張曉+薛鋒章

【摘 要】

為解決傳統(tǒng)合路器體積重量與損耗不能兼顧的問(wèn)題，提出了一種用于智能天線的內(nèi)置一體化合路校準(zhǔn)網(wǎng)絡(luò)，采用微帶結(jié)構(gòu)，由帶阻合路器和校準(zhǔn)網(wǎng)絡(luò)組成。實(shí)測(cè)結(jié)果表明，合路校準(zhǔn)網(wǎng)絡(luò)的通帶插損小于0.7dB、通帶回波損耗小于-15dB、阻帶抑制大于30dB。該一體化合路校準(zhǔn)網(wǎng)絡(luò)具有集成度高、體積小、重量輕、工藝簡(jiǎn)單等特點(diǎn)，有利于減小智能天線的體積及重量。

【關(guān)鍵詞】

智能天線 合路器 校準(zhǔn)網(wǎng)絡(luò) 最佳帶阻濾波器

1 前言

隨著TD系統(tǒng)的不斷發(fā)展，TD-SCDMA（簡(jiǎn)稱TD-S）系統(tǒng)正向TD-LTE（簡(jiǎn)稱TD-L）過(guò)渡和演進(jìn)，能同時(shí)支持TD-S和TD-L系統(tǒng)的天線可以節(jié)省基站的建設(shè)和維護(hù)成本。目前主要有兩種實(shí)現(xiàn)方案：一種是在TD-S和TD-L頻段分別使用不同的智能天線，每副天線只工作在一個(gè)頻段，該方案的缺點(diǎn)是工程施工及站點(diǎn)選址較困難，建設(shè)成本較高；另一種是使用一副寬頻智能天線同時(shí)覆蓋TD-S和TD-L頻段，再使用合路器將天線與不同頻段的有源設(shè)備相連接[1]。

常用的合路器一般是腔體形式，通常用于天線外部，優(yōu)點(diǎn)是濾波性能好、損耗低，缺點(diǎn)是體積及重量大。另一種實(shí)現(xiàn)方式是采用微帶結(jié)構(gòu)，優(yōu)點(diǎn)是體積小、加工簡(jiǎn)單、重量輕，可置于天線內(nèi)部，缺點(diǎn)是損耗較大。本文提出一種用于F、A頻（1 880—1 920MHz、2 010—2 025MHz，簡(jiǎn)稱FA頻）和D頻（2 555—2 635MHz）的新型智能天線內(nèi)置一體化合路校準(zhǔn)網(wǎng)絡(luò)，采用微帶形式，把合路器和校準(zhǔn)網(wǎng)絡(luò)合并為一體，具有體積小、重量輕的特點(diǎn)。

2 基本原理

2.1 合路校準(zhǔn)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)

一體化合路校準(zhǔn)網(wǎng)絡(luò)電路結(jié)構(gòu)如圖1所示。饋電時(shí)，信號(hào)經(jīng)合路器和定向耦合器進(jìn)入天線；校準(zhǔn)時(shí)，信號(hào)從校準(zhǔn)口進(jìn)入，經(jīng)威爾金森功分器和定向耦合器饋送到合路器輸出，在各個(gè)輸入端口可以觀察到各路的幅相。一體化合路校準(zhǔn)網(wǎng)絡(luò)的重點(diǎn)和難點(diǎn)在于合路器的設(shè)計(jì)，本文將對(duì)此展開(kāi)闡述。

2.2 濾波器綜合原理

為了保證天線整機(jī)性能，合路器應(yīng)保證兩個(gè)頻帶內(nèi)的損耗盡量小，隔離度足夠大。實(shí)際應(yīng)用中，一般要求單個(gè)濾波器通帶最大衰減（LAR）小于0.5dB，阻帶抑制（LAS）大于30dB，同時(shí)通帶回波損耗小于-15dB。

采用不同形式不同結(jié)構(gòu)的濾波器，所需要的階數(shù)不一樣。雙頻合路器一種常用的結(jié)構(gòu)是“低通+高通”。對(duì)于邊緣變化比較陡峭的切比雪夫低通濾波器，假設(shè)截止頻率ω1=2 025MHz，阻帶邊頻ωs=2 530MHz，LAR=0.5dB，LAS=30dB，則利用插損法可以計(jì)算出能實(shí)現(xiàn)的最小階數(shù)：

（1）

可見(jiàn)，采用低通濾波器需要很大的階數(shù)，這是因?yàn)閮蓚€(gè)頻帶靠得近，且低通濾波器本身邊緣不夠陡峭。為了用較小的階數(shù)來(lái)實(shí)現(xiàn)良好的阻帶抑制，可以采用邊緣變化更陡峭的最佳帶阻濾波器（optimum banstop filters）[2，3]。最佳帶阻濾波器基于“開(kāi)路枝節(jié)帶阻濾波器”[4]，充分利用了各開(kāi)路枝節(jié)之間的單位元件，使之具有濾波特性，在不增加開(kāi)路枝節(jié)的前提下，可獲得更高的階數(shù)和更陡峭的邊緣。

設(shè)計(jì)一個(gè)n開(kāi)路枝節(jié)的最佳帶阻濾波器，基于其傳輸函數(shù)[5]：

（2）

其中，ε是通帶波紋常數(shù)，F(xiàn)N為：

（3）

其中，Tn（x）、Un（x）分別為切比雪夫第一類(lèi)和第二類(lèi)函數(shù)，t是理查德變換變量：

（4）

（5）

基于傳輸函數(shù)，利用網(wǎng)絡(luò)綜合理論，可以得出其梯形電路結(jié)構(gòu)。實(shí)際應(yīng)用時(shí)也可以直接查表獲得各個(gè)枝節(jié)的特征阻抗。

3 仿真及實(shí)測(cè)

3.1 濾波器綜合及仿真

對(duì)于FA頻帶阻濾波器，令f0=1 860MHz，f1= 1 360MHz，f2=2 360MHz，開(kāi)路枝節(jié)數(shù)n=3，帶內(nèi)波紋0.1dB，源阻抗Z0=50Ω；對(duì)于D頻帶阻濾波器，令f0= 2 600MHz，f1=2 100MHz，f2=3 100MHz，開(kāi)路枝節(jié)數(shù)n=3，帶內(nèi)波紋0.1dB，源阻抗Z0=50Ω。利用上述的原理和步驟，計(jì)算出各個(gè)枝節(jié)的尺寸，如圖2（a）所示。兩路帶阻濾波器通過(guò)50Ω微帶線連接在一起，調(diào)節(jié)連接線的長(zhǎng)度，優(yōu)化通帶和阻帶特性。單個(gè)帶阻濾波器及其合路后仿真結(jié)果如圖3所示。

圖3 優(yōu)化前仿真結(jié)果

從圖2可以看到，部分枝節(jié)寬度太小，物理實(shí)現(xiàn)有困難。從圖3來(lái)看，合路后兩個(gè)頻帶內(nèi)性能相對(duì)單個(gè)帶阻濾波器性能惡化，通帶插損偏大，超過(guò)了0.5dB，實(shí)際加工后插損可能更大，而回波損耗也比較臨界。因此，理論計(jì)算出來(lái)的模型并不實(shí)用，而簡(jiǎn)單地把兩個(gè)帶阻濾波器合路，得到的電性能也不理想。

3.2 合路器優(yōu)化

實(shí)用的濾波器應(yīng)該易于加工，有一定的公差容限，且具備較好的電性能。因此，需要對(duì)理論結(jié)果進(jìn)行優(yōu)化。合路前后電性能差異大，改變?yōu)V波器部分枝節(jié)的尺寸，可能會(huì)使單個(gè)濾波器電性能惡化，但對(duì)合路后的電性能可能有改善；各個(gè)枝節(jié)的尺寸之間有制約作用；同時(shí)，F(xiàn)A、D頻帶外的特性不屬于考察范圍，可以適當(dāng)犧牲帶外特性以改善帶內(nèi)。因此，可以基于現(xiàn)有模型，利用仿真軟件，對(duì)微帶線的尺寸加以限制，以通帶插損、阻帶抑制和通帶回波損耗作為優(yōu)化目標(biāo)進(jìn)行優(yōu)化，可以得到較優(yōu)解。

一種較好的優(yōu)化尺寸和仿真結(jié)果分別如圖2（b）和圖4所示。優(yōu)化后線寬大小趨于合理，適宜加工。D頻帶阻濾波器尺寸變化較大，開(kāi)路枝節(jié)線寬明顯增大，使得阻帶變寬；串聯(lián)枝節(jié)變短，阻帶中心頻率往高頻移動(dòng)。因此，在1.2—3.2GHz范圍內(nèi)看不到完整的D頻阻帶。同時(shí)，合路器電性能得到改善，通帶插損小于0.35dB，通帶回波損耗小于-25dB，阻帶抑制大于35dB。

圖4 優(yōu)化后的仿真結(jié)果endprint

3.3 實(shí)測(cè)結(jié)果

根據(jù)3.2的優(yōu)化結(jié)果，把開(kāi)路枝節(jié)適當(dāng)彎折，以減小合路器的面積，然后利用三維仿真軟件，在保持良好電性能的前提下微調(diào)尺寸。實(shí)物如圖5（a）所示，測(cè)試結(jié)果如圖6（a）所示。

（a） （b）

圖5 合路器及一體化合路校準(zhǔn)網(wǎng)絡(luò)實(shí)物圖

（a）

（b）

圖6 單個(gè)合路器及合路校準(zhǔn)網(wǎng)絡(luò)測(cè)試結(jié)果

從圖6（a）可以看到單個(gè)合路器通帶回波損耗在-20dB以下，阻帶抑制大于30dB，F(xiàn)A頻通帶插損小于0.3dB，D頻通帶插損偏大，在0.5dB左右。而200mm長(zhǎng)的測(cè)試接頭電纜有0.1～0.15dB的損耗，除掉電纜損耗，則實(shí)際插損更小。

設(shè)計(jì)好單個(gè)合路器后，用定向耦合器和威爾金森功分器把8路合路器連接起來(lái)，形成一體化合路校準(zhǔn)網(wǎng)絡(luò)，其實(shí)物圖如圖5（b）所示，測(cè)試結(jié)果如圖6（b）所示。

從實(shí)測(cè)結(jié)果可以看到，通帶回波損耗小于-15dB，阻帶抑制大于30dB，通帶最大插損接近0.7dB。通帶插損有所增大，是因?yàn)椴糠中盘?hào)被耦合進(jìn)校準(zhǔn)網(wǎng)絡(luò)耦消耗掉了。

4 結(jié)論

本文提出了一種新型的智能天線內(nèi)置一體化合路校準(zhǔn)網(wǎng)絡(luò)，由帶阻濾波器、定向耦合器及威爾金森功分器組成。濾波器部分基于最佳帶阻模型，并通過(guò)優(yōu)化仿真獲得易于實(shí)現(xiàn)的尺寸、較小的通帶插損、通帶回波損耗及良好的阻帶抑制，并通過(guò)進(jìn)一步彎曲等效及微調(diào)，充分利用空間，減小布線面積。

實(shí)測(cè)結(jié)果表明，該合路校準(zhǔn)網(wǎng)絡(luò)通帶回波損耗均在-20dB以下，阻帶抑制大于30dB，通帶插損小于0.7dB（單個(gè)合路器通帶插損小于0.5dB），滿足了使用要求，可內(nèi)置于FA/D獨(dú)立電調(diào)智能天線，適用于TD-SCDMA和TD-LTE混合組網(wǎng)。同時(shí)，該合路校準(zhǔn)網(wǎng)絡(luò)具有集成度高、體積小和重量輕等特點(diǎn)，具有實(shí)用意義。

參考文獻(xiàn)：

[1] 賴展軍，張金峰，孫善求，等. 智能天線及其校準(zhǔn)裝置： 中國(guó)， 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.

作者簡(jiǎn)介

張曉：華南理工大學(xué)電子與信息學(xué)院通信與信息系統(tǒng)專(zhuān)業(yè)碩士，主要研究方向?yàn)橐苿?dòng)通信基站天線。

薛鋒章：華南理工大學(xué)電子與信息學(xué)院研究員，碩士研究生導(dǎo)師，長(zhǎng)期從事天線與微波技術(shù)、移動(dòng)通信領(lǐng)域的科研工作，目前主要研究方向?yàn)橐苿?dòng)通信天線，有多項(xiàng)科研及專(zhuān)利成果，發(fā)表論文多篇。endprint

3.3 實(shí)測(cè)結(jié)果

根據(jù)3.2的優(yōu)化結(jié)果，把開(kāi)路枝節(jié)適當(dāng)彎折，以減小合路器的面積，然后利用三維仿真軟件，在保持良好電性能的前提下微調(diào)尺寸。實(shí)物如圖5（a）所示，測(cè)試結(jié)果如圖6（a）所示。

（a） （b）

圖5 合路器及一體化合路校準(zhǔn)網(wǎng)絡(luò)實(shí)物圖

（a）

（b）

圖6 單個(gè)合路器及合路校準(zhǔn)網(wǎng)絡(luò)測(cè)試結(jié)果

從圖6（a）可以看到單個(gè)合路器通帶回波損耗在-20dB以下，阻帶抑制大于30dB，F(xiàn)A頻通帶插損小于0.3dB，D頻通帶插損偏大，在0.5dB左右。而200mm長(zhǎng)的測(cè)試接頭電纜有0.1～0.15dB的損耗，除掉電纜損耗，則實(shí)際插損更小。

設(shè)計(jì)好單個(gè)合路器后，用定向耦合器和威爾金森功分器把8路合路器連接起來(lái)，形成一體化合路校準(zhǔn)網(wǎng)絡(luò)，其實(shí)物圖如圖5（b）所示，測(cè)試結(jié)果如圖6（b）所示。

從實(shí)測(cè)結(jié)果可以看到，通帶回波損耗小于-15dB，阻帶抑制大于30dB，通帶最大插損接近0.7dB。通帶插損有所增大，是因?yàn)椴糠中盘?hào)被耦合進(jìn)校準(zhǔn)網(wǎng)絡(luò)耦消耗掉了。

4 結(jié)論

本文提出了一種新型的智能天線內(nèi)置一體化合路校準(zhǔn)網(wǎng)絡(luò)，由帶阻濾波器、定向耦合器及威爾金森功分器組成。濾波器部分基于最佳帶阻模型，并通過(guò)優(yōu)化仿真獲得易于實(shí)現(xiàn)的尺寸、較小的通帶插損、通帶回波損耗及良好的阻帶抑制，并通過(guò)進(jìn)一步彎曲等效及微調(diào)，充分利用空間，減小布線面積。

實(shí)測(cè)結(jié)果表明，該合路校準(zhǔn)網(wǎng)絡(luò)通帶回波損耗均在-20dB以下，阻帶抑制大于30dB，通帶插損小于0.7dB（單個(gè)合路器通帶插損小于0.5dB），滿足了使用要求，可內(nèi)置于FA/D獨(dú)立電調(diào)智能天線，適用于TD-SCDMA和TD-LTE混合組網(wǎng)。同時(shí)，該合路校準(zhǔn)網(wǎng)絡(luò)具有集成度高、體積小和重量輕等特點(diǎn)，具有實(shí)用意義。

參考文獻(xiàn)：

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

作者簡(jiǎn)介

張曉：華南理工大學(xué)電子與信息學(xué)院通信與信息系統(tǒng)專(zhuān)業(yè)碩士，主要研究方向?yàn)橐苿?dòng)通信基站天線。

薛鋒章：華南理工大學(xué)電子與信息學(xué)院研究員，碩士研究生導(dǎo)師，長(zhǎng)期從事天線與微波技術(shù)、移動(dòng)通信領(lǐng)域的科研工作，目前主要研究方向?yàn)橐苿?dòng)通信天線，有多項(xiàng)科研及專(zhuān)利成果，發(fā)表論文多篇。endprint

3.3 實(shí)測(cè)結(jié)果

根據(jù)3.2的優(yōu)化結(jié)果，把開(kāi)路枝節(jié)適當(dāng)彎折，以減小合路器的面積，然后利用三維仿真軟件，在保持良好電性能的前提下微調(diào)尺寸。實(shí)物如圖5（a）所示，測(cè)試結(jié)果如圖6（a）所示。

（a） （b）

圖5 合路器及一體化合路校準(zhǔn)網(wǎng)絡(luò)實(shí)物圖

（a）

（b）

圖6 單個(gè)合路器及合路校準(zhǔn)網(wǎng)絡(luò)測(cè)試結(jié)果

從圖6（a）可以看到單個(gè)合路器通帶回波損耗在-20dB以下，阻帶抑制大于30dB，F(xiàn)A頻通帶插損小于0.3dB，D頻通帶插損偏大，在0.5dB左右。而200mm長(zhǎng)的測(cè)試接頭電纜有0.1～0.15dB的損耗，除掉電纜損耗，則實(shí)際插損更小。

設(shè)計(jì)好單個(gè)合路器后，用定向耦合器和威爾金森功分器把8路合路器連接起來(lái)，形成一體化合路校準(zhǔn)網(wǎng)絡(luò)，其實(shí)物圖如圖5（b）所示，測(cè)試結(jié)果如圖6（b）所示。

從實(shí)測(cè)結(jié)果可以看到，通帶回波損耗小于-15dB，阻帶抑制大于30dB，通帶最大插損接近0.7dB。通帶插損有所增大，是因?yàn)椴糠中盘?hào)被耦合進(jìn)校準(zhǔn)網(wǎng)絡(luò)耦消耗掉了。

4 結(jié)論

本文提出了一種新型的智能天線內(nèi)置一體化合路校準(zhǔn)網(wǎng)絡(luò)，由帶阻濾波器、定向耦合器及威爾金森功分器組成。濾波器部分基于最佳帶阻模型，并通過(guò)優(yōu)化仿真獲得易于實(shí)現(xiàn)的尺寸、較小的通帶插損、通帶回波損耗及良好的阻帶抑制，并通過(guò)進(jìn)一步彎曲等效及微調(diào)，充分利用空間，減小布線面積。

實(shí)測(cè)結(jié)果表明，該合路校準(zhǔn)網(wǎng)絡(luò)通帶回波損耗均在-20dB以下，阻帶抑制大于30dB，通帶插損小于0.7dB（單個(gè)合路器通帶插損小于0.5dB），滿足了使用要求，可內(nèi)置于FA/D獨(dú)立電調(diào)智能天線，適用于TD-SCDMA和TD-LTE混合組網(wǎng)。同時(shí)，該合路校準(zhǔn)網(wǎng)絡(luò)具有集成度高、體積小和重量輕等特點(diǎn)，具有實(shí)用意義。

參考文獻(xiàn)：

[1] 賴展軍，張金峰，孫善求，等. 智能天線及其校準(zhǔn)裝置： 中國(guó)， 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.

作者簡(jiǎn)介

張曉：華南理工大學(xué)電子與信息學(xué)院通信與信息系統(tǒng)專(zhuān)業(yè)碩士，主要研究方向?yàn)橐苿?dòng)通信基站天線。

薛鋒章：華南理工大學(xué)電子與信息學(xué)院研究員，碩士研究生導(dǎo)師，長(zhǎng)期從事天線與微波技術(shù)、移動(dòng)通信領(lǐng)域的科研工作，目前主要研究方向?yàn)橐苿?dòng)通信天線，有多項(xiàng)科研及專(zhuān)利成果，發(fā)表論文多篇。endprint