智能天线内置一体化合路校准网络

【摘 要】

为解决传统合路器体积重量与损耗不能兼顾的问题，提出了一种用于智能天线的内置一体化合路校准网络，采用微带结构，由带阻合路器和校准网络组成。实测结果表明，合路校准网络的通带插损小于0.7dB、通带回波损耗小于-15dB、阻带抑制大于30dB。该一体化合路校准网络具有集成度高、体积小、重量轻、工艺简单等特点，有利于减小智能天线的体积及重量。

【关键词】

智能天线 合路器 校准网络 最佳带阻滤波器

1 前言

随着TD系统的不断发展，TD-SCDMA（简称TD-S）系统正向TD-LTE（简称TD-L）过渡和演进，能同时支持TD-S和TD-L系统的天线可以节省基站的建设和维护成本。目前主要有两种实现方案：一种是在TD-S和TD-L频段分别使用不同的智能天线，每副天线只工作在一个频段，该方案的缺点是工程施工及站点选址较困难，建设成本较高；另一种是使用一副宽频智能天线同时覆盖TD-S和TD-L频段，再使用合路器将天线与不同频段的有源设备相连接[1]。

常用的合路器一般是腔体形式，通常用于天线外部，优点是滤波性能好、损耗低，缺点是体积及重量大。另一种实现方式是采用微带结构，优点是体积小、加工简单、重量轻，可置于天线内部，缺点是损耗较大。本文提出一种用于F、A频（1 880—1 920MHz、2 010—2 025MHz，简称FA频）和D频（2 555—2 635MHz）的新型智能天线内置一体化合路校准网络，采用微带形式，把合路器和校准网络合并为一体，具有体积小、重量轻的特点。

2 基本原理

2.1 合路校准网络结构

一体化合路校准网络电路结构如图1所示。馈电时，信号经合路器和定向耦合器进入天线；校准时，信号从校准口进入，经威尔金森功分器和定向耦合器馈送到合路器输出，在各个输入端口可以观察到各路的幅相。一体化合路校准网络的重点和难点在于合路器的设计，本文将对此展开阐述。

2.2 滤波器综合原理

为了保证天线整机性能，合路器应保证两个频带内的损耗尽量小，隔离度足够大。实际应用中，一般要求单个滤波器通带最大衰减（LAR）小于0.5dB，阻带抑制（LAS）大于30dB，同时通带回波损耗小于-15dB。

采用不同形式不同结构的滤波器，所需要的阶数不一样。双频合路器一种常用的结构是“低通+高通”。对于边缘变化比较陡峭的切比雪夫低通滤波器，假设截止频率ω1=2 025MHz，阻带边频ωs=2 530MHz，LAR=0.5dB，LAS=30dB，则利用插损法可以计算出能实现的最小阶数：

（1）

可见，采用低通滤波器需要很大的阶数，这是因为两个频带靠得近，且低通滤波器本身边缘不够陡峭。为了用较小的阶数来实现良好的阻带抑制，可以采用边缘变化更陡峭的最佳带阻滤波器（optimum banstop filters）[2，3]。最佳带阻滤波器基于“开路枝节带阻滤波器”[4]，充分利用了各开路枝节之间的单位元件，使之具有滤波特性，在不增加开路枝节的前提下，可获得更高的阶数和更陡峭的边缘。

设计一个n开路枝节的最佳带阻滤波器，基于其传输函数[5]：

（2）

其中，ε是通带波纹常数，FN为：

（3）

其中，Tn（x）、Un（x）分别为切比雪夫第一类和第二类函数，t是理查德变换变量：

（4）

（5）

基于传输函数，利用网络综合理论，可以得出其梯形电路结构。实际应用时也可以直接查表获得各个枝节的特征阻抗。

3 仿真及实测

3.1 滤波器综合及仿真

对于FA频带阻滤波器，令f0=1 860MHz，f1= 1 360MHz，f2=2 360MHz，开路枝节数n=3，带内波纹0.1dB，源阻抗Z0=50Ω；对于D频带阻滤波器，令f0= 2 600MHz，f1=2 100MHz，f2=3 100MHz，开路枝节数n=3，带内波纹0.1dB，源阻抗Z0=50Ω。利用上述的原理和步骤，计算出各个枝节的尺寸，如图2（a）所示。两路带阻滤波器通过50Ω微带线连接在一起，调节连接线的长度，优化通带和阻带特性。单个带阻滤波器及其合路后仿真结果如图3所示。

图3 优化前仿真结果

从图2可以看到，部分枝节宽度太小，物理实现有困难。从图3来看，合路后两个频带内性能相对单个带阻滤波器性能恶化，通带插损偏大，超过了0.5dB，实际加工后插损可能更大，而回波损耗也比较临界。因此，理论计算出来的模型并不实用，而简单地把两个带阻滤波器合路，得到的电性能也不理想。

3.2 合路器优化

实用的滤波器应该易于加工，有一定的公差容限，且具备较好的电性能。因此，需要对理论结果进行优化。合路前后电性能差异大，改变滤波器部分枝节的尺寸，可能会使单个滤波器电性能恶化，但对合路后的电性能可能有改善；各个枝节的尺寸之间有制约作用；同时，FA、D频带外的特性不属于考察范围，可以适当牺牲带外特性以改善带内。因此，可以基于现有模型，利用仿真软件，对微带线的尺寸加以限制，以通带插损、阻带抑制和通带回波损耗作为优化目标进行优化，可以得到较优解。

一种较好的优化尺寸和仿真结果分别如图2（b）和图4所示。优化后线宽大小趋于合理，适宜加工。D频带阻滤波器尺寸变化较大，开路枝节线宽明显增大，使得阻带变宽；串联枝节变短，阻带中心频率往高频移动。因此，在1.2—3.2GHz范围内看不到完整的D频阻带。同时，合路器电性能得到改善，通带插损小于0.35dB，通带回波损耗小于-25dB，阻带抑制大于35dB。

图4 优化后的仿真结果

3.3 实测结果

根据3.2的优化结果，把开路枝节适当弯折，以减小合路器的面积，然后利用三维仿真软件，在保持良好电性能的前提下微调尺寸。实物如图5（a）所示，测试结果如图6（a）所示。

（a） （b）

图5 合路器及一体化合路校准网络实物图

（a）

（b）

图6 单个合路器及合路校准网络测试结果

从图6（a）可以看到单个合路器通带回波损耗在-20dB以下，阻带抑制大于30dB，FA频通带插损小于0.3dB，D频通带插损偏大，在0.5dB左右。而200mm长的测试接头电缆有0.1～0.15dB的损耗，除掉电缆损耗，则实际插损更小。

设计好单个合路器后，用定向耦合器和威尔金森功分器把8路合路器连接起来，形成一体化合路校准网络，其实物图如图5（b）所示，测试结果如图6（b）所示。

从实测结果可以看到，通带回波损耗小于-15dB，阻带抑制大于30dB，通带最大插损接近0.7dB。通带插损有所增大，是因为部分信号被耦合进校准网络耦消耗掉了。

4 结论

本文提出了一种新型的智能天线内置一体化合路校准网络，由带阻滤波器、定向耦合器及威尔金森功分器组成。滤波器部分基于最佳带阻模型，并通过优化仿真获得易于实现的尺寸、较小的通带插损、通带回波损耗及良好的阻带抑制，并通过进一步弯曲等效及微调，充分利用空间，减小布线面积。

实测结果表明，该合路校准网络通带回波损耗均在-20dB以下，阻带抑制大于30dB，通带插损小于0.7dB（单个合路器通带插损小于0.5dB），满足了使用要求，可内置于FA/D独立电调智能天线，适用于TD-SCDMA和TD-LTE混合组网。同时，该合路校准网络具有集成度高、体积小和重量轻等特点，具有实用意义。

参考文献：

[1] 赖展军，张金峰，孙善求，等. 智能天线及其校准装置： 中国， CN202103169 U[P]. 2012-01-04.

[2] Horton M C， Wenzel R J. General theory and design of optimum quarter-wave TEM filters[J]. Microwave Theory and Techniques， IEEE Transactions on， 1965（3）： 316-327.

[3] Horton M C， Wenzel R J. The Effectiveness of Component Elements in Commensurate Linelength Filters（Correspondence）[J]. Microwave Theory and Techniques， IEEE Transactions on， 1968（8）： 555-557.

[4] Schiffman B M， Matthaei G L. Exact design of band-stop microwave filters[J]. Microwave Theory and Techniques， IEEE Transactions on， 1964（1）： 6-15.

[5] Hong J S G， Lancaster M J. Microstrip filters for RF/microwave applications[M]. New York： Wiley， 2004.

作者简介

张晓：华南理工大学电子与信息学院通信与信息系统专业硕士，主要研究方向为移动通信基站天线。

薛锋章：华南理工大学电子与信息学院研究员，硕士研究生导师，长期从事天线与微波技术、移动通信领域的科研工作，目前主要研究方向为移动通信天线，有多项科研及专利成果，多篇。