肖 鑫1，張智翀**

(1.國(guó)家無(wú)線電監(jiān)測(cè)中心 深圳監(jiān)測(cè)站，廣東 深圳 518120；2.井岡山大學(xué) 電子與信息工程學(xué)院，江西 吉安 343009)

1 引 言

雙工器在通信系統(tǒng)射頻前端中的作用是在保證發(fā)射和接收的信號(hào)隔離的同時(shí)，接收和發(fā)射都同時(shí)能正常工作。隨著現(xiàn)代無(wú)線通信技術(shù)的發(fā)展，系統(tǒng)小型化集成化的趨勢(shì)通常將接收、發(fā)射系統(tǒng)做在一起，收發(fā)共用一個(gè)天線，以減小系統(tǒng)的體積，這使得雙工器成為連接天線和收發(fā)兩端的橋梁。雙工器從結(jié)構(gòu)上分可分為平面雙工器[1-4]和腔體雙工器[5-6]，其中平面雙工器具有較多設(shè)計(jì)方法，而且大多設(shè)計(jì)的平面雙工器具有小尺寸特性。由于基站通信需要各器件有較高的功率容量，因此在基站通信中一般都用腔體雙工器。目前主流的設(shè)計(jì)方法為多階級(jí)聯(lián)法[5-6]，但是由于需要用到多個(gè)腔體，腔體雙工器的尺寸較大，這與系統(tǒng)小型化相悖。

雙工器中的核心部件是諧振器，多階級(jí)聯(lián)法中每個(gè)腔體諧振器內(nèi)只有一個(gè)模式，而多模諧振器通過(guò)控制一個(gè)腔體諧振器中同時(shí)存在的多個(gè)模式，可以實(shí)現(xiàn)多模諧振特性。這樣的話，一個(gè)諧振器可以代替多個(gè)諧振器使用，因此可以有效地減小諧振器尺寸。為了進(jìn)一步減小尺寸，在腔體多模諧振器中加載介質(zhì)，這種介質(zhì)加載的腔體多模諧振器[7-10]有效解決了腔體雙工器小型化問(wèn)題，但是這又帶來(lái)新問(wèn)題——模式的難分離與難控制。

本文提出了一種介質(zhì)偏移技術(shù)，通過(guò)該技術(shù)可以在小尺寸且較低加工難度的情況下有效解決模式的難分離與難控制的問(wèn)題。利用該技術(shù)所設(shè)計(jì)的雙工器具有尺寸小、插損低和功率容量高的優(yōu)點(diǎn)。

2 諧振器設(shè)計(jì)

本文所提出的采用介質(zhì)偏移技術(shù)的介質(zhì)三模諧振器結(jié)構(gòu)如圖1(a)所示，該諧振器的核心結(jié)構(gòu)為介質(zhì)諧振塊加載的圓柱金屬諧振腔，腔內(nèi)包括上方的介質(zhì)調(diào)諧盤、中間的介質(zhì)諧振塊和支撐諧振塊的支撐介質(zhì)。該諧振器由一對(duì)正交的前端為耦合圓片的饋線饋電。如圖1(b)所示，該諧振器采用介質(zhì)偏移技術(shù)，腔內(nèi)的介質(zhì)調(diào)諧盤、介質(zhì)諧振塊和支撐介質(zhì)的中心都不在圓柱腔中心，而是朝圖1(b)的右下方45°進(jìn)行了一段偏移。這種偏移技術(shù)并未增加其他加工難度。

圖1 采用介質(zhì)偏移技術(shù)的介質(zhì)三模諧振器結(jié)構(gòu)圖Fig.1 Structure of triple-mode dielectric-loaded resonator using the technique of dielectric offset

圖2(a)所示的模式為橫磁(Transverse Magnetic,TM)模，圖2(b)和(c) 所示的兩個(gè)模式為混合電磁(Hybrid Electromagnetic,HE)簡(jiǎn)并模。將簡(jiǎn)并模較低頻的模式命名為HE-模，將簡(jiǎn)并模較高頻的模式命名為HE+模。圖3所示為介質(zhì)偏移量與諧振器的前6個(gè)模式諧振頻率變化圖，可見(jiàn)隨著偏移量的增加，兩個(gè)低次簡(jiǎn)并模開(kāi)始分離。因此，該諧振器可通過(guò)介質(zhì)偏移量實(shí)現(xiàn)HE模的簡(jiǎn)并模分離以及控制3個(gè)模式的諧振頻率，從而控制通帶的中心頻率與通帶的帶寬。

圖2 諧振器的3個(gè)模式電場(chǎng)圖Fig.2 E-field of modes on resonator

圖3 介質(zhì)偏移量與諧振器的前6個(gè)模式諧振頻率變化圖Fig.3 The first six resonant frequencies as a function of the offset of the dielectric resonator

圖4所示為介質(zhì)三模濾波器耦合結(jié)構(gòu)圖，當(dāng)饋電端口1和端口2分別連接源和負(fù)載時(shí)，介質(zhì)三模諧振濾波器工作。

圖4中S和L分別表示源(source)和負(fù)載(load)，MSL表示源和負(fù)載之間的耦合，S和L中間的標(biāo)有數(shù)字1、2和3的實(shí)心圓圈分別表示TM模、HE-模、HE+模，而MS1、ML1、MS2、ML2、MS3和ML3分別表示TM模和源的耦合、TM模和負(fù)載的耦合、HE-模和源的耦合、HE-模和負(fù)載的耦合，HE+模和源的耦合，HE+模和負(fù)載的耦合。由于整個(gè)結(jié)構(gòu)關(guān)于中心面對(duì)稱，有MSn=MLn，因此可通過(guò)建立耦合矩陣來(lái)表示耦合結(jié)構(gòu)[11]，耦合矩陣為

(1)

式中：M11,M22和M33分別表示3個(gè)模式的自諧振系數(shù)。通過(guò)實(shí)現(xiàn)耦合矩陣內(nèi)的各個(gè)系數(shù)來(lái)實(shí)現(xiàn)濾波特性，具體過(guò)程為：由給定的零極點(diǎn)和波紋設(shè)計(jì)指標(biāo)通過(guò)公式計(jì)算出耦合矩陣中的各個(gè)系數(shù)，計(jì)算公式參見(jiàn)文獻(xiàn)[11]；計(jì)算出耦合系數(shù)之后，通過(guò)耦合系數(shù)與物理參數(shù)的關(guān)系算出理論物理參數(shù)值；最后通過(guò)仿真軟件優(yōu)化各個(gè)物理參數(shù)值，最終得到實(shí)際物理參數(shù)值實(shí)現(xiàn)濾波特性。

3 雙腔雙工器

雙工器的設(shè)計(jì)分為三步：第一步先實(shí)現(xiàn)工作于低頻通道的帶通濾波器I；第二步是實(shí)現(xiàn)工作于高頻通道的帶通濾波器II；在實(shí)現(xiàn)了兩個(gè)帶通濾波器之后，第三步是用阻抗變換結(jié)構(gòu)將這兩種濾波器連起來(lái)，合并成3端口的雙工器。圖5所示為雙腔雙工器的結(jié)構(gòu)圖與實(shí)物圖，它就是由中間的十字形連接器將兩種帶通濾波器、端口1以及同軸短路短截線連接起來(lái)，其中同軸短路短截線用于實(shí)現(xiàn)雙工器的阻抗匹配。

(a)3D結(jié)構(gòu)圖

(b)俯視圖

(c)實(shí)物圖

在仿真過(guò)程中，設(shè)置較高的仿真精度，這樣仿真結(jié)果和實(shí)測(cè)結(jié)果的誤差較小。在加工方面，采用上下兩半腔分別加工，中間留出放置射頻連接器和同軸短路短截線的半圓柱槽，同軸短路短截線既實(shí)現(xiàn)了短路特性又起到支撐連接線的作用。該雙腔雙工器的仿真與測(cè)試結(jié)果對(duì)比圖如圖6所示，各曲線特性基本吻合。由此可知，介質(zhì)偏移技術(shù)在對(duì)阻帶衰減要求不高的雙腔雙工器中，在小尺寸的條件下實(shí)現(xiàn)了良好的特性[12]。本文的所有測(cè)試都在常溫下用矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀Agilent N5230A進(jìn)行。

圖6 雙腔雙工器仿真與測(cè)試結(jié)果對(duì)比圖Fig.6 Simulated and measured results of the double cavities diplexer

4 四腔雙工器

為了提高阻帶衰減要求和增加頻率選擇性，在雙腔雙工器的端口2和端口3分別再各自級(jí)聯(lián)1個(gè)諧振腔。由此設(shè)計(jì)的四腔雙工器結(jié)構(gòu)圖和實(shí)物圖如圖7所示，相當(dāng)于四腔雙工器由中間的十字形連接器將兩種雙腔帶通濾波器、端口1和同軸短路短截線連接而成，其中雙腔帶通濾波器的兩個(gè)諧振腔由連有同軸短路短截線的T型連接線連接而成。該同軸短路短截線是為了實(shí)現(xiàn)兩個(gè)諧振腔的模式匹配[13]。

(a)3D結(jié)構(gòu)圖

(b)俯視圖

(c)實(shí)物圖

該四腔雙工器的仿真與測(cè)試結(jié)果對(duì)比圖如圖8所示。對(duì)比圖6和圖8，四腔雙工器的頻率選擇性和阻帶抑制性能較好(四腔雙工器阻帶抑制約-60 dB,而雙腔雙工器的阻帶抑制約-30 dB)，但是通帶內(nèi)的特性不如雙腔雙工器，通帶的中心頻率和帶寬有所偏差。

表1給出了雙腔雙工器和四腔雙工器和其他雙工器工作的對(duì)比(文獻(xiàn)[1]沒(méi)給具體插損值，平面雙工器的尺寸和腔體雙工器沒(méi)可比性)，說(shuō)明了實(shí)現(xiàn)的雙腔雙工器和四腔雙工器具有小尺寸、低插損和高功率容量等優(yōu)點(diǎn)。

圖8 四腔雙工器仿真與測(cè)試結(jié)果對(duì)比圖Fig.8 Simulated and measured results of the four cavities diplexer

表1 本文雙腔雙工器和四腔雙工器與其他雙工器的對(duì)比Tab.1 Comparison between the proposed diplexers and those in References

5 結(jié)束語(yǔ)

本文提出了一種介質(zhì)偏移技術(shù)，在小尺寸和低加工成本的情況下通過(guò)對(duì)介質(zhì)的偏移實(shí)現(xiàn)了簡(jiǎn)并模分離與控制，可利用該技術(shù)設(shè)計(jì)雙腔雙工器和四腔雙工器。其中，對(duì)于阻帶衰減要求較低的系統(tǒng)時(shí)可選擇通帶特性良好的雙腔雙工器，而對(duì)于阻帶衰減要求較高的系統(tǒng)時(shí)則可采用阻帶特性更優(yōu)的四腔雙工器。本文所設(shè)計(jì)的基站雙工器工作帶寬約50 MHz，其單個(gè)帶內(nèi)極點(diǎn)折算后所占尺寸為0.08λ0×0.08λ0× 0.04λ0，遠(yuǎn)小于采用多階級(jí)聯(lián)法設(shè)計(jì)的雙工器。本研究所提出的雙工器可用于LTE基站系統(tǒng)前端，連接天線和收發(fā)端口。本研究豐富和發(fā)展了基站雙工器的設(shè)計(jì)方法，對(duì)基站雙工器技術(shù)的發(fā)展具有重要意義。但該技術(shù)在天線、功分器和耦合器等器件的應(yīng)用上還有待進(jìn)一步深入研究。