+1 FD多工器，其中環(huán)行器采用隔離度23 dB的結型環(huán)行器，信道濾波器采用七腔TE01δ單模介質(zhì)濾波器，通過(guò)低損射頻跳線(xiàn)實(shí)現系統搭建，樣機如圖7所示，其低頻帶為發(fā)射信道，高頻帶為接收信道，其仿真結果如圖8所示，收/發(fā)鏈路中中間信道(即Ch2和Ch2’)的測試結果如圖9所示，通過(guò)對比結果基本吻合、仿真與測試的一致性較好;只是因為仿真鏈路中的損耗較為理想(未計算跳線(xiàn)的插損和失配性插損)，而實(shí)際樣機的插損會(huì )略大一些，但對于一般的微波傳輸系統而言，一跳收發(fā)鏈路的插損小于8.5 dB，可滿(mǎn)足應用需求。

4 結語(yǔ)

　　本文介紹了一種應用在微波傳輸系統中的帶通濾波器和環(huán)行器構建的多工器，實(shí)現311.32 MHz收發(fā)間隔、28 MHz信號帶寬的2+1 頻分復用/收發(fā)三工，在A(yíng)WRDE軟件中進(jìn)行系統建模與設計，通過(guò)實(shí)際樣機進(jìn)行比對，其仿真與測試結果較為吻合，由此設計方法合理、有效。

　　參考文獻：

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