WCDMA系统微带双工器的设计与仿真

1、目 录编号 淮安信息职业技术学院题 目WCDMA系统微带双工器的设计与仿真学生姓名学 号系 部专 业通信技术班 级指导教师 【助教】二一一年十月I摘 要摘 要随着信息技术的迅速发展，目前移动通信己进入了3G时代。国际电信联盟对3G技术确定了三大移动通信标准，即美国的CDMA2000、欧洲和日本的WCDMA、以及我国的TD-SCDMA标准。与GSM等第二代移动通信一样，3G技术的基站系统也是收发共用一副天线。这就要涉及到双工技术，即保证收发系统正常工作的同时又避免信道相互影响的一种技术。在3G技术的三大标准中，CDMA2000与WCDMA标准都采用了频分双工技术，而我国的TD-SCDMA则采用了

2、时分双工技术。对于时分双工，只要将收与发安排在不同的时间片中就可以解决双工问题，而对于频分双工，则需要设计专门的器件来使不同频率的电磁波同时通过一副天线而不互相引起干扰，双工器正是为解决该问题而专门设计的。本次论文首先介绍了微带线与耦合微带线的基本理论，然后对微波滤波器的原理与设计的过程进行了讨论。设计了一种满足WCDMA系统要求的微波双工器。其上、下行信道的中心频率分别为1950MHz和2140MHz，两通道相对带宽分别为3%和3.8%。针对上、下行通道的窄带要求，按照窄带滤波器的设计方法，设计完成平行耦合线形式的微波双工器。还在此基础上，分析了双工器的设计原理及实现方案，用ADS软件进行了

3、仿真，并对结果进行了优化，基本满足系统设计的要求。关键词： 微带线 双工器 滤波器 平行耦合线目 录摘 要I第一章 绪论11.1 研究背景11.1.1 移动通信技术的发展11.1.2 双工器在移动通信系统中的应用11.2 研究现状与发展趋势21.3 论文内容概述3第二章 WCDMA基本原理52.1 演变过程52.2 网络体系结构52.3 信道结构72.3.1 逻辑信道分类72.3.2 传输信道分类72.3.3 物理信道分类72.4 物理层结构过程82.5 WCDMA通信模型8第三章 平行耦合线带通滤波器的设计原理93.1 微带传输线的基本理论93.1.1 微带传输线的原理93.1.2 微带传输

4、特性参数93.2 耦合微带线的基本概论103.3 平行耦合线带通滤波器的设计分析12第四章 WCDMA双工器的设计154.1 双工器理论分析154.2 平行耦合线双工器的设计与仿真174.2.1 上下行带通滤波器的设计与仿真174.2.2 双工器的设计与仿真21第五章 总结与展望25致 谢27参考文献28第一章 绪论第一章 绪论1.1 研究背景1.1.1 移动通信技术的发展 近几年来，通信已经成为一个飞速发展的产业。通信产业的这种发展趋势，既体现在几家主要公司的收入不断增长，又体现在新的更具竞争力的电信公司市场。在通信行业内部，移动通信又是其中发展最快的，没有其它哪个部分的发展速度能够与移动通

5、信的发展速度相提并论。它给人们的生活带来了巨大改变，使人们摆脱有线的束缚，从而可以享受到更全面的通信服务。移动通信产业的用户数量猛增，而且这种增长达的趋势估计还将继续下去。和绝大多数技术所经历的发展道路一样，移动通信的发展也是一个不断推陈出新的演变过程(当然，也不排除偶然出现的跳跃式的重大进步)。70年代，频率重用和小区切换技术的发明，使得移动通信系统得以大规模使用，此时的移动通信系统即为我们今天所谓的第一代移动通信系统(其典型代表为AMPS 、TACS等)。限于当时的技术条件，第一代移动通信多址通信方式均采用FDMA，话音调制为模拟调频，信令调制为FSK一类的简单数字调制技术。由于模拟调制的

6、频谱利用率底，抗干扰性能差，因而系统容量有限，业务质量远逊于有线通信系统。各个国家空中接口均采用不同的标准，跨国漫游很难实现；同时也没有明确的网络结构和统一的接口标准，各个厂家自行其是，不同厂商的设备根本无法互连。第二代移动通信系统出现于通信数字化的80年代末和90年代初，它基本采用了当时TDMA(GSM系统)或窄带CDMA(IS-95)技术，空中接口采用数字调制技术和先进的自适应均衡(TDMA)、RAKE接收技术(CDMA)，从而使系统容量远高于第一代通信系统，业务质量与有线通信系统相当，业务种类上也从单一话音转变到可以提供话音、中低速数据业务。在接口规范的制定上充分考虑了国际漫游的需要，形

7、成了统一的国际标准，同时也规定了明确的网络结构和系统接口标准，使不同厂商间的互连变得简单易行。然而随着移动通信技术的飞速发展，支持更高的数据传输速率和提供更多类型的业务已经成为移动通信系统的发展方向。目前，第三代移动通信系统的研究已经成为移动通信领域研究的热点。国际电信联盟确定的第三代移动通信系统标准主要有三个，即美国的CDMA2000、欧洲和日本的WCDMA、以及我国的TD-SCDMA标准。第三代移动通信系统的主要特点包括了全球无缝漫游具有支持多媒体业务的Internet能力，特别是支持业务高带宽、高速率高频谱效率、大容量。1.1.2 双工器在移动通信系统中的应用 在移动通信系统中，无线信号

8、的接收和发送都需要通过天线。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天线，这就需要用到双工技术。目前主要应用的双工方式包括频分双工和时分双工两种。双工器正是应用于双工技术中，解决上、下行通信信道共用一副天线问题的一种微波器件。移动通信设备的射频部分结构可以用图1.1来表示，它直接表明了双工器在整个设备中的位置与作用。发射机接收机低噪放滤波器上变频器混频器滤波器放大器本地振荡双工器图1-1 移动通信设备射频前端原理图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。当发射机工作时，开关接通天线与发射机，将接收机断开，

9、信号通过天线转换成电磁波发射出去。当天线接收信号时，控制电路将发射机断开，马上接通天线与接收机，接收天线传来的信号。收发位于不同的时间段，此时通信设备的工作方式就是时分双工。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，这种工作方式就是频分双工。第三代移动通信中的WCDMA标准正是使用了FDD的双工方式，因此为了使收发信号可以同时工作而又不相互影响，必须在天线后端使用双工器将发射机与接收机隔离开。1.2 研究现状与发展趋势目前，移动通信系统前端存在很多种类的双工器。例如波导双工器、同轴双工器、介质双工器、SAW双工器、微带双工器等等。每种双工器都具有自己的优势，但也不可避免地存在一些

10、缺陷。就波导双工器来说，其最大优点是损耗低，但这种双工器体积很大，成本较高，调谐困难。同轴双工器体积要小的多，同样损耗低，而且稳定性高、屏蔽好、生产复制性强，但应用于移动通信其体积仍显较大。介质谐振器是由电磁波在介质内部进行反复全反射所形成的，由它构成的双工器可以实现小型化，但高成本使其广泛应用受到阻碍。由声表面波SAW滤波器构成的双工器，它利用电信号与声信号的转换和对声信号的传输处理来完成滤波功能，其优良的性能、小体积适应了现代通信系统设备小形化、高性能的要求，但损耗较大，主要用于小型化要求很高的场合。 微带双工器适应了当今低成本、小型化、高频段的发展要求，得到了很高的重视，但其本身固有的缺

11、点是品质因数低，损耗较大。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。目前研究较多的另一种解决办法是采用基于低LTCC(低温共烧陶瓷技术)的三维微波集成电路。利用高温超导薄膜制备的微带双工器具有通带插损小，带边陡峭度高，带外抑制大等优点。除了结构上的发展，与新技术结合是当今双工器和滤波器的发展趋势。其中包括有缺陷地结构(DGS)技术、基片集成波导(SIW)技术、开口环与互补开口环谐振器、双模谐振器等。典型的DGS是通过在接地板上刻蚀单个哑铃状图形形成。该结构不但可以提高电路的集成度，而且可以改变器件特性，大幅提高器件性能。SIW是一种人工集成的波导结构，由两排线性紧密排列的金属通孔

12、或者销钉嵌入同一基片构成。该技术能有效降低尺寸，并使器件具有高品质因数。对于开口环与互补开口环谐振器，一般情况下其尺寸是谐振波长的十分之一，非常有利于滤波器的小型化和抑制滤波器中的寄生通带。而双模谐振器因其优异的特性，已经成为目前进行滤波器小型化最有效的手段之一。1.3 论文内容概述论文各章具体内容如下：第一章介绍了移动通信的发展状况，双工器在其中的作用以及双工器的发展状况。第二章介绍WCDMA的基本理论，和信道结构。第三章介绍了微带传输线的基本原理，耦合微带线的基本概论和平行耦合线带通滤波器的设计原理。第四章首先分析了双工器的工作原理、设计方法，然后叙述了平行耦合线微带双工器的数据计算与仿真

13、过程，并经仿真软件优化，给出仿真结果。13 第三章 平行耦合线带通滤波器的设计原理第二章 WCDMA基本原理2.1 演变过程 图2-1 WCDMA协议版本的演进W-CDMA(宽带码分多址)是一个ITU(国际电信联盟)标准，它是从码分多址(CDMA)演变来的，从官方看被认为是IMT-2000 的直接扩展，与现在市场上通常提供的技术相比，它能够为移动和手提无线设备提供更高的数据速率。WCDMA采用直接序列扩频码分多址(DS-CDMA)、频分双工(FDD)方式，码片速率为3-84Mcps，载波带宽为5MHz.基于Release99/ Release4版本，可在5MHz 的带宽内，提供最高384kbp

14、s的用户数据传输速率。W-CDMA能够支持移动/手提设备之间的语音、图象、数据以及视频通信，速率可达2Mb/s(对于局域网而言)或者384Kb/s(对于宽带网而言)。输入信号先被数字化，然后在一个较宽的频谱范围内以编码的扩频模式进行传输。窄带CDMA使用的是200KHz宽度的载频，而W-CDMA使用的则是一个5MHz宽度的载频。W-CDMA由ETSI NTT DoCoMo 作为无线介面为他们的3G网路FOMA开发。后来NTTDocomo提交给ITU一个详细规范作为一个象IMT-2000一样作为一个候选的国际3G标准。国际电信联盟(ITU)最终接受W-CDMA作为IMT-2000家族3G标准的一

15、部分。后来W-CDMA被选作UMTS 的无线介面，作为继承GSM的3G技术或者方案。误解尽管名字跟CDMA很相近，但是W-CDMA跟CDMA关系不大。多大多小要看不同人的立足点。在行动电话领域，术语CDMA可以代指码分多址扩频复用技术，也可以指美国高通(Qualcomm)开发的包括IS-95/CDMA1X和CDMA2000(IS-2000)的CDMA 标准族。2.2 网络体系结构UMTS(Universal Mobile Telecommunications System、通用移动通信系统)是采用WCDMA空中接口技术的第三代移动通信系统，通常也把UMTS系统称为WCDMA通信系统。UMTS系

16、统采用了与第二代移动通信系统类似的结构，包括无线接入网络(Radio Access Network，RAN)和核心网络(Core Network，CN)。其中无线接入网络用于处理所有与无线有关的功能，而CN 处理UMTS系统内所有的话音呼叫和数据连接，并实现与外部网络的交换和路由功能。CN从逻辑上分为电路交换域(Circuit Switched Domain, CS)和分组交换域(PacketSwitched Domain, PS)。UTRAN、CN与用户设备(User Equipment，UE)一起构成了整个UMTS 系统。从3GPP R99标准的角度来看，UE和UTRAN(UMTS 的陆地

17、无线接入网络)由全新的协议构成，其设计基于WCDMA 无线技术。而CN则采用了GSM/GPRS 的定义，这样可以实现网络的平滑过度，此外在第三代网络建设的初期可以实现全球漫游。图2-2 系统网络构成 UE ：是用户终端设备，它通过Uu接口与网络设备进行数据交互，为用户提供电路域和分组域内的各种业务功能，包括普通话音、数据通信、移动多媒体、Internet应用(如E-mail、WWW浏览、FTP等)。UE包括两部分：(1)ME(The Mobile Equipment)，提供应用和服务。(2)USIM(The UMTS Subscriber Module)，提供用户身份识别。UTRAN：即陆地无

18、线接入网，分为基站(Node B)和无线网络控制器(RNC)两部分。CN：即核心网络，负责与其他网络的连接和对UE的通信和管理。在WCMDA 系统中，不同协议版本的核心网设备有所区别。从总体上来说，R99版本的核心网分为电路域和分组域两大块，R4版本的核心网也一样，只是把R99电路域中的MSC 的功能改由两个独立的实体：MSC Server和MGW来实现。R5 版本的核心网相对R4来说增加了一个IP多媒体域，其他的与R4基本一样。2.3 信道结构从不同协议层次上讲，WCDMA承载用户各种业务的信道被分为以下三类：(1)逻辑信道：直接承载用户业务根据承载的是控制平面业务还是用户平面业务，分为控制

19、信道和业务信道。2.3.1 逻辑信道分类广播控制信道 (BCCH)；寻呼控制信道 (PCCH)；专用控制信道 (DCCH)；公共控制信道 (CCCH)；专用业务信道 (DTCH)；公共业务信道 (CTCH)。(2)传输信道：物理层对MAC层提供的服务根据传输的是针对一个用户的专用信息还是针对所有用户的公共信息，分为专用信道和公共信道。2.3.2 传输信道分类广播信道 BCH；前向接入信道 FACH；寻呼信道 PCH；反向(随机)接入信道 RACH；专用信道 DCH，DCH信道可以为上行或下行信。(3) 物理信道：各种信息在无线接口传输时的最终体现形式。2.3.3 物理信道分类物理信道分为上行物

20、理信道和下行物理信道；物理信道可以由某一载波频率、码(信道码和扰码)、相位确定；多数信道由无线帧和时隙组成，每一无线帧10ms，包括15个时隙。图2-3 物理信道示意图2.4 物理层结构过程(1) 小区搜索(2) 上行同步过程(3) 基站间同步(4) 随机接入过程 随机接入准备 随机接入过程 随机接入冲突处理2.5 WCDMA通信模型图2-4 WCDMA通信模型第三章 平行耦合线带通滤波器的设计原理3.1 微带传输线的基本理论3.1.1 微带传输线的原理微带传输线和耦合微带线是微带线型滤波器电路中常用的传输线，也是微带元件的基本组成部分。通常的微带线如图4-1所示，在相对介电常数和厚度为的基片

21、上，具有宽度为厚度为的导体带线，在基片的底部具有良导体的地面。wht图3-1 微带线结构3.1.2 微带传输特性参数电磁波在微带线上的传输速度既不同于真空中的光速，也不同于介电常数的纯介质中速度，而是两者混合的，混合介质中波速用表示，混合介质相对介电常数用表示。于是微带线的传输特性参数是: (3-1) (3-2) (3-3) (3-4)微带传输线的特性阻抗和有效介电常数都与微带结构尺寸和介电常数有关。对于上图所示的微带传输线，它的主要参数是导带宽度，基片厚度，以及基片的介电常数。假设中心导带为无限薄，由理想导体构成。下面给出这种微带线的特性参数近似计算公式。对于宽带(w/h=1) (3-5)对

22、于窄带(w/h4，则两根导带之间的耦合甚弱，就可以看成两根无耦合的微带线。分析耦合微带线的主模传输特性，常把任意激励的耦合微带线分成两种对称激励方式来计算，一种是用等幅反相电压激励，称为奇模激励。另一种是用等幅同相电压代激励，称为偶模激励。由于奇模和偶模电压是由任意电压V1和V2分解而来，故它们之间的关系是: (3-8)由上式解得奇、偶模电压分别为： (3-9)把任意激励分成奇模和偶模激励后，耦合微带线的特性就可以通过奇模和偶模参数来获得。对于奇模激励，耦合微带线上的电场分布如图3-3(a)所示。它的中心对称面是个电壁，可以看成两根相同的传输线来处理。对于偶模激励，耦合微带线上的电场分布如图3

23、-3(b)所示。它的中心对称面是个磁壁，两根微带线间没有耦合，可以分开处理。(a)奇模激励 (b)偶模激励图3-3 耦合微带线奇模和偶模电场分布设为奇模激励时的特性阻抗，为偶模激励时的特性阻抗，为平行耦合线微带线中单根微带线的特性阻抗，则 (3-10) (3-11)其中称为k为耦合系数。两根线耦合越紧，与之间的差值越大，k值也就越大，反之就越小。在耦合微带线中也引入有效介电常数的概念。由于有效介电常数决定于场在介质中和在空气中的相对比值，而奇、偶模的场分布是不同的，故奇、偶模激励时的有效介电常数和不同。因奇模相速场和偶模相速分别由下式确定。 (3-12)奇模带内波长和偶模带内波长分别由下式确定

24、。 (3-13)所以平行耦合线微带线的奇、偶模相速、带内波长各不相同。3.3 平行耦合线带通滤波器的设计分析平行耦合线微带带通滤波器是由几节半波长谐振器组合而成的，它不要求对地连接，结构简单，易于实现，是一种应用广泛的滤波器。整个电路可以印制在很薄的介质基片上(可以薄到1mm以下)，故其横截面尺寸比波导、同轴线结构的小得多其纵向尺寸虽和工作波长可以比拟，但采用高介电常数的介质基片，使线上的波长比自由空间小了几倍，同样可以减小尺寸此外，整个微带电路元件共用接地板，只需由导体带条构成电路图形，结构大为紧凑。平行耦合线微带带通滤波器是由若干个平行耦合线节构成的，它的结构如3-4所示。 图3-4 微带

25、平行耦合线节由几个平行耦合线节级联就构成带通滤波器，其结构如图3-5所示。它有n+1个耦合线节(对应于滤波器的阶数n)。每个长为四分之一波长(对应中心频率)。图3-5 微带平行耦合线带通滤波器一段电长度为的耦合线可看作两端各有一段电长度为、特性导纳为的倒置转换器。将一系列耦合线级联后，则导纳倒置转换器之间为特性导纳等于、电长度为的传输线段。对1/4波长耦合线，电长度为，级联后两导纳倒置变换器间传输线电长度为，可等效为一并联谐振电路，其等效电纳斜率参量为,同时设电源内电导和负载导纳均等于传输线特性导纳。将以上关系代入 (k=1,2,，n-1) (3-14)得到以下设计公式 (k=1,2,，n-1

26、) (3-15)根据下式给出了奇偶模特性阻抗的表达式，即 (k=1,2,，n+1) (3-16)由各级奇、偶模阻抗可以综合出微带线结构尺寸。在此，为了使设计过程更加完整，本文给出设计公式。由奇、偶模特性阻抗计算微带线实际尺寸的过程称为微带线的综合，反之称为微带线的分析。在此以耦合微带线的分析与综合做介绍。耦合微带线的综合：耦合微带线的尺寸定义；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，偶模阻抗为。由，求、根据下面两式计算耦合微带线中每一分支线的特性阻抗： 其中，是耦合微带线的奇、偶模特性阻抗，、是耦合线节中单线奇、偶模特性阻抗。然后利用单根微带线的综合公式，计算出、和对

27、应尺寸、。接着利用下面两式计算出耦合微带尺寸和 (3-17)其中各级谐振器长度的计算利用以上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、，用下式可求得各级谐振器的长度。 (3-18)式中，为带通滤波器的中心频率，0.78和0.22是经验数据。对谐振器长度的缩短修正，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缩短，其值可按下式计算: (3-19)其中，谐振器的实际长度为。第四章 WCDMA双工器的设计第四章 WCDMA双工器的设计4.1 双工器理论分析双工器是两个带通滤波器以匹配电路相连接而成，其中带通滤波器的设计是双工器设计中的重

28、点。双工器由带通滤波器和分支接头组成。具有发端口、收端口和天线端口，是一个三端口网络。它能使收发信道同时工作，共用一个天线。最简单的双工器之一是只采用一只理想的环形器，或称为理想的0dB定向耦合器，如图4-1所示。由端口发送的信号送至天线端口，而端口无任何输出从天线口接收来的信号也只能进入端口，不会进入端口，从而满足收发信机之间的隔离度。从理论上说，这种双工器可以实现收发同频，进而大大节约频率资源，但是目前这类方向性极强的部件还难以实现。天线端口3端口1天线端口3端口2端口2端口1图4-1 0dB耦合器和理想环形器双工器的设计方案之二是采用频率选择性部件来完成收发信道的分、合路功能，如图4-2

29、所示。它的分支接头采用简单的“T”型头，而将带通滤波器分别调谐于发射频率和接收频率，从而满足端1和2之间的隔离度。当其中一路作为发射信道时，在另一端口收到该频率信号的强弱用隔离度表示，即收端异频隔离度，它取决于接收边滤波器的选择性。另外，发射滤波器的作用是防止发射频谱中含有接收信道频谱成分的信号漏到接收端口去，称为收端同频隔离度，它取决于发射滤波器的选择性。端口1端口2天线端口3图4-2 选频型双工器但在一般情况下，发射谱中含有的接收信道频谱成分是相当弱的，双工器的这项指标不作具体要求，因此隔离度通常指的是前者，即收边异频隔离度或称收发隔离度。如果这样，可省去发射滤波器使双工器更加简单。但在一

30、般情况下，由于通信系统中或与其他系统中干扰问题的存在则必须限制发射频谱的扩散，因此不可省略发射滤波器。这种方案只采用了选频部件，因此结构简洁、整齐、成本低，但其收发频率间隔保护频带必须满足一定的数值才有足够的隔离度。在频率资源紧张的情况下，应采用第三种方案(见图4-3)。这种方案在天线与带通滤波器之间加入环形器。在实际工程设计中，当增加滤波器级数而选择性无明显改变，同时时延指标和插入损耗指标受到限制时，可采用上述第三种方案，以得到合理的收发频率间隔和隔离度，为了进一步提高系统损耗指标，可将发射滤波器的级数减小到合适的数值。端口1端口2天线端口3图4-3 典型双工器4.2 平行耦合线双工器的设计

31、与仿真4.2.1 上下行带通滤波器的设计与仿真据设计参数要求可知，上行通道滤波器通带频率范围是1.92-1.98GHz,于是通带中心频率为1.95GHz，相对带宽为3%。将带入公式中可得。取契比雪夫滤波器的带内波纹为0.01dB，带外衰减为35dB，查契比雪夫滤波器通用误差曲线得n=5,通过查契比雪夫低通滤波器元件值表到归一化滤波器元件值如下：选取传输线特性导纳为，将以上数据代入式4-1，计算出各个导纳倒置变换器的特性导纳，结果为 再将以上的倒置变换器特性导纳代入到式4-2,计算出奇偶模特性阻抗 将奇、偶模特性阻抗代入到式4-10和式4-11，计算出单支路的奇、偶模阻抗。然后分别把结果代入式，

32、计算出、对应的尺寸的、。选用介电常数为4-65，厚度为1.5mm的介质基板，再将得到的数据代入式4-12和4-13，计算出谐振器的宽度和耦合间隙。将分别代入式，计算出与奇、偶模特性阻抗相应的奇偶模有效介电常数、，将它们代入到式4-17，计算出谐振器的长度，最通过式4-15进行修正。通过以上的计算，最终得到如表1所示的计算结果。表4-1 1950MHz平行耦合线带通滤波器尺寸的计算数据(mm)123宽度5.3774-7424-727间隙0.2384-8631.907长度10.610.610.6将以上计算所得的结果输入电磁仿真软件，其原理图如图4-4所示。图4-4 ADS中1950MHz微带平行耦

33、合线带通滤波器原理图对上图的电路进行仿真，得到下图4-5所示的计算结果。从图上可以看出滤波器的中心频率和预期相比发生了很大的偏移，通带内插入损耗不平坦，而且通带宽度也过宽。出现这样的结果，除了图表、经验公式、计算误差等诸多原因外，理论计算本身也会和实际情况存在一定的差距。 图4-5 1950MHz平行耦合线带通滤波器S11与S21参数仿真曲线为了达到设计参数要求，需要对以上的结果进行优化设计。在优化过程中，因谐振器的长度决定了滤波器的中心频率位置，所以先对滤波器的各谐振器长度进行优化，以使滤波器的中心频率回到设计频率上来。然后再对滤波器的间隙进行优化，因为间隙的大小可以影响耦合线节之间的耦合度

34、大小，对滤波器的传输特性有很大的影响，因而对间隙的调整可以改善滤波器的通带特性以及通带宽度。谐振器的宽度对滤波器的影响不是非常明显。但调整宽度会改变耦合线节的特性阻抗，因此在滤波器设计完成后，需要在前端加一段传输线以实现阻抗匹配。经过反复的优化，得到 4-6(a)图所示的结果。由4-6(a)图可见，优化后的滤波器达了较理想的效果。由于该图是原理图仿真的结果，并且优化中有意提高了S11与S21参数的优化标准，故这两项结果均高于设计指标。这为后面的双工器设并板图仿真留出了一定的空间。优化后的滤波器尺寸如下表2所示。表4-2 优化后的1950MHz平行耦合线带通滤波器尺寸的计算数据(mm)123宽度

35、1.5084-2504-079间隙0.6694-7854-702长度18.03717.63517.727(a)原理图 (b)板图图4-6 1950MHz平行耦合线带通滤波器原理图与板图S11与S21仿真曲线用优化过的原理图生成版图,如下图4-7图4-7 1950MHz平行耦合线带通滤波器板图板图的仿真结果如图(b)所示。由图中可以看出，版图的S11曲线与原理图相比起伏较大，S21曲线变化相对较小，但在左边截止频率处曲线也有所恶化，但总体来看该结果仍在允许的范围之内。以上完成了对双工器的上行信道滤波器的计算、设计并仿真，接下来进行下行信道滤波器的设计。与前面的设计过程相仿，首先进行数据计算。所不

36、同的是，下行信道的相对带宽为4-8%，各个导纳倒置变换器的特性导纳为: 再将以上的倒置变换器特性导纳代入到式4-2，计算出奇、偶模特性阻抗. 仍然按照1950MHz滤波器的计算过程，利用奇、偶模特性阻抗来计算2140MHz带通滤波器尺寸。因篇幅所限，此处省略计算过程。计算结果如下表3所示。表4-3 2140MHz平行耦合线带通滤波器尺寸的计算数据(mm)123宽度5.3154-7334-729间隙0.2664-8631.795长度9.36393639.363同样按照上行滤波器的方法来处理，将结果输入软件，进行仿真，并对结果进行优化。由于在设计程序上两个滤波器只有在中心频率位置上存在不同，过程同

37、上，下面仅给出优化后的结果，如下图4-7所示。(a)原理图 (b)板图图4-7 2140MHz平行耦合线带通滤波器原理图与板图S11与S21仿真曲线与该结果对应的滤波器的各尺寸参数如下表4如示.表4-4 优化后的2140MHz平行耦合线带通滤波器尺寸的计算数据(mm)123宽度1.6381.8611.948间隙0.6254-1984-994长度16.31716.166161314.2.2 双工器的设计与仿真在完成了双通道滤波器的设计与仿真后，接下来就可以设计双工器了。下图4-8给出了双工器的设计原理图。图4-8 ADS中微带平行耦合线双工器原理图通过第一节的介绍与分析可知，两个滤波器不能直接相

38、连，以免引入电纳，干扰对方的滤波特性。因此，两个滤波器需要各加一段传输线后再进行连接，如下图4-9所示。然而，由于滤波器的输入导纳不能事先确定，因此传输线的长度也是一个未知参数。图4-9 传输线L1与L2的定义此时，仿真软件的优越性便可以得到充分的体现。由于输入导纳不确定，因此可以先给定一个长度，然后使用仿真软件对电磁环境进行仿真，查看S参数以判断给定的长度是否合适。经过修正与优化，最后使性能合乎要求。由第2章的分析可知，每一支路连接线长度的最小值，不超过另一支路中心频率对应波长的一半。由此便可以确定初值和优化的范围。为更明确两段传输线长度的设计过程，现定义L1和L2如上图所示.本文选用介电常

39、数为4-65的介质基板，由式可知，1950MHz频率的电磁波对应波长为94.5mm, 2140MHz电磁波对应波长为86.12mm。由第一节的分析可知，L1与L2的最小值范围为0L144-06mm，0L247.25mm。为设计方便，首先给出L1与L2的初始值L1=4mm,l2=9mm。对原理图进行仿真，得到下图4-10(a)所示的结果。可以看出，下行通道的滤波器性能受到很大影响。这是因上行通道滤波器在其通带内引入了电纳，使得反射增大，传输性能急剧变坏。同时可以看到，双通道的S11参数都不理想，最小值也仅有-13dB左右。这说明两个滤波器在彼此的通带内都引入了较大的电纳成分，在两个滤波器的输入端

40、，反射均大大增加了，而下行通道增加得更厉害。(a)优化前 (b)优化后图4-10 对L1和L2优化前后的微带平行耦合线双工器S参数曲线为改善双工器的性能，找到各通道的开路点，将L1和L2设为变量，对其进行优化，根据分析L1和L2的优化范围分别为044-06mm和047.25mm。经过仿真后，得到图4-10(b)所示的结果。由图可见，双工器双通道的传输特性得到了极大的改善，并且S11参数在两滤波器通带内也降到了-20dB以下，达到了设计要求的技术指标。经优化后的L1和L2值为L1=14.5702mm,L2=15.1772mm。此时频率为2140MHz的入射波，在L1的输入端呈现开路状态，消除了对

41、下行滤波器的影响;而频率为1950MHz的入射波，在L2的输入端也呈现开路状态，同样消除了对上行滤波器的影响。为验证该理论的正确性，保持L2=15.1772mm不变，单独改变L1的值。由理论分析可知，对应下行通道2140MHz滤波器的性能将会变坏，而上行通道1950MHz滤波器性能将变化不大。将L1值改为20mm，仿真结果如下图4-11(a)所示。从图中可以看出，正如理论分析的一样，下行通道滤波器性能下降了。(a)L1为20mm (b)L2为62,2516mm图4-11 修改L1后的微带平行耦合线双工器S参数曲线根据传输线理论，传输线上的驻波随位置呈周期分布，其周期为波长的一半，如图所示。因此

42、，对于滤波器前的传输线而言，其内部的电磁场分布也应呈现周期性，即如果继续加长L1的值，在某一点处，L1的输入端又会对2140MHz的入射波呈现开路状态。为验证，将L1的值增加2140MHz对应波长的一半，即令L1=57.6302mm，再次进行仿真，并对结果进行一定的优化，得到图4-11(b)所示的结果。可以看到，L1的输入端再次对2140MHz的入射波呈现了开路状态，双工器的性能得到了恢复。此时的L1长为64-2516mm，比理论值稍长一点。从原理图生成双工器的板图，如下图4-12所示，其仿真结果如下图4-13所示.图4-12 微带平行耦合线双工器板图图4-13 微带平行耦合线双工器板图S参数

43、曲线由图可知，平行耦合线双工器板图的参数曲线都要比原理图对应曲线有所恶化，这是由于版图的仿真采用了矩量法，直接对电磁环境进行仿真的原因，但该曲线会与真实结果更加接近。从图中可以看到，双工器双通道插入损耗均达到了设计要求的技术指标，阻带衰减基本达到-40dB，两通道的隔离度也在40dB以上，但S11并未完全降到-20dB以下。总体来看，该双工器基本达到了设计目标。至此，平行耦合线结构双工器设计完成。29 第五章 总结与展望第五章 总结与展望随着移动通信的迅猛发展，3G技术己经成为势不可挡的主流，并在一步步改变着人们的生活。计算机辅助设计技术和电磁数值计算技术的发展，打破了传统的微波器件设计方法。

44、本论文即是在这样的时代背景中，根据实际科研项目提出的。本文针对FDD双工模式的WCDMA系统，主要设计了平行耦合线微带双工器。首先对微带传输线理论、滤波器理论以及微带双工器实现方法进行了分析与讨论，在此基础之上，对双工器分别进行了设计，并给出了计算过程与尺寸数据，进行了计算机仿真与优化。对双工器的实现方案进行了仿真验证，并设计和分析了优缺点。实际制作了双工器，并用微波矢量网络分析仪进行测试，与仿真软件的结果进行了比较和分析。从整体的设计过程和最后的仿真和测试结果来看，本设计基本达到了预期的技术指标要求。满足了WCDMA系统要求。但同时双工器也有一些需要改进的地方，如双工器没有加屏蔽盒，这也是性

45、能下降的一个原因，还有传输线L1与L2还需要进一步调整。从实际应用的角度来看，该双工器可以满足要求，但在实现上还需要进一步的改进。例如改用高介电常数的介质基片，这样可以大大缩小双工器的体积，使双工器的整体性能进一步增强。参考文献致 谢本论文是XXXX的悉心指导下完成的XXXXX严谨的治学态度，精益求精的工作作风，诲人不倦的高尚师德，严以律己、宽以待人的崇高风范，朴实无华、平易近人的人格魅力对我影响深远。本论文从选题到完成，每一步都是在导师的指导下完成的，倾注了导师大量的心血。XXX多次询问研究进程，并为我指点迷津，帮助我开拓研究思路，精心点拨、热忱鼓励。在此，谨向导师表示崇高的敬意和衷心的感谢

46、!漫漫三年求学路上，得到过信息学院许多老师和同学的关心和支持。在学校的学习生活即将结束，回顾两年多来的学习经历，面对现在的收获，我感到无限欣慰。为此，我向热心帮助过我的所有老师和同学表示由衷的感谢!感谢在整个毕业设计期间和我密切合作的同学，和曾经在各个方面给予过我帮助的伙伴们，在大学生活即将结束的最后的日子里，我们再一次演绎了团结合作的童话，把一个庞大的，从来没有上手的课题，圆满地完成了。正是因为有了你们的帮助，才让我不仅学到了本次课题所涉及的新知识，更让我感觉到了知识以外的东西，那就是团结的力量。这里还要感谢多年来养育和关怀我的父母，他们永远在身后支持着我，没有他们的无私关怀和帮助，就没有我

47、今天的收获。最后，衷心地感谢在百忙之中评阅论文和参加答辩的各位专家、教授!参考文献1. 3GPP (3rd Generation Partnership Project) TS (Technical Specification) 34. 121, Terminal conformance specification;Radio transmission and reception, Ver. 4-4-0 (2000).2. 幻冯建和，王卫东.第三代移动网络与移动业务.北京二人民邮电出版社，2007.3. 李伟.移动通信手持机中双工器的研制.微波与卫星通信.1996, (1) : 34-37.4. 周依林，孙晓伟.集成9001NHz陶瓷介质滤波器的实现.通信学报.1996, (3) :116-120.5. 唐敏，肖雪.SAW滤波器的市场前景及发展趋势.今日电子.2000,(10):31-34-6. Smith D. G