一种低损耗频分复用多工器的设计与仿真

作者 姜汝丹1，2 汪波1 1.京信通信技术(广州)有限公司南京研发中心(江苏 南京 210014) 2.南京京迪通信设备有限公司(江苏 南京 210014)

姜汝丹(1982-)，男，硕士，工程师，主要研究方向：微波天线、微波与卫星通信的天馈子系统。汪波(1989-)，本科，工程师，主要研究方向：微波无源器件。

摘要：本文介绍了一种基于带通滤波器和环行器构建的频分复用的多工器，提出了工程设计及仿真流程，通过8GHz微波频段的2+1频分复用(FD)的多工器实例进行验证，实现311.32 MHz收发间隔、28 MHz信号带宽的三工收发，且仿真与测试结果较为吻合，设计方法合理、有效。

0 引言

　　微波通信是目前国际上常用的无线通信手段之一，广泛应用于数据传输、广播电视传送、卫星通信、移动通信等领域。随着微波通信需求的增长，由微波天线组成的点对点或点对多点的通信网络越来越密集，微波系统之间产生互相干扰的潜在风险越来越大。因此，通信网络希望所使用的设备数量要尽可能的少、功能尽可能的丰富、同时室外整体体积尽可能的小，也就是希望尽量使一跳收发信机可以同时使用更多的信道和频谱资源，也就是希望在射频前端集成有频分复用的多工分合路器。尤其是对于大容量、长距离的微波传输系统，整个链路需要较多的信道数来保证传输容量。

　　传统的多工分合路器，一般都是采用耦合电桥加双工器/滤波器多级级联而成，这样的多工器结构比较复杂，甚至为了补偿耦合电桥的传输插损，每个通道需要多个滤波器/双工器和多个耦合电桥，造成物理尺寸较大、插损也较大，相应的成本也比较高，尤其是使用耦合电桥，因其耦合量的存在造成一部分能量的损失，并且很难实现一套设备具有收/发双工的双向传输功能，从而使系统的射频配置要翻倍。

　　立足于工程设计和优化，本文介绍了基于一种带通滤波器和环行器构建的频分复用的多工器^[1,2]的工程实例及其设计仿真流程，不仅整体结构紧凑，采用较少的器件实现收/发双工以及空间分集功能，使整个子系统的插损性能更优，而且性能良好、工艺和成本较优，并应用于实际工程产品。

1 多工器的基本构造

　　通信系统中的多工器，其作用主要是划分宽带信号为若干窄带信号或者信道，同时由于微波网络的互异性，还要在同一部件内分离发射和接收频段。多工器网络最常见的结构^[2]有混合电桥耦合型结构、环行器耦合型结构、定向滤波器型结构、多支节耦合型结构等型式。考虑到工程应用及模块化设计的理念，本文采用的结构为环行器耦合型多工器。

　　如图1所示，最基本的环行器耦合型多工器，其每个信道由一个环行器和一个带通滤波器组成，环行器的单向性使其可以方便地进行模块化的集成设计，且信道滤波器之间可以做到无相互影响，结构较为简单、紧凑。每个信道的插入损耗为信道滤波器的插入损耗与信道路径上的所有环行器插入损耗之和，较混合电桥耦合型结构多工器有较小的链路插损，且比多支节耦合型多工器具有简洁的设计和灵活的频率规划等特点。

　　由于环行器具有方向性，通过选择不同的分支端口，可以实现接收或是发射信道，即构成频率复用的分路器或者合路器。

2 8GHz频段 2+1 FD多工器的设计

　　相对于10 GHz以上甚至毫米波频段的较大的雨衰特性，8 GHz频段为微波传输系统常用频段，尤其在主干网的点对点长距离、大容量传输有着广泛的应用。按照国际通信联盟(ITU)的频段划分，如图2所示，8 GHz频段(7.725-8.500 GHz)在±275 MHz频段内，最多八个前向和八个返回频道的射频频道配置，每个频道最大可容纳29.65 MHz带宽的信号，其收发间隔为311.32 MHz^[3]。

　　根据微波传输系统的应用需求，本文设计的8 GHz频段2+1 FD多工器其结构拓扑如图3所示，其中三个信道为接收信道、三个信道为发射信道。根据结构拓扑，本文中的三工器的设计可以将具体器件的性能指标独立去耦，即单独对环行器和带通滤波器进行器件级设计，所以在系统级仿真软件AWRDE(AWR Design Environment)中进行建模。

　　美国NI公司的AWR设计环境高频软件^[4]是一款微波/射频方面器部件和系统级设计的仿真工具，兼有电路和电磁场建模仿真，对于较为复杂的微波无源子系统的仿真和优化具有较高的效率和准确性。考虑到总端口的环行器具有较好的方向性，收/发信道可去耦，即可分别对接收和发射信道进行拆分，在AWRDE中进行建模，如图4所示。

　　值得特别注意的时，带通滤波器的性能指标是多工器的设计重点和难点。在常规的140 Mbit/s容量或同步数字系列比特率的数字固定无线系统中，8 GHz频段系统工作的信号带宽为28 MHz，所以对每个信道的带通滤波器，需考虑温漂影响和相邻信道的“路径失真”[2,5]影响：即对相邻信道的给定频率的抑制超过40~50 dB，则几乎对反射响应没有影响;而若给定频率的抑制在5~10 dB之间，则将引起其通带内幅度和群时延的极大变化，引起信号带内失真。以发射信道[即图4(b)所示模型]为例，如图5所示，对其进行仿真，可以看出不同邻道抑制程度的对相邻信道的影响，每个信道的传输特性，除了本身信道滤波器的贡献外，还包括后接信道的反射特性，尤其是当抑制度不够时，每个信道的右侧会被相邻的更高频信道的左侧影响，从而使信道内产生畸变。

　　相比于多支节耦合型多工器复杂的设计和优化流程^[2,5]，环行器耦合型多工器设计重点聚焦到了信道滤波器的设计上，通过设计和优化信道滤波器实现多工器的系统性能。微波传输系统应用的多工器通常的工作温度要求是-5 ℃~+45 ℃，即50度的温变范围;另一方面，8 GHz频段的系统工作的信号带宽为28 MHz，相对于频谱规划的29.65 MHz的信道间隔，两侧共只有1.65 MHz的设计余量，由此针对滤波器本身的设计选型即要求高Q值且高热稳定性的类型，本文采用的工作模式为TE01δ的介质谐振器构成的腔体滤波器。关于单模介质腔体滤波器的设计^[2,5-7]本身有较成熟的方法和设计，其仿真工具有包括HFSS、uwave等商用软件，而对于多工器设计而言，主要是确定信道滤波器的性能要求，所以本文不再赘述介质滤波器的设计。根据仿真的情况，如图6所示，发射信道的信道滤波器设计性能要求无载Q值>12000，其性能大致为：-1 dB带宽26.5 MHz、-3 dB带宽30 MHz、且间隔±29.65 MHz的抑制要求>55 dB。

3 样机及测试结果

　　根据仿真情况，如图3拓扑搭建8 GHz频段2+1 FD多工器，其中环行器采用隔离度23 dB的结型环行器，信道滤波器采用七腔TE01δ单模介质滤波器，通过低损射频跳线实现系统搭建，样机如图7所示，其低频带为发射信道，高频带为接收信道，其仿真结果如图8所示，收/发链路中中间信道(即Ch2和Ch2’)的测试结果如图9所示，通过对比结果基本吻合、仿真与测试的一致性较好;只是因为仿真链路中的损耗较为理想(未计算跳线的插损和失配性插损)，而实际样机的插损会略大一些，但对于一般的微波传输系统而言，一跳收发链路的插损小于8.5 dB，可满足应用需求。

4 结语

　　本文介绍了一种应用在微波传输系统中的带通滤波器和环行器构建的多工器，实现311.32 MHz收发间隔、28 MHz信号带宽的2+1 频分复用/收发三工，在AWRDE软件中进行系统建模与设计，通过实际样机进行比对，其仿真与测试结果较为吻合，由此设计方法合理、有效。

　　参考文献：

　　[1]京信通信系统(中国)有限公司. 一种频率复用和空间分集多工器[P]. CN203826520U, 2014.

　　[2]R.J. Cameron等著, 王松林等译. 通信系统微波滤波器[M]. 北京:电子工业出版社, 2012.10.

　　[3]ITU-R F.386-9. 工作于8 GHz(7725-8500MHz)频段的固定无线系统的射频频道配置[S]. 2013/02.

　　[4]NI AWR Design Environment. http://www.awrcorp.com/

　　[5]R.J.Cameron, Ming Yu. Design of Manifold-Coupled Multiplexers[J]. IEEE Microwave Magazine, 2007, 10:46-59.

　　[6]京信通信系统(中国)有限公司. 腔体介质滤波器[P]. CN101630768 A, 2010.

　　[7]NEC Corporation. Filter with Dielectric Resonators [P]. US4757289, 1988.

　　本文来源于《电子产品世界》2018年第11期第57页，欢迎您写论文时引用，并注明出处。