移动通信中微带双工器的设计与仿真

电子科技 2006年第1期（总第196期）

移动通信中微带双工器的设计与仿真

张纪明，肖 智，鄢泽洪

（西安电子科技大学 电子工程学院，陕西 西安 710071)

摘 要 本文介绍了用于无线移动通信中双工器的设计原理和方法，该双工器采用微带发夹型结构，由两个窄带带通滤波器（BPF）通过适当的匹配电路组成。文中给出了这两个带通滤波器的详细设计步骤，设计仿真结果与实际测量结果吻合良好。

关键词 双工器；带通滤波器；微带；发夹线 中图分类号 TN713

Design and Simulation of the Microstrip Diplexer

in the Mobile Communication System

Zhang Jiming, Xiao Zhi, Yan Zehong

(School of Electronic Engineering, Xidian University, Xi′ an 710071, China)

Abstract This paper describes the principle of and method for the design of the diplexer in the mobile communication system. The diplexer adopts the microstrip hairpin-line structure. It is composed of two narrow bandpass filters connected with suitable matching circuits. The detailed design process of the two filters is introduced. The results of simulation and measurement are in good agreement.

Keywords Diplexer; bandpass filter (BPF); microstrip; hairpin-line

目前，微波通信系统的发展异常迅速，微波双工器在微波设备中占有非常重要的地位。因为在各个微波频段中，各种系统的频率拥挤，再加上多信道实时双向通信的要求，就必须在设备前端设计多通道的波道合成和分离器件。因此双工器是无线通信中能使接收和发射端同时运作的重要器件之一。在双工无线通信中采用分频多工系统（FDM），发射信号和接收信号的频带是分开的，从而要求双工器区分开发射波和接收波而使发射器和接收器共享一个天线。一般的双工器是由发射端滤波器，接收端滤波器和结合电路组成。结合电路是为了减少发射端滤波器和接收端滤波器的互相影响而加入的相位调整电路，是由传输线，电阻，电容等电抗元件组成。

本文所设计的双工器是用于手机干扰器中，为

收稿日期：2005-08-04

作者简介：张纪明（1979—）女，硕士研究生，研究方向：微波射频。

方便与电路板相集成，节约成本，同时减小整个干扰器的体积和减少天线个数。我们采用介电常数较低且介质损耗较小的板材设计双工器。匹配电路是两段不同中心频率对应的四分之一波长通过一个T型接头连接。 1 双工器的结构

双工器为三端口网络，图1为其示意图。本文所介绍的双工器为频选型，其结构如图2所示，由两个带通滤波器通过匹配电路组成，它的分支接头采用简单的“T”型头，将两个BPF分别调谐于发频和收频，从而满足端口1与2之间的隔离度。为使电路中总的输入导纳在两个BPF的通带里为一恒定实常数，使每个BPF仍然保持原来的特性，则将两个BPF各自通过λ/4传输线阻抗变换后再接到天线端，这样每个BPF输入端对另一个BPF相当于短路，经λ/4阻抗变换后变为开路，于是两个BPF互不影响。

5

移动通信中微带双工器的设计与仿真

f1

f2

介质板的有效介电常数εe有关。

（a）分析

对于窄带微带线(W/h≤1) 有：

?1?12??WW????? εe=（4） +??1+12???+0.04?1???

22???h?

??h??????

?1

??

Z0= （5）

1,f2f

εr+1εr?1???

图1 双工器结构示意图

对于宽带微带线(W/h>1) 有：

?1

εr+1εr?1??W?? （6） +εe=?1+12?

??22??h????

?1

??（7） Z0=+1.444????

（b）综合

?1

令： A=

图2 频选型双工器结构示意图

2 带通滤波器（BPF）的设计

因为该双工器是用于移动通信手机干扰器中，为了在MMIC中方便于集成，我们采用介电常数为2.65的微带结构设计双工器。两窄带带通滤波器采用发夹型，它与平行耦合线带通滤波器相比具有更紧凑的结构。

发夹型滤波器是由发夹型谐振器并排排列耦合而成，其信号输入输出方式可以采用抽头式和平行耦合方式。本文采用平行耦合式，滤波器的性能由滤波器的各参数值确定，参数包括：发夹线长，线宽，发夹间距。下面将详细介绍设计步骤。

（1）发夹线长（L）的确定

由于发夹型微带滤波器是由1/2波长的平行耦合线滤波器变形得来，所以发夹线长为

L=λg/4 （1）其中 λg=λ0/ （2） （λ0是滤波器中心频率的自由空间传播波长） 介质板的有效介电常数为

Z0?εr+1??εr?1??0.11?

0.23++??

? （8）???

60?2??εr+1??εr?

2

（9） B=

3exp(A)W

（10） =

hexp2A?2

12

当A>1.52时，有

当A≤1.52时，有

W2?εr?1?0.61????（11） lnβ10.39=?β?1?ln(2B?1)+?+?()???hπ?2εr?εr????

（3）发夹间距（s）的确定

因为发夹间距（s）和发夹间内部耦合系数（k）有对应关系，它们的关系可以做实验求取，图3是用full-wave simulation得到的耦合系数与间距之间的关系曲线。仿真条件为：介电常数为2.65

，介质板厚为1mm，线宽为1.86mm。线长为60mm，臂间距为1.4mm。

耦合系数由下式计算：

ki,i+1=

i=1，2，3，...，n -1 （12） 式中n是滤波器的阶数，i是发夹序号，FBW是相对中心频率的归一化带宽，gi是滤波器低通原型中的第i个归一化元件值。有上式计算的值可以在图中确定发夹间的间距（s）。

（4）输入输出平行耦合间距的确定

1+εrεr?112h?1

εe=+(1+2 （3）

W22

（2）发夹线宽（W/h）的确定

发夹线的线宽与微带线的实际特性阻抗Z0和6

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3 应用ansoft designer进行电路与

电磁仿真

由以上原理和设计步骤，可以综合出带通滤波器的初始尺寸，然后在ansoft designer的circuit中建立电路模型，并且设置合适的优化目标进行优化。在电路仿真的基础上再进行EM电磁仿真，对

s/mm

k

结构进一步调整。

4 双工器设计

根据指标要求，我们按照上面给出的设计步骤设计一个微带双工器。该双工器的两个带通滤波器的通带分别为855MHz-895MHz和935MHz-970MHz。规定使用的板材的介电常数为2.65，厚度为1mm，损耗角正切值为0.0005。经综合考虑，该设计采用切比雪夫滤波器，通带内波纹为0.1dB，n=3。查表得：g0= g4=1；g1= g3=1.0315；g2=1.1474。

考虑到制板时的光刻精度，尽量使结构中的缝隙大于0.1mm,我们取微带线的特性阻抗为65?，采用宽带微带线，即W/h>1的情况。于是，根据步骤（2）可以确定线宽。根据式（3），（2），（1）就能得出发夹线长，再减去由式（8）确定的修正长度，就得到发夹线的实际线长。由步骤（3）可以计算出跟发夹间距有关的耦合系数，这里，在计

图3 耦合系数与间距关系曲线

它由外部耦合系数决定，由下式计算：

k=

g0g1

（13） FBW

根据耦合间距和耦合系数的关系，结合全波电磁仿真得到的实验设计图，如图4示，可以确定输入输出耦合间距。

504540353025201510s/mm

k

算相对带宽时，我们有意增加1%，因为，由于各

种因素，微带线的损耗会比较大，导致实物测量时的截止频率处曲线比较圆滑，计算时适当增加相对带宽可保证将来的实物在测量时满足通带指标要求。通过步骤（3），（4）中的实验设计图，可以得到发夹线间距和输入输出平行耦合间距。综上得到的初始尺寸如表1和表2。

表1 电路的初始几何尺寸(长度单位：mm)

（频段：855-895MHz）

1

S2

S3

图4 输入输出耦合间距与耦合系数关系曲线

（5）对发夹线长度l的缩短修正?l

在微带电路中常有微带截断的情形，微带线截断的目的是为了得到一个开路端。而在截断端附近，电场的分布发生变形，截断端并不是简单的开路端，相当于接了一个电容负载，而电容等效于一小段理想开路线。即等效的开路截面比微带的实际截断端向外延伸了一段?l。等效的长度延伸?l由下式决定：

W

+0.264) （14） ?l=0.412

(εe?0.258)(+0.8)

h

(εe+0.3)(

其中，W是微带线的宽度，h是介质板厚度，εe是介质板的有效介电常数，可由（3）式计算。

表2 电路的初始几何尺寸(长度单位：mm)

(频段：935-970MHz)

1

S2

S3

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将上面的初始尺寸代入到在Ansoft Designer中建立的电路模型中，然后在此基础上经过设置合适的优化目标，进一步优化。优化后得到的尺寸如表3和表4。（长度单位：mm）

表3 电路优化后的几何尺寸（长度单位：mm）

（频段：855-895MHz）

1

S2

S3

1.09 表4 电路优化后的几何尺寸（长度单位：mm）

(频段：935-970MHz)

1

S2

S3

图7 双工器加工实物图

6 结束语

本文设计的双工器要求是微带结构，而微带结构有损耗偏大的缺点，损耗主要归结于介质损耗，SMA接头损耗，以及微带线间的交叉耦合造成的损耗等等。为了能使滤波器的带内插损尽量小，可以在设计过程中适当增加带宽，因为带宽随发夹间距的减小而增大，尤其是第一级和最后一级的间距，间距越小，耦合度越大，这样在1，2端口隔离度要求不高的情况下，可以最大限度地减小带内差损。其次，通常设计时所取的中心频率与实际制板所测得的频率往往有偏移，所以根据第一次投板实验得到的偏移量，我们可以在设计时将这个偏移量计算在内就能使投板后的测量频率与要求相吻合。该双工器实际测量结果与设计仿真值相吻合，符合设计要求，已投入实际应用中。 参考文献

根据优化得到的尺寸，进行EM电磁仿真，仿

真结果如图5，带内插损小于1.1dB

。图7是双工器的加工实物图，将加工的实物焊接SMA接头，用矢量网络分析仪测量。图6是实际测量的结果，测量得出带内插损分别小于1.6dB和1.7dB，可以看出测量值与仿真值吻合良好。结果满足要求。

1 清华大学编. 微带电路. 北京: 人民邮电出版社, 1976.

2 甘本祓, 吴万春. 现代微波滤波器的结构与设计. 北京: 科学出版社, 1973.

3 Morikazu Sasawa,Kenichi Takahashi, Mitsuo Makimoto Miniaturized haiepin resonator filters and their application to receiver front-end MIC’S.IEEE Trans Microwave Theory Tech. 1989, MTT-37(12), 1991～1996.

4 Cristal E G, Frankel S. Hairpin-line and hairpin-line/ half- wave parallel-coupled-line filters IEEE. Trans MTT, 1972, 20 (11): 719～728.

5 Pramanick P. Compacts 900-MHz Hsirpin-Line Filters Using High Dielectric Constant Microstrip line. International Journal of MMWCAE, 1994, 4 (3): 272～281.

6 Hong Jia-sheng, Lancaster M J. Microstrip filters for RF/ microwave applications. New york: John Wilrk&Sons. Inc, 2001. 29～161.

图5 EM仿真结果

图6 测量结果

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