（电磁场与微波技术专业论文）移动通信微波集成双工器的分析设计.pdf

硕士论文 移动通信微波集成取工器的分析设计 摘要 本文结合实际工程项目，详细深入地研究了移动通信中微波集成双工器的原 理、设计及测量。所研究的双工器收发通道带宽窄，相对带宽仅为3 、接收频 率和发射频率间隔较小。 针对公司提出的性能指标和制作成本的要求，设计了三种结构( 平行耦合、 交指、s i r ) 的双工器。并实验实现了五节的微带交指双工器，所测得的结果与 计算机仿真结果能较好地吻合，并且基本符合公司要求。验证了设计和实现方法 的正确性，为批量生产提供了基础。 其中，本文分析研究的s i r 双工器，它不仅可以迸一步缩小微带双工器的尺 寸，而且具有可控制杂散响应位置的优点，这在移动通信系统中非常重要，可避 免杂散晌应对其他有用信道的影响。本文通过对这种双工器的研究。掌握了它的 设计方法，为用户进一步的要求打下了基础。 关键词：双工器，滤波器，平行耦合，交指，s i r 硕士论文 移动通信微波集成双工器的分析设计 a b s t r a c t f o rt h ep r a c t i c a lu s e ，t h i sp a p e r p a r t i c u l a r l yd i s c u s s e st h em o b i l e c o m m u n i c a t i o n u s e d m i c r o w a v e i n t e g r a t ed i p l e x e r , f o c u s i n g o f fi t s p r i n c i p l e ，d e s i g n a n di t s m e a s u r e m e n t t h ec o n c e r n e dd i p l e x e rf e a t u r e si t sn a r r o wt rc h a n n e l w i t ha3 r e l a t i v eb a n d w i d t ha n dn a l t o w b a n db e t 、e 锄t h et rc h a n n e l sa sw e l l a c c o r d i n gt ot h ei t e m sa n dt h ec o s t s ，t h r e ek i n d so fd i p l e x e r sw i t hd i f f e r e n t c o n f i g u r a t i o n sa r ed e s i g n e d ，n a m e dp a r a l l e lc o u p l e d ，i n t e r d i g i t a l ，a n ds i r b a s e do n t h a t ，a “f i v eo r d e r ”m i c r o s t r i pi n t e r d i g i t a ld i p l e x e rd e s i g ni sd i s p l a y e d a n dt h e m e a s l l r e m e mi sa c c o r d a n c e 、i 血i t e m sa n dt h es i m u l a t i o nr e s u l t s w h i c he n s u r et h ei t s r e l i a b i l i t y i nt h i sp a p e r , t h es i r d i p l e x e ri ss t u d i e d i tc a nn o to n l yr e d u c ed i p l e x e r ss i z e ， b u ta l s of e a t u r e sa l l a d v a n t a g eo fc o n t r o l l i n gt h ef r e q u e n c yp o i n t so ft h es p u r i o u s r e s p o n s e s ，w h i c hi sv e r yi m p o r t a n t t op r e v e n tt h es p u r i o u sr e s p o n s e sf r o m i n t e r f e r i n g t h eo t h e rc h a n n e l si nt h em o b i l ec o m m u n i c a t i o n f o rt h e s ev i r t u s ，t h es i r d i p l e x e r c a nb eu s e dt om e e taf u r t h e r a p p l i c a t i o ni nt h em o b i l ec o m m u n i c a t i o ns y s t e m k e y w o r d s ：d i p l e x e r , f i l t e r , p a r a l l e lc o u p l e d ，i n t e r d i g i t a l ，s i r 1 1 引言 第一章绪论 移动通信的发展，可以追溯到本世纪2 0 年代。这个时期主要完成通信实验 和电波传输试验工作，在短波频段上实现了小容量专用移动通信系统，其话音质 量差，自动化程度低，一般不能与公众网连接。从4 0 年代到6 0 年代，各种移动 通信系统相继建立，在技术上实现了移动电话系统和公众电话网的连接。7 0 年 代中期以后民用移动通信用户数量增加，业务范围扩大，频率资源和可用频道数 之间矛盾日益尖锐。这个时期的移动通信发展，重点在于开发新频段、论证新方 案和有效利用频谱等方面的研究工作。8 0 年代初，一种以微型计算机和移动通 信结合，以频率复用、多波道共用技术和全自动地接入公共电话网地小区制、大 容量蜂窝式移动通信系统，在美国、日本和瑞典等国家先后投入使用。1 9 7 9 年， 美国在芝加哥开始a m p s 蜂窝系统的汽车电话试验，并于1 9 8 3 年正式开通业务。 这就是第一代移动通信系统，这一代系统主要特征是使用频分多址( f d m a ) 接入 技术。1 9 8 7 年，移动通信特别小组( g s m ) 就泛欧数字蜂窝系统地g s m 规范达成 一致意见。1 9 9 1 年，g s m 数字蜂窝式移动通信系统在欧洲问世，从此，移动通信 跨入了第二代。随着经济生活的发展，人们对高速率、全球兼容性和多媒体业务 的需求导致对第三代移动通信系统的开发研究f l 】。 第三代移动通信系统最早1 9 8 5 年由国际电信联盟( i t u ) 提出【2 】，当时称为未 来公众陆地移动通信系统( f p l m t s ) ，1 9 9 6 年更名为i m t 一2 0 0 0 ( 国际移动通信一 2 0 0 0 ) ，意即该系统工作在2 0 0 0 m h z 频段，最高业务速率可达2 0 0 0 k b s 。目前， 第三代移动通信标准有四种：美国的c d m a 2 0 0 0 ，欧洲的w c d m a ，我国的t 沪_ s c d 姒。 图1 1 i 移动通信收发信机方框图 随着移动通信系统的不断发展和日益完善，对移动通信设备的要求也越来 硕士立 移动通信微波集成双工器的分析设计 越高。众所周知，无论是基站( b s ) 还是移动台( m s ) 都由收发设备组成a 图1 1 1 即为移动通信收发信机的方框图。 由图1 1 1 可知在收发信机后需一双工器与天线相连接。通信过程中，无线 信号的接收发射都需要通过天线，如果给收信机和发信机各配给一个天线，不但 增加了成本、体积，而且天线传递信号之间还会相互干扰。所以希望收发共用一 副大线，这就需要双工技术的研究。简单的说，双工器就是解决收发共用一副天 线而又使其不相互影响的问题而设计的微波器件。若通信系统中收发使用同一频 段，那么双工器就是一个收发开关，当发信机工作时，开关接通天线与发信机， 将收信机断开，信号通过天线变成电磁波发射出去。当天线接收信号时，控制电 路将发信机断开，马上接通天线与收信机，接收天线传来的信号。收发位于不同 的时间段，所以这种工作方式称为时分双工( t d d ) 。若通信系统中收发使用不同 的频段，这时收发可以同时进行，这种工作方式称为频分双工( f d d ) 。为了使收 发信号可以同时工作而又不相互影响，必须在天线后端接双工器将发射机与接收 机隔离开。它兼有发射频带滤波器和接收频带滤波器。 1 2 研究现状和发展趋势 目前，移动通信系统前端中双工器的种类有很多，以下分别介绍： 1 波导双工器。这种双工器在通信领域应用的时间最久也最成熟。波导双工 器的优点是损耗低，实际应用中频率可以达到l o o g h z 。但这种双工器的缺点是 体积很大，成本较高，调谐困难。 2 同轴双工器。同波导双工器相比，同轴双工器体积要小的多。和波导双工 器一样，谐振回路由于其电磁场全部封闭在同轴腔内，故几乎没有辐射损耗。如 用空气作为介质且内外导体表面镀银，则其介质损耗、欧姆损耗都很小，因此品 质因数q 可以达到几千。并且具有稳定性高、屏蔽好、生产复制性强等优点【3 】。 但在移动通信频段内，其体积仍显较大。若将同轴腔内导体制成螺旋状，电磁波 沿螺旋内导体传输时，沿螺旋线轴向的相速度被降低，可以使电波沿螺旋线轴向 传输过程中的波长大为缩短，从而尺寸得以降低。但是因为电波沿螺旋线传播时， 各匝导线要受到相邻导线磁场的作用，使导线内的电流集中到线圈外侧。导线截 面上电流密度的不均匀相当于截面减小，等效电阻增加，因此，导致q 值下降。 所以这种螺旋结构比同轴腔结构的品质因数要低。 3 介质双工器。由介质滤波器构成。所谓介质滤波器是利用介质谐振器的滤 波器。而介质谐振器是由于电磁被在介质内部进行反复地全反射所形成的。因为 电磁波在高介质常数的物质里传播时，其波长可以缩短，正是利用这一特点可以 构成微波谐振器州。介质谐振器可由介质常数比空气介质常数高出2 0 l o o 倍的 2 移动通信微波集成双工器的分析设计 陶瓷构成。于是，介质滤波器与以往的空腔谐振器相比，可以实现小型化。因此早 在七十年代，介质滤波器已广泛用于微波通信领域。跨入八十年代由于出现汽 车电话和蜂窝电话，介质滤波器也用于移动通信领域。但是目前为止，它还没有 广泛应用，主要是因为成本较高，实现批量生产比较困难。 4 s a w 双工器。由s a w 滤波器构成。声表面波( s u r f a c ea c o u s t i cw a v e ，s a w ) 滤坡器是目前应用最多的信号处理器件，可以实现任意精度的频率特性，这是其 他射频滤波器难以实现的，故s a w 滤波器在电子信息领域，特别在通信中得到了 越来越广泛的应用。 声表面波( s a w ) ，是一种在压电基片材料表面产生和传播、且振幅随深入基 片材料的深度增加而迅速减少的弹性波。s a w 滤波器的基本结构是采用在具有压 电特性的基片材料抛光面上形成2 个声电换能器( i d t ) ，作为输入和输出换能器 件。当在输入i d t 上加上电信号时，利用压电效应，输入换能器将电信号转换成 声信号，在电极间产生周期性的变化，激励出的表面波沿着基板表面传递到输出 i d t ，输出换能器再将接收到的声信号转换为电信号输出，亦即它对电信号的加 工处理是在这两次变换中完成的【5 1 。 s a w 滤波器的主要特点是：设计灵活性大、模拟数字兼容、群延迟时间偏 差和频率选择特性优良( 中频，低于1 g h z ) 、输入输出阻抗误差小、温度特性优 异( 适用于窄带滤波器) 、抗电磁干扰( e m i ) 性能好、可靠性高、制作的器件体小 置轻( 其体积、重量分别是陶瓷介质滤波器的l 4 0 和1 3 0 左右) ，且能实现多 种复杂的功能。s a w 滤波器的特征和优点，适应了现代通信系统设备及便携式电 话轻薄短小化和高额化、数字化、高性能、高可靠等方面的要求，其不足之处是： 所需基片材料价格昂贵另外对基片的定向、切割、研磨、抛光和制造工艺要求 高。高频承受功率低，带内插损相对较大( 5 d b ) ，所以主要用于小型化要求很 高的移动通信终端( 如手机射频系统中的发射和接受双工器) 。 随着移动通信技术的不断发展，双工器的发展要求其低成本、小型化、频段 向高端发展。在此要求下，微带形式的双工器得到了很高的重视。低成本、小体 积是微带双工器的重要优点，但其本身固有的缺点是品质因数低，损耗较大，只 能用于一些要求不太高的系统中，对于要求较高的系统要求只能采用波导和同轴 形式的双工器。为解决这个矛盾。在微带双工器基础上发展了高温超导双工器【6 】。 目前研究较多的另一种解决办法是采用基于l t c c ( 低温陶瓷共烧技术) 的三维 微波集成电路。 在移动通信的频率下，高温超导薄膜的表面电阻比常规金属低两个数量级以 上，利用高温超导薄膜制备的微带双工器与常规金属滤波器比较具有通带插损 小，带边陡峭度高，带外抑制大等优点 7 - t o l 。将高温超导双工系统应用于移动通 倾十论文 移动通信微波集成双工器的分析设计 优点对于提高移动通信基站的性能是非常有效的目前世界上有多个国家的科学 家对此进行了广泛深入的研究【一3 1 。欧洲和日本分别对第三代移动通信系统 w c d 姒和i m t 一2 0 0 0 系统进行了高温超导滤波器的设计研究美国则有包括s t i 、 c o n d u c t u s 等几个公司专门从事该领域的研究并且在市场开拓方面走在了前面。 l t c c 技术可将电阻、电感、电容埋在l t c c 中，形成三维结构的双工器l l “。 这种将无源组件埋在基板内的方式大幅缩小了模块的体积。这种材料具有高可靠 性、并带来了设计上的灵活性。l t c c 除了具有较高的介电常数外，在高频下也 有较低的介质损耗特性。以多层l t c c 开发的双工器将具有系统面积最小化，高 系统整合度，系统功能最佳化，低成本等特性，从而具有相当的竞争力【i 5 1 。 1 3 论文的主要工作 论文结合某公司3 g 双工器的实际项目，对双工器小型化的要求，进行了移 动通信系统中微波双工器的分析设计。所设计双工器主要用于微蜂窝系统的小型 基站上，根据其体积小、损耗小的要求，摒弃了s a w 双工器和腔体滤波器两种极 端的选择，而选用折中的微带双工器方案，并采用了三种结构形式实现，并进行 了设计仿真。最后根据仿真图形选做了微带交指结构的双工器，给出了测试结果。 双工器设计指标要求为：下行通道的中心频率为2 t 4 0 m h z ，带宽6 0 m h z ，插入 损耗 ，有： 型苎一一 堡垫望堕垡鎏堡些翌三墨盟坌堑堡生 = 孚十字”z 吲 - 1 + 0 0 4 1 - 一圳 磊= 嚣n 隅w j - i + o ：s 罟1 对于宽带微带线( 善 1 ) ，有： 铲孚+ 字卜( 刚。 z 。2 警睁，地s s ，- n ( 和4 。4 - 】 b ) 单根微带线的综合：由z o 、。求等、气。 肚鱼( 型) j 1 6 0 t 2 + 署) 卜+ 半 ji 占+ 1j l 。fj b ：里垒 z 1 sr 当a 1 5 2 时，有 堡：! ! ! 匹尘 日e x p ( 2 a 、一2 当a 1 5 2 时，有 簪卜m 棚+ 筹卜驰9 一铡 瓦见式( 3 1 1 5 ) 、( 31 17 1 ( 3 1 1 5 ) ( 3 1 1 6 ) ( 3 1 1 _ 7 ) ( 3 1 1 8 ) ( 3 1 1 9 ) ( 3 1 1 1 0 ) ( 3 1 1 1 2 ) 耦合微带线的综合： 耦合微带线的尺寸定义：s 为耦合微带线间距，其余参数同单根微带线。设 耦合微带线的奇模阻抗为z 。，偶模阻抗为乙。 由乙、乙。求墅hs 。 根据下式计算“单根”徽带线的特性阻抗： ( z 。) ，= 瓦2 ( 乙) ，= 乙2 ( 3 1 1 1 3 ) ( 3 1 1 1 4 ) 硕士论文 移动通信微波集成职工器的分析设计 其中，z 。、瓦是耦合微带线的奇、偶模特性阻抗，( z 。) ，、( z o 。) ，是“单根” 微带线奇、偶模特性阻抗。 然后利用单根微带线综合公式( 3 i 1 i i ) 、( 3 1 1 1 2 ) 计算( 乙。) 。、( z 。) ， 对应的尺寸( 号 。、( 等) 。 接着利用下面两式计算耦合微带线尺寸等和昙： s2 l _ li 百2 i c 0 8 n 1 i 坠( 三n 至s 型：坐石! 至w 址 ：堑x ! 至s 监 2 。，s ( 罟 。+ 。t ( 善) 。 始 ( 3 1 1 1 6 ) ( 3 1 1 1 7 ) 利用( 3 ) 中的耦合微带线结构尺寸，通过耦合微带线分析公式求得与奇、 偶模阻抗相应的奇、偶模有效介电常数( 气) 。、( s 。) 。，用下式可求得各级谐振器 的长度，。 一c l 丽0 7 8 + 丽0 2 2 式中，c = 3 1 0 8 m s ，为带通滤波器的中心频率 数据。 其中的o 7 8 和o 2 2 是经验 ( 5 ) 对谐振器长度，的缩短修正出。 考虑到微带线开路的终端电容效应，实际制作电路时应将谐振器长度胸自短 郜，其值可按下式计算： ，= o 4 1 2 rc，【 一 k u0c 万 | | 矿一h 堡土笙兰 壁垫望笪塑垫叁垡翌三塑苎尘塑：! 堕 这里， 气= ( ) 。+ ( 气) 。 2 因此，实际的谐振器长，为 ，1 = ，一， 3 1 2 双工器的设计与仿真 根据3 1 1 节中的设计步骤，分别设计两带通滤波器如f ： ( 1 ) 1 9 2 0 m h z i 0 m h z 带通滤波器 中心频率为1 9 5 0 m h z ，带宽6 0 m h z ，根据式( 3 1 1 2 ) 计算得相对带宽 w = 6 0 1 9 5 0 = 3 ，是窄带滤波器，可用3 1 1 节设计方法进行设计。由于切比 雪夫函数具有较好的衰减频率特性，而且比较容易实现，所以本设计采用契比雪 夫滤波器。取带内波纹为0 0 i d b ，”= 5 ，查表得： g o = 9 6 = 1 ，9 1 = 9 5 = o 7 5 6 3 ，9 2 = 9 4 = 1 3 0 4 9 ，9 3 = 1 ，5 7 7 3 选取主线特性导纳为r o = 1 5 0 ，计算各耦合节奇偶模特性阻抗为： ( 瓦) 。，= 6 5 9 1