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(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、微波與衛(wèi)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8GHz微波頻段的2+1頻分復用(FD)的多工器實例進行驗證，實現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線通信手段之一，廣泛應用于數據傳輸、廣播電視傳送、衛(wèi)星通信、移動通信等領域。隨著微波通信需求的增長，由微波天線組成的點對點或點對多點的通信網絡越來越密集，微波系統之間產生互相干擾的潛在風險越來越大。因此，通信網絡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、長距離的微波傳輸系統，整個鏈路需要較多的信道數來保證傳輸容量。

　　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，每個通道需要多個濾波器/雙工器和多個耦合電橋，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，采用較少的器件實現收/發(fā)雙工以及空間分集功能，使整個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)，并應用于實際工程產品。

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，同時由于微波網絡的互異性，還要在同一部件內分離發(fā)射和接收頻段。多工器網絡最常見的結構^[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(jié)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，其每個信道由一個環(huán)行器和一個帶通濾波器組成，環(huán)行器的單向性使其可以方便地進行模塊化的集成設計，且信道濾波器之間可以做到無相互影響，結構較為簡單、緊湊。每個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(jié)耦合型多工器具有簡潔的設計和靈活的頻率規(guī)劃等特點。

　　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，尤其在主干網的點對點長距離、大容量傳輸有著廣泛的應用。按照國際通信聯盟(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，最多八個前向和八個返回頻道的射頻頻道配置，每個頻道最大可容納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，其中三個信道為接收信道、三個信道為發(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行器件級設計，所以在系統級仿真軟件AWRDE(AWR Design Environment)中進行建模。

　　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，兼有電路和電磁場建模仿真，對于較為復雜的微波無源子系統的仿真和優(yōu)化具有較高的效率和準確性。考慮到總端口的環(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)射信道進行拆分，在AWRDE中進行建模，如圖4所示。

　　值得特別注意的時，帶通濾波器的性能指標是多工器的設計重點和難點。在常規(guī)的140 Mbit/s容量或同步數字系列比特率的數字固定無線系統中，8 GHz頻段系統工作的信號帶寬為28 MHz，所以對每個信道的帶通濾波器，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40~50 dB，則幾乎對反射響應沒有影響;而若給定頻率的抑制在5~10 dB之間，則將引起其通帶內幅度和群時延的極大變化，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，每個信道的右側會被相鄰的更高頻信道的左側影響，從而使信道內產生畸變。

　　相比于多支節(jié)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聚焦到了信道濾波器的設計上，通過設計和優(yōu)化信道濾波器實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(guī)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(wěn)定性的類型，本文采用的工作模式為TE01δ的介質諧振器構成的腔體濾波器。關于單模介質腔體濾波器的設計^[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單模介質濾波器，通過低損射頻跳線實現系統搭建，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(未計算跳線的插損和失配性插損)，而實際樣機的插損會略大一些，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，可滿足應用需求。

4 結語

　　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AWRDE軟件中進行系統建模與設計，通過實際樣機進行比對，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：

　　[1]京信通信系統(中國)有限公司. 一種頻率復用和空間分集多工器[P]. CN203826520U, 2014.

　　[2]R.J. Cameron等著, 王松林等譯. 通信系統微波濾波器[M]. 北京:電子工業(yè)出版社, 2012.10.

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　　[4]NI AWR Design Environment. http://www.awrcorp.com/

　　[5]R.J.Cameron, Ming Yu. Design of Manifold-Coupled Multiplexers[J]. IEEE Microwave Magazine, 2007, 10:46-59.

　　[6]京信通信系統(中國)有限公司. 腔體介質濾波器[P]. CN101630768 A, 2010.

　　[7]NEC Corporation. Filter with Dielectric Resonators [P]. US4757289, 1988.

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