多频同轴腔体合路器的小型化设计

【摘 要】为满足通信系统对无源器件小型化的需求，在保证合路器各项指标的基础上设计出一款小型化基于同轴腔体结构的GSM900、GSM1800、UMTS2100三频合路器。通过Designer和HFSS的联合仿真，进行合路器的设计与参数优化，得到合路器的参数指标，同时进行制作加工与测试，实测结果与设计目标基本一致。

【关键词】合路器 小型化 多频同轴腔体

[Abstract] To meet the requirements of communication system of miniaturized passive devices， a mini tri-frequency （GSM900、GSM1800 and UMTS2100） combiner based on coaxial cavity was designed， satisfying various combiner indicators. Using a method of joint simulation by Designer and HFSS， the combiner was designed and its parameters optimized to get its indicators， manufactured and measured， the result was consistent with the design.

[Key words]combiner miniaturization multi-frequency coxial cavity

随着通信技术的发展，合路器在通信系统中已经有着越来越广泛的应用，如大型商场、地铁的信号覆盖[1]等。现代办公场所聚集化使对合路器的需求已不再局限于大型公共场所，很多小型区域如办公楼、超市、写字楼等因其自身空间较小对合路器体积尺寸有着较高的要求，小型化多频合路器即成为合路器研制的重要发展方向之一。

传统的合路器均有其优缺点，微带合路器加工容易、体积小、频段较宽但其损耗较大、所能承受的功率较小、互调干扰较大[2]；波导结构性能较好，所能承受功率大，但其体积较大不易集成[3]；介质合路器在各方面均有良好的性能，而受国内生产工艺与成本的限制，目前在通信系统中应用还不是很广泛。同轴腔体合路器凭借其结构紧凑，性能优良，便于调谐，成本相对于介质结构较低的特点，在通信系统中有着广泛的应用。

随着微波仿真技术的不断进步，仿真与实验并行的方法大大缩短了合路器的生产周期。本文设计了一种移动通信频段的三频合路器，在保证合路器各项指标的同时缩小了合路器的尺寸，可实现合路器的小型化设计。文中将采用仿真软件，结合实验来完成合路器的设计。

1 电路模型

本文所要设计的腔体合路器的指标如表1所示，合路器分为三路，覆盖目前中国移动的2G、3G、4G信号，合路器由一路低通滤波器和带有公共腔的两路带通滤波器所组成。为减小通带内衰减，文中设计采用切比雪夫滤波器设计[4]，参考公式（1）～公式（4）：

式中：Kki，j为滤波器腔体之间的耦合系数；Qke为滤波器的品质因数， fkris，i为谐振腔的谐振频率；B为带宽；Bn为相对带宽；Mk为滤波器耦合矩阵；npk为第k路滤波器的阶数。

GSM900频率380―960 MHz，选用糖葫芦式同轴线低通实现方式；GSM1800、UMTS2100选用带通实现方式，通过仿真软件CoupleFile-cr1.23可得到GSM1800和UMTS2100带通滤波器的初始参数，在Designer中建立详细的合路器电路整体模型如图1所示，并对参数进行优化后仿真得到S参数如图2所示。确定通带在380―960 MHz的低通滤波器为14阶，选用糖葫芦式同轴线低通滤波器，串联电感用高阻抗线等效，高阻抗线选用156.9 Ω，并联电容用低阻抗线等效，低阻抗线选用10.9 Ω，高阻抗线直径1 mm，低阻抗线直径10.5 mm，低阻抗线用聚四氟乙烯做介质支撑，经过Designer软件综合仿真后得出高低阻抗精确长度尺寸依次分别为L1（19.5 mm）、C2（9.5 mm）、L3（26 mm）、C4（10.2 mm）、L5（27 mm）、C6（10.8 mm）、L7（27.2 mm）、C8（11 mm）、L9（27.2 mm）、C10（10.8 mm）、L11（26.3 mm）、C12（9.8 mm）、L13（20.7 mm）、C14（3.7 mm）。GSM1800、UMTS2100通过公共腔合路，Ks，c=3.99P，Qs，0=3.408。通带1710―1880 MHz的滤波器为9阶，谐振腔之间的耦合初始值K为：K01=1.435，K12=0.684，K23=0.503，K24=0.294，K34=0.452，K45=0.537，K56=0.537，K67=0.486，K68=0.237，K78=0.537，K89=0.847；腔体同源端及负载的品质因数Q9，l=8.37。通带在1920―2170 MHz的滤波器为9阶，各腔体之间的耦合初始值K为：K01=1.093，K12=0.459，K13=0.385，K23=0.409，K34=0.545，K45=0.331，K46=0.412，K47=-0.089，K56=0.28，K67=0.541，K78=0.599，K89=0.872；腔体同源端及负载的品质因数Q9，l=6.548。

2 电磁仿真

本文利用Ansoft HFSS电磁仿真软件对合路器进行仿真，根据上述电路仿真所得的优化参数进行同轴腔体结构模型的设计，在满足规定指标的同时实现其小型化。在工程中为取得理想的品质因数，通常将腔体的特性阻抗设计为76 Ω[5]。通过HFSS进行单腔仿真可以由谐振频率确定单个腔体的结构。GSM1800滤波器单腔模型及UMTS2100滤波器单腔模型如图3、图4所示：

2.1 腔体耦合系数仿真

使用HFSS进行双腔仿真，在设计中利用两腔直接开窗和增加调谐杆来实现两腔之间的直接耦合，利用飞杆耦合及盘耦合来实现腔体间交叉耦合。在本征模式求解环境下，构建两腔耦合系数变量，公式如下：

耦合结构设计如图5～图7所示，图5通过设置窗口大小为仿真变量来得到窗口大小与耦合系数的关系，由电路仿真中得到的耦合参数优化值来最终确定窗口大小。图6为容叉模型，HFSS中通过设置耦合盘与谐振杆间距为仿真变量得到与耦合系数的关系，根据电路仿真的耦合系数最终确定耦合尺寸。图7为感叉耦合模型，HFSS中通过设置各个腔之间窗口大小为变量得到窗口与相互耦合系数的关系，根据电路仿真的耦合系数最终确定窗口尺寸。

2.2 抽头的设计

抽头线的耦合方式有直接耦合、电容耦合和电感耦合，根据设计中的带宽要求，本文采用电容耦合的方式，文中采用群时延法确定抽头高度[6]。

在电路仿真中可得到QE，根据公式分别计算每一路的群延时，再用HFSS进行仿真，得到各个端口的耦合结构。图8为GSM1800端口抽头耦合结构与反射时延，图9为UMTS2100端口抽头耦合结构与反射时延。

2.3 全腔仿真设计

全腔仿真设计是在HFSS中建模，把Snp文件导入到ADS中进行参数优化，根据优化结果再到HFSS中修改模型，最终HFSS仿真S参数完全满足合路器设计指标。图10为合路器全腔模型，图11为在ADS中优化后的GSM1800、UMTS2100频段的S参数。

3 合路器实测结果

最后按照设计中所得尺寸进行加工，为了得到更好的品质因数和更低的互调值，加工后对腔体进行镀银。合路器腔体内部结构如图12所示，整体设计尺寸如图13所示，运用小型化设计，合路器整体尺寸为21.8 cm×18 cm×4 cm，达到小型化的要求。合路器在加工、焊接以及装配的过程中会出现一定的误差，因此在加工生产之后要对成品进行调试，以满足设计要求。

本文设计的四端口三频同轴合路器，实测时需要分别对三路信号进行测试（即4端口到1端口，3端口到1端口，2端口到1端口），测试每一路信号的同时另外两路均接匹配负载，如测试1、4端口时，2端口和3端口需接上匹配负载。

使用Agilent E5070B矢量网络分析仪，测试温度为25℃，测试前首先对仪器进行校准。标记合路器输出端为1端口，GSM900输入端为2端口，GSM1800输入端为3端口，UMTS2100输入端为4端口。实测结果如图14所示，表2为合路器仿真与测试结果对比。

4 结束语

本文采用小型化设计，设计出一款小型三频同轴腔体合路器，利用Ansoft Designer对电路进行仿真优化，得到腔体之间的耦合系数的有载品质因数，然后利用HFSS对合路器进行电磁仿真，同时设计合路器的具体结构参数。从样品的测试结果看，在缩小合路器整体尺寸的同时，无论是回波损耗还是隔离度都达到了较高的性能水平。

参考文献：

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