（通信与信息系统专业论文）wcdmatdscdmawlan四频基站合路器的仿真与设计.pdf

江苏大学硕士毕业论文 摘要 摘要 目前我国的移动通信市场正处于第二代( 2 g ) 和第三代( 3 g ) 系统过渡的 阶段，尤其是具有我国自主知识产权的t d s c d m a 技术进入开发试用阶段，使 的2 g ，3 g 多种通信制式同时存在的现象成为必然。目前，在保证有效降低移动 通信网络建设成本的前提下，实现2 g 到3 g 的过渡最有效的方法就是多网兼容。 而在多网共用基站天线的系统中，完成信号分离与合成的多频合路器是实现多网 兼容的一个关键。本论文针对移动通信市场的兼容需要，成功设计了一款覆盖 w c d m a ( 上、下行) 姗a n t d s c d m a 四个频段的合路器，并介绍了其设 计理论基础和仿真调试过程。 首先，论文从合路器的基础微波滤波器讲起，介绍了滤波器的网络设计理论， 重点讨论了广义切比雪夫滤波器的综合设计方法，并针对几种常用结构采用的不 同的方法进行了化简，包括利用旋转法实现折叠型结构，利用牛顿一拉夫申迭代 算法实现轮型结构和c t ，c q 级联结构。通过化简可得到相应结构的耦合系数， 为合路器的仿真设计提供依据。 其次，论文介绍了微波滤波器实现的具体步骤和方法，并完成对w c d m a 上行、w c d m a 下行、t d s c d m a 和w l a n 四频合路器的设计。由于w c d m a 上行与t d s c d m a 频段间仅有3 0 m h z 的间隔，这样要为实现6 0 d b 以上的带外 抑制带来了困难。为此，本文采用交叉耦合技术分别在其带外单侧实现零点，从 而有效得提高了带外抑制的效果；另外还对合路端口进行优化设计和仿真，有效 得减小了合路端口各系统间的干扰。所设计的新型四频合路器通过信息产业部电 子第五研究所元器件检测中心的测试，各项指标良好。 最后，论文针对制约滤波器、合路器生产的调试问题，提出一种基于人工的 快速调试技术，以有效得的提高调试效率，并且针对这款合路器开发了一套计算 机辅助调试系统，用于指导非熟练工人独立完成合路器的调试工作。 关键词：合路器，微波滤波器，耦合矩阵，计算机辅助调试 江苏大学硕士毕业论文 a tp r e s e n t , w i t ht h ed e p l o y m e n to ft h et d - s c d m at e c h n o l o g y , c h i n ah a sg o ti n t ot h e s p e c i a ls t a g ei nw h i c ht h et h i r d - g e n e r a t i o nm o b i l ec o m m u n i c a t i o n s ( 3 g ) i st r a n s i t i n g t h e s e c o n d - g e n e r a t i o nm o b i l ec o m m u n i c a t i o n s ( 2 g ) t h ee x i s t e n c eo fm a n yc o m m u n i c a t i o n ss y s t e m s h a sb e c o m ei n e v i t a b l e i nt h ec a s eo fr e d u c i n gt h ec o s to ft h em o b i l ec o m m u n i c a t i o nn e t w o r k c o n s t r u c t i o n , m u l t i - c o m p a t i b i l i t y i st h em o s te f f e c t i v ew a yo fa c h i e v i n gt h i st r a n s i t i o n i nt h e s y s t e m so fm u l t i - n e t w o r ks h a r i n gt h eb a s es t a t i o na n t e n n a , m u l t i 一丹e q u e n c yc o m b i n e rw h i c hi s u s e dt os e p a r a t ea n ds y n t h e s i z et h es i g n a l si st h ek e yt or e a l i z em u l t i c o m p a t i b l e f o rs u c h c o n s i d e r a t i o n , m i c r o w a v ec o m b i n e rf o rt d s c d m aa v c d m a w l a nb a s e s t a t i o nw i l l b e d e s i g n e d ，s i m u l a t e da n d t u n e d f i r s t i y ，t h ed e s i g nt h e o r yo fm i c r o w a v ef i l t e r i si n t r o d u c e d ，b e c a u s eam u l t i - f r e q u e n c y c o m b i n e ri sc o m p o s e do ft w oo rm o r em i c r o w a v ef i l t e r s g e n e r a l i z e dc h e b y s h e vt h e o r ya n dt h e s y n t h e s i sp r o c e d u r e a r e p r e s e n t e d d i f f e r e n to p t i m i z a t i o nm e t h o d s ，s u c h a sr o t a t i o n , n e w t o n - r a p h s o na 佗u t i l i z e dt os i m p l i f yt h ec o u p l i n gm a t r i xf o rs o m ec o m m o nm i c r o w a v ef i l t e r s t r u c t u r e s t h r o u g ht h eo p t i m i z a t i o np r o c e s s ，t h ec o u p l i n gc o e f f i c e n t sa r eg a i n e dt ob eu s e di nt h e f i l t e re m u l a t i o n s e c o n d l y , t h ed e s i g no ft h ew c d m a t d s c d m a w l a nc o m b i n e ri si n t r o d u c e d s i n c e t h e r ei so n l y3 0 m h zb a n d w i d t hb e t w e e nt h ew c d m au p l i n kb a n da n dt d s c d m ab a n d , t h e r e q u i r e d6 0 d bi s o l a t i o ni sn o tt ob ea c h i e v e d s ot h ec r o s s - c o u p l i n gs t r u c t u r ei sa d o p t e d t og e t a d d i t o n a lz e r oi no r d e rt oa c h i e v et h ei n t e r b a n di s o l a t i o n t h ec o m b i n e ri sd e s i g n e da n do p t i m i z e d b yu s i n ga n s o f lh f s sa n dd e s i g n e r , a n da f a rs e v e r a lt i m e so fo p t i m i z a t i o n , t h ei n t e r f e r e n c e b 咖e e nd i f f e r e n tc h a n n e l sh a sb e e nl a r g e l yr e d u c e d t h i sc o m b i n e rw a st e s t e db yc h i n a e l e c t r o n i cp r o d u c tr e l i a b i l i t ya n de n v i r o n m e n tt e s t i n gr e s e a r c hi n s t i t u t e ，a n di tm e a s u r e du pt oa g i v e ns t a n d a r d f i n a l l y , t h et u n i n ge f f i c i e n c ya l w a y sc o n s t r a i n st h ef i l t e ra n dc o m b i n e rp r o d u c t i o n i nt h i s c a s e ，ar a p i dm a n u a lt u n i n gt e c h n o l o g yb a s e do nt h er e f e c t i o ng r o u p - d e l a yi sa d o p t e di no r d e rt o i m p r o v et h et u n i n ge f f i c i e n c y i na d d i t i o n , t h ec o m p u t e r - a i d e dt u n i n gs y s t e mo f t h i sc o m b i n e rh a d b e e nd e s i g n e dt og u i d et h en o - s k i l l e dw o r k e rt oa c h i e v et h et u n i n gj o b k e yw o r d s ：c o m b i n e r , m i c r o w a v ef i l t e r , c o u p l i n gm a t r i x , c o m p u t e r - a i d e dt u n i n g 江苏大学硕十毕业论文第一章绪论 1 1 研究意义 第一章绪论 现代移动通信技术的发展始于本世纪2 0 年代，大致经历了五个发展阶段。 从8 0 年代中期开始，进入了数字蜂窝移动通信时代，也就是现在我们通常说的 第二代移动通信系统( 2 g ) 。随着经济生活的发展，人们对高速率，全球兼容性 和多媒体业务的需求导致第三代移动通信系统( 3 g ) 的发展。第三代移动通信 系统最早1 9 9 5 年由国际电信联盟i n t e r n a t i o n a lt e l e c o m m u n i c a t i o n su n i o n ，兀u 提 出，当时称为未来公众陆地移动通信系统，1 9 9 6 年更名为i m t - 2 0 0 0 ( 际移动通 信2 0 0 0 ) ，意即该系统工作在2 0 0 0 m h z 。其中发展比较成熟的技术是：美国的 c d m a 2 0 0 0 。欧洲的w c d m a ，我国的t d s c d m a 。 目前我国正处于2 g 和3 g 系统过渡的阶段，特别是具有我国自主知识产权 的t d s c d m a 技术进入开发试用阶段，使的未来2 g ，3 g 多种通信制式同时存 在的现象成为必然。如果各个移动通信系统均要独立布设的基站，这不仅造成的 资源上的浪费，而且由于各个系统为了覆盖同一区域，基站的建设地点相互邻接， 这必然导致系统间的干扰，降低通话质量，系统容量缩小。为解决这一问题，在 国内各大移动业务运营商在网络建设及在室内覆盖网络建设中，从投资成本、维 护成本以及物业所有人要求等角度出发，希望在工程中采取基站共址建设模式的 呼声日益高涨i l j ，这主要基于以下几个方面的原因考虑 2 1 ： 1 3 g 网络投资巨大 谈起3 g 的时候，人们往往会津津乐道于它能给我们带来的诸如可视电话、 让电脑离开办公室等一系列新鲜业务的体验。其实，我们还应该关心业务身后的 网络建设成本问题。在3 g 网络的初期投资中，无线接入网的投资是很大的一块， 占总投资的6 0 - - 7 0 ，这里包括对3 g 基站、天线等设备的采购和网络搭建。 运营商要解决3 g 网络的覆盖，假设不考虑网络的追加成本，仅网络建设投资就 会超过1 0 0 0 亿元人民币。如果中国的四大电信运营商都获得了3 g 牌照，那么， 运营商用在网络搭建上的投资至少有6 0 0 0 亿元人民币。 2 城市无线通信基站选址越来越难 快速发展的无线通信正在改变人们的生活方式和思维模式，也给城市规划、 城市建设带来了一些不可回避的问题。新建和优化的基站选址、实现无线通信无 缝连接变得越来越难。因此，对于未来将要加入3 g 市场的新无线通信运营商来 说，站址的选择并不是件容易的事情，如何构建自己的无线通信网络将是一个迫 切需要解决的问题。 江苏大学硕士毕业论文第一章绪论 3 发展3 g 强势呼唤基站共址 目前，中国的无线通信基站已经超过了3 0 万个，小灵通基站超过了6 0 万个。 中国在g 网、c 网以及p 网的建设和覆盖方面都积累了相对成熟的经验。现有 的无线通信运营商拥有较成熟的无线网络和相应的站址，完全的资源共享和基站 共址能够实现3 g 投资的最小化。有效利用站址、交换机、基站及其附属设施等 现有网络资源成为降低3 g 成本的主要方式。但要做到这一点并非易事，因为未 来拥有3 g 牌照的将不仅仅是现有的无线通信运营商，基站共址因此呼声渐高。 并且也专家表示，从技术角度讲，2 g 3 g 网络资源共用是完全可能的，这在德国 和瑞典等3 g 市场已经得到证实。 针对这一情况，本文设计的新型多频合路器主要是为了满足w c d m a ( 上 行1 9 2 0 m h z 1 9 8 0 m h z ，下行2 1 1 0 m h z 2 1 7 0 m h z ) 、w l a n ( 2 4 0 0 m h z 2 4 8 3 m h z ) 、 t d s c d m a ( 2 0 1 0 z 2 0 2 5 姗z ) 三网共用基站的建设和兼容的需要。下面简 要介绍三个系统的技术特点： w c d m a ( w i d e b a n dc o d ed i v i s i o nm u l 卸l ea c c e s s ) 是一种由3 g p p 具体制定 的，基于g s mm a p 核心网，u t r a n ( u m t s 陆地无线接入网) 为无线接口的 第三代移动通信系统。目前w c d m a 有r e l e a s e9 9 、r e l e a s e4 、r e l e a s e5 、r e l e a s e 6 等版本。w c d m a ( 宽带码分多址) 是一个r r u ( 国际电信联盟l 标准，它是从 码分多址( c d m a ) 演变来的。w c d m a 采用直接序列扩频码分多址 ( d s c d m a ) 、频分双工( f d d ) 方式，码片速率为3 8 4 m c p s ，载波带宽为5 m h z 基于r e l e a s e9 9 r e l e a s e4 版本，可在5 m h z 的带宽内，提供最高3 8 4 k b p s 的用 户数据传输速率。w c d m a 能够支持移动手提设备之间的语音、图象、数据以 及视频通信，速率可达2 m b s ( 对于局域网而言) 或者3 8 4 k b s ( 对于宽带网而 言) 。输入信号先被数字化，然后在一个较宽的频谱范围内以编码的扩频模式进 行传输【3 1 。 无线局域网w l a n ( w i r e l e s sl 0 c a la r e an e t w o r k ) 则是计算机网络与无线通 信技术相结合的产物。它以无线多址信道作为传输媒介，实现传统有线局域网的 功能。无线局域网( w l a n ) 的数据传输速率现在已经能够达到5 4 m b p s ，传输 距离可远至2 0 k m 以上。无线联网方式是对有线联网方式的一种补充和扩展，使 网上的计算机具有可移动性，能快速、方便的解决以有线方式不易实现的网络联 通问题。无线局域网把计算机网络和移动应用有机得结合在一起，克服了有线局 域网的不足，随着各种技术、标准的完善，无线局域网将越来越成熟，为人们提 供一个高速、灵活的多媒体网络，发展潜力很大1 4 】。 t d s c d m a ( t u n ed i v i s i o n s y n c h r o n o u sc o d ed i v i s i o nm u l t i p l ea c c ：e s s ) 作 为3 g 三大标准之一，得到了中国政府的强劲支持。t d s c d m a 是g s m 网络向 江苏大学硕士毕业论文 第一章绪论 第三代移动通信演进中最具有竞争力的技术，t d s c d m a 标准的技术特点：智 能天线加多用户检测多时隙技术加t d m a 加d s c d m a ( 帧结构1 技术；同步 c d m a 和软件无线电技术；接力切换实现信道编码和交织( 和3 g p p 相同) 等。 t d s c d m a 的技术特点非常适合在大中城市、近郊等人口密度较高地区建设第 三代通信网【川。 w c d m a 和t d s c d m a 是3 g 标准的两种主要制式，中国的3 g 网必然出 现w c d m a 和t d s c d m a 两种制式共存的局面。同时，由于w c d m a 与 t d s c d m a 技术拥有相同的核心网络，这使它们合并组网也成为可能。首先， w c d m a 和t d s c d m a 两种体制的核心网络主要基于g s mm a p ，两者的主要 区别在于对无线接口的定义不同，这为两者混合组网提供了必要的技术基础；其 次，当两者进行混合组网时，无需重复建设核心网络，可以在满足多用户需求时 提供高质量的通信服务，从而降低建网成本。w c d m a 技术更适合广泛领域的 覆盖，比如农村地区；而t d s c d m a 更适合热点地区的覆盖，比如人口密集的 城市。因此，两者的有效结合可以达到进一步降低建网成本的目的。同时，随着 移动通信技术的迅猛发展，新的通信体制和通信产品不断推出，通信产品的生存 周期短，开发费用上升，传统的开发设计思路已很难适应。如果能在基站的一个 硬件系统内实现w c d m a 和t d s c d m a 两种体制兼容，并具有较强的扩展能 力，不仅可以降低建网成本，简化电路设计，还具备抗干扰能力强、设备体积小、 操作维护灵活、更新换代便捷等优点【2 】。所以我们认为，w c d m a 和t d s c d m a 混合组网是我国3 g 移动通信网络的发展趋势，如果能在基站内以硬件共用的方 式实现这两种移动通信体制，将极大得降低建网成本，并有利于日常维护、更新 升级。另外，随着无线时代的来临，w l a n 系统的应用越来越广泛，因此 w c d m a 、w l a n 、t d s c d m a 三网基站共址成为必然的趋势【6 】。 基站共址中所要解决的重点就是宽频基站天线与多频合路器的设计问题。宽 频基站天线要求覆盖较宽的频带，目前天馈系统的宽带化技术已经比较成熟。多 频合路器又称天线共用器，它的作用主要是将不同频率的信号合成一路信号，利 用宽频基站天线发射出去，同时将从宽频天线接受到的信号进行选频，然后输入 到相应的各个系统中。多频合路器主要解决的问题是多网兼容，不仅要求多频合 路器具有低损耗高功率的特点，还需要尽量提高系统间隔离度，避免各个系统之 间的干扰。 江苏大学硕士毕业论文 第一章绪论 1 2 基站合路器的国内外研究现状 1 2 1 基站合路器的发展与现状 合路器是将几路来自不同发射机的射频信号合成为一路的无源微波器件，它 的基本单元是微波滤波器【j 7 1 。合路器大致可以分为两类，通带相连的合路器和通 带非相连的合路器。所谓通带相连就是指合路器各个信道的衰减特性在3 d b 点 上相交，相邻信道间没有防护频带。通带非相连的合路器是指合路器各个信道的 带宽比较窄，而且信道之间都有几倍于信道带宽的防护频带【8 】。本文讲述的基站 合路器，由于基站共址的各个系统间需要很好的隔离，所以基站合路器属于通带 非相连的合路器。 通带非相连的合路器的设计方法主要有两种，一种是由n 个带通滤波器并 联或者串联所构成，并对合路端口进行优化设计，将各个系统之间的影响尽量减 少，这种方法主要适用于合路的各个系统都是窄带的情况；第二种方法是利用两 个互补滤波器( 低通和高通；带通和带阻) 组成一个基本单元，用来把输出信号 分为两路，许多这样的基本单元相级联之后，就可以把信号分为很多路，从而构 成一个多频合路器，这种方法主要适用于带宽较宽的通带不相连的多路系统1 9 j 。 目前我国使用的通信体制，例如g s m ，c d m a ，s c d m a ，p h s 等都属于窄 带系统，所以本文设计的基站合路器使用上述的第一种方法，即合路器本质上是 由几个工作在不同频段的微波滤波器并联组合而成，通过对合路端口的优化设 计，使得合路器工作在最理想状态。所以基站合路器的发展是建立在微波滤波器 的发展基础上的。 在国外对合路器的研究大约在上世纪6 0 年代，g lm a t t h a e i 和e g c d s t a l 等学者对多频合路器进行了广泛研究【l o 】，提出利用交指滤波器及平行耦合微带 线作为合路器的基本单元，成功设计了多频合路器。随后在2 0 0 4 年m a i s m a i l ， d s m i t h ，a p a n a r i e l l o 基于电磁仿真【1 1 。，使用了空间影射法设计了介质合路器。 a g a r c i a - l a m p e r e z ，s l l o r e n t e r o m a n o ，m s a l a z a r - p a l m 使用理想有理多项式模 型【1 2 l ，进行电磁优化，同样得到了多频合路器，在优化时使用c a u c h v 的方法减 少了优化次数，而且减少了每次优化时的数据量，提高了设计效率。随后m i n g i u l a i ，s h y h k a n gj e n g 1 3 】利用了两个具有双通带特性的微带滤波器作为基本单元实 现了四频合路器。m a ns e o ku h m ，j u s e o pl e e ，j o n gh e u n gp 破【1 4 】等人同样利用 优化的方法实现了k a 波段的波导合路器。 在国内，为适应市场需求，解决“多网合一的兼容性问题，国内多家厂商推 出了不同的多频合路器产品。北京邦迅联合技术有限公司生产的p h s w c d m a 肿a n 三频合路器可靠性高，波动范围小，信道隔离大，有多种信道隔离度可 江苏大学硕十毕业论文第一章绪论 选；设计外形美观，体积小，防水，防潮，结构合理，易于安装。杭州紫光无源 器件有限公司推出了多宽异频合路器产品，端口间有很高的隔离度，具有良好的 带外抑制和带内插入损耗性能。深圳讯泰科技有限公司也推出了多款异频合路器 产品，满足g s m 、c d m a 、p h s 、3 g 等移动通信多系统兼容性的需求。值得注 意的是各个企业开发的合路器都是借鉴国外产品的技术，国内仅有几家公司把 t d s c d m a 频段加入到多频合路器当中。我们的研发小组曾经针对市场的需要 成功开发了s c d m t d s c d m a w i a l n 三频合路器，并经过经过专业机构的测 试。但是应该看到由于以上的三个频段相距较宽，避免了相互之间的影响，所以 设计上相对易于实现。而要把w c d m a 、w l a n 、t d s c d m a 三个系统合路的 产品尚未在市场上出现，其设计的难点就在于w c d m a 上行频段和t d s c m d a 频段之间的带外衰减特性和t d s c d m a 的带内插入损耗无法满足设计要求。 1 2 2 调试技术的发展与现状 微波电路调试是一项复杂工作，它需要丰富的实际操作经验。微波滤波器是 微波电路的重要组成器件，随着滤波器节数的增加，调试所涉及参数的数量也增 加，调试难度也大大增加。如果进行大批量的生产，势必要聘请很多经验丰富的 工人，这样就增加了产品的成本。为解决调试这一难题，国内外多家公司、部门 都先后开展了射频微波电路自动诊断与调试技术研究，部分研究成果已有良好 的应用。 在国外，瑞士联邦工业学院( s w i s sf e d e r a li n s t i t u t eo ft e c h n o l o g y ) 正在研 发微波滤波器的自动诊断与调试系统，该系统旨在实现微波滤波器的全自动调 试，目前已通过多种滤波器的实际调试验证了其有效性。美国安捷伦( a g i l e n t ) 公司也推出了配合其p n a 、8 7 5 3 或8 7 2 0 系列网络分析仪的滤波器辅助调试软件 ( f r s ) n 4 2 6 1 a 。该产品也可减少微波射频滤波器调试人员的培训时间以及滤 波器的调试时间，并提高调试的一致性。美国洛克西德马丁公司导弹与火控部门 已成功研制了s 、c 和x 波段准集总参数1 1 2 滤波器自动调试工作台，使得其滤 波器的调试、加工过程由原来的2 个多小时减少到不足1 0 分钟。这些技术的应 用在很大程度上提高了射频与微波滤波器生产的效率与质量。然而，这些部门的 研究大多局限于满足各自生产需要，不具有通用性，未形成真正面向业界的射频 微波电路专家自动调试系统。 在国内，也不断有一些高校研究机构进行过射频微波电路计算机辅助设计 ( c a d ) 技术的研究。但国内对于和射频微波电路的批量生产密切相关的自动 调试技术全自动制造技术的研究相对较少，加之高校、研究所的研发与生产企 业之间缺乏密切的、全方位的合作，因此，国内的相关研究未能给予通信电路生 江苏大学硕士毕业论文第一章绪论 产企业大规模生产射频微波通信电路以有力的技术支撑。 因此，在滤波器的大批量的生产中，开展对其调试技术的研究变得势在必行， 特别把计算机辅助调试技术引入其中，既减少调试人员的工作量，又提高生产效 率。而对于合路器的调试来说，由于其本身是由滤波器组合而成，所以在调试过 程中必然面临着滤波器调试的难点，另外由于其实现的是多路合一的功能，不可 避免的会产生相互间的干扰，这样就进一步的加大了调试的难度，特别是合路器 公共端口的调试。目前还未发现有关于合路器自动化调试系统的报道。 1 3 论文的内容安排及创新点 本论文从合路器设计基础一微波滤波器的研究开始，介绍了滤波器的网络设 计理论，主要针对广义切比雪夫滤波器的综合及耦合矩阵的化简给出了详细的分 析过程和相应的数值例子，然后，分析w c d m a 厂i d s c d m a 网a n 四频合路 器的设计难点，给出了详细的解决办法和仿真过程，并且试制了这款合路器，最 后就合路器的调试技术进行了探讨。 全文共分六章： 1 、第一章介绍了合路器的研究意义，以及国内外针对合路器研究的现状。 2 、第二章介绍了现代微波滤波器的基本设计理论和分析方法。包括从低通 原型电路出发转换到带通滤波器的基本设计方法，耦合带通滤波器的设计原理， 以及腔体滤波器耦合结构的理论分析，这些理论和方法是分析设计滤波器的基 础。 3 、第三章介绍了切比雪夫滤波器的综合，并研究了针对不同的拓扑结构的 耦合矩阵的化简，从而获得其相应的耦合系数，为仿真设计提供支持。 4 、第四章针对设计的这款w c d m a 厂r d s c d m a 厂阢a n 四频合路器，具体 分析了实际设计难点，介绍了其实现步骤，并对影响合路器工作的因素进行了分 析。 5 、第五章介绍了合路器的调试技术，主要从人工快速调试和计算机辅助调 试两个方面阐述。第六章对全文作了总结和展望。 本文的创新点： 一、实际制作并测试了这款w c d m a 仃d s c d m a 脚i a n 四频基站合路器， 通过了信息产业部电子第五研究所元器件检测中心的测试，有效解决了w c d m a 上行频段与t d s c d m a 频段之间的相互干扰的问题。此种合路器的设计在国内 外尚未有报道。 二、根据大量仿真获得了一个计算反射群时延的经验值，对于合路器的端口 优化和抽头位置的确定具有重要的工程应用价值。 江苏大学硕士毕业论文 第一章绪论 三、对合路器的调试技术进行了研究，介绍了一种切实有效的人工快速调试 技术，并针对这款合路器开发了一套计算机辅助调试系统。 1 4 本章小结 本章重点介绍了基站合路器的研究意义和国内外的研究现状，对所设计的 w c d m a 用，i a n 仃d s c d m a 多频合路器做了简单的介绍，最后介绍了论文的内 容安排和创新点。 江苏人学硕士毕业论文 第二二章微波滤波器 第二章微波滤波器基础 由于微波滤波器是基站合路器基本单元，合路器是由几个性能良好的滤波器 组成的，所以基站合路器设计的重点就集中在微波滤波器的设计上，我们有必要 对微波滤波的设计进行相关的介绍。 2 1 滤波器简介 滤波器是无线电技术中许多设计问题的中心，可利用他们来分开或组合不同 的频率，如在变频器、倍频器以及多路通信中。电磁波频谱是有限的，且须按应 用加以分配，而滤波器既可用来限定大功率发射机在规定频带内辐射，反过来又 可用来防止接收机受到工作频带以外的干扰。在阻抗匹配中也有像滤波器的网 络，如在两个不同特性的传输线之间，或在内阻发生器与电抗负载之间。有时需 要得到一定的相位特性，如脉冲压缩或展宽，或补偿其他滤波器或色散结构所产 生的相位失真等，也需要滤波器。总之从超长波微波到光波以上的所有电磁波频 段，都需要滤波器【l 川。 在微波技术发展之初，微波滤波器的应用还是极其有限，而设计也十分繁琐。 但是，如今微波滤波器已经成了许多设计问题的关键之一。它不仅广泛应用于微 波通讯、雷达、导航、电子对抗、卫星接力、导弹制导、测试仪表等系统中，而 且，其分析和设计方法可为许多微波元件所借鉴。现在，几乎可以这样断言：没 有一个完善的微波系统不使用微波滤波器或其类似的结构了。因此，国内外对它 的研究都很重视。 2 2 滤波器网络设计理论 滤波器发展到今天，其分析和研究的方法相对来说也比较成熟了，一般来说 有分布参数法和集总参数法两种，集总参数法又分为影像参数法和网络综合法， 其中网络综合法应用比较广泛。网络综合法是以衰减和相移函数为基础，利用网 络综合理论，先求出集总元件低通原型电路，再利用适当的频率变换函数，可变 换为所需要的低通、高通、带通、带阻微波滤波器，然后将集总元件原型中各元 件用微波结构来实现。这种设计方法，计算相对简单，有较好的近似度，且能够 导出最佳设计i7 儿1 6 j 【1 7 。 2 2 1 滤波器的低通原形 双终端低通原型滤波器的梯形电路，一般分别为电容输入式和电感输入式两 江苏大学硕士毕业论文第二章微波滤波器 种形式。它们分别如图2 1 和图2 2 所示： n 为偶数n 为奇数 图2 1 ：电感输入式 n 为偶数n 为奇数 图2 2 ：电容输入式 图中g o ，g 。，g ：g 州是电路中各元件的数值，它们是由网络综合法得 出来的。两电路互为对偶，响应相同。由于该电路是可逆的，故既可以把左边的 电阻看成信号源的内阻，也可以把右边的电阻看成信号源的内阻。 在实用中，通常都把低通原型的元件数值对g 。归一化，而频率对威归一化， 即铂= 1 ，威= 1 。这种归一原型很容易变换成其他阻抗水平和频率标度的滤波 器，其变换公式如下： 对于电阻和电导， 肚( 护，或g = ( 耖 ( 2 1 ) 对于电感， 三= ( 等) ( 搴l 或扛( 等) ( 辛z ( 2 - 2 ) 对于电容， c = ( 等) ( 辛c - ，或c = ( 等) ( 辛c ( 2 - 3 ) 在这些公式里，带“撇”的量是归一原型的，不带“撇”的量是需要变换的变量。 2 2 2 频率变换 如果将低通原型滤波器的传输特性的频率变量国经过适当的变换，那么， 就有可能得到以新的频率缈为变量的衰减特性，用它们来表示高通、带通、带阻 等类型的滤波器。这种方法就叫做“频率变换”，国与缈的关系式叫做“变换式”。 江苏大学硕上毕业论文 第二章微波滤波器 阴【1 8 】由于仅对横坐标的自变量c o 。进行变换，故对纵坐标的衰减值并无影响，因此， 当低通原型滤波器变换为其他类型滤波器时幅度波纹特性任保持不变。选择某一 变换式，必须使其对衰减特性的影响直接表示为实现这种特性的低通原型滤波器 元件数值的变化，这样，可以避免再去求其他类型滤波器的衰减函数，以及实现 这种函数的一系列的复杂计算。由于本论文仅讨论带通滤波器的设计，所以下面 说明从低通到带通的频率变换。 设低通原型滤波器的频率变量为缈，带通滤波器的频率变量为c o ，如图2 3 所示： 由于缈= 0 的点，变换成c o = c o o 的点；而c o 。= o o 的点，变换成c o = 0 和国= o o 的点，故由低通到带通的变换式应是： l a ，、 分 贝 = 二一 一- f b wc o o国 l a 一 分 贝 ( 2 4 ) 图2 3 ：低通原型响应及其相应的带通滤波器响应 式中f b w - - ( ：0 2 - 嵋) m o 是带通滤波器的相对带宽，c o o = q 缈2 是通带中心频 率，吐是上边带的频率，q 是下边带的频率。 低通原型滤波器中电感元件z 的感抗经过( 2 4 ) 式变换后可得： 缈。z ：l ( 旦一c o o ) z ：础。一土( 2 - 5 ) f b w 、c o o 国 5 c o c , 式中： t ：生c 。：f b w ( 2 - 6 )4 f b w m o 5 c o l c o o l 由此可见，低通原型的电感元件变换到带通滤波器中为电感三。和电容e 相 串联，元件数值间关系由( 2 6 ) 式来确定。 对于低通原型中的电容c ，其容纳变换到带通滤波器中为： 国i c = 旦f b w 仁c o n 量c o ) c = 吗一去c o l ( 2 - 7 ) 、 7 ， 。 江苏大学硕士毕业论文 第一二章微波滤波器 式中： q = 羔妒器 协8 ) 由此可见，低通原型的电容元件变换到带通滤波器中为电感l p 和电容q 相 并联，元件数值间关系由( 2 8 ) 式来确定。 2 2 3 耦合谐振腔带通滤波器的变换 1 、阻抗变换 为了方便推导以及更清晰得描述带通滤波器结构的意义，引入只有一种电抗 元件的等效电路，即常须要把图2 1 ，图2 2 的电感和电容所构成的梯形低通原 型，变换成只有一种( 电感或电容) 电抗元件的等效电路。这可借助图2 4 和图 2 5 所示的阻抗变换器和导纳变换器来进行。 一个理想的阻抗变换器的工作，就好像在所有频率上特性阻抗都是k 的1 4 波长线那样，因此，如果阻抗变换器一端接阻抗z 。，则在另一端所看到的阻抗 是z 。： 乙= 筹 沼9 ) k ( i g o 相移) 图2 4 ：阻抗变换器 理想的导纳变换器的定义也相同，即其工作好像在所有频率上特性导纳都是 j 的1 4 波长线那样，因此，若导纳变换器一端接导纳k ，则在另一端所看到的 导纳是e ： k = 百j 2 ( 2 - 1 0 ) j ( 9 0 相移 图2 5 ：导纳变换器 图2 6 ，图2 7 示出只有一种电抗元件的低通原型，它们是在图2 1 和图2 2 的基础上加上阻抗变换器或者是导纳变换器得到的。图2 6 是由阻抗变换器k 和 串联电感所构成的低通原型，图2 7 是由导纳变换器，和并联电容所构成的低通 江苏大学硕士毕业论文 第二章微波滤波器 原型。两个电路互为对偶，表2 1 给出了计算阻抗和导纳变换器的设计公式。 l l 1l 正l 柏 ；r a i 白k 1 2陆i n - 1 图2 6 ：只有电感元件的低通原型 ! 上，、 ；g a j o l 一- l c l j i 2t _ o 吐j 2 3车c -j m l 1 图2 7 ：只有电容元件的低通原型 表2 1 ：阻抗导纳变换器的公式总结 印压 一fqq。j o l 一1 g o g 。 c 口( 州) 矿l k 厶m d 屯+ 。一l n - l t k k k + l k = l , - - n - 1 一g 七gm f 吼g “1 一瓯瓯 = 雁= 压 l 肿l g 。g 。+ l 也，工小厶：，k 任意选定吼，吼，c 。，c ：，c 埘任意选定 2 、耦合谐振腔带通滤波器 耦合谐振腔带通滤波器的设计，是从图2 6 的只有一种电抗元件的低通原型 出发，经过从低通到带通的频率变换可以得到图2 8 。参考式( 2 - 5 ) ，第j 个谐 振器的电抗可以表示为： 伽) 2 志( 罢一争t = 岛一去 像 l 丫n 、_ 一卜一n 、一卜一n 、_ - 卜_ l 1c , 1k l 帅 三r 1 k 1 2 k 船k l m 图2 8 ：由阻抗变换器及串联谐振器表示的耦合谐振器带通滤波器 江苏大学硕士毕业论文 第二章微波滤波器 接着，我们需要定义乃= 警兰导l 舻娜为第j 个谐振器的电抗斜率参数，因 此： 乃= 孚掣k 岛= 击 c 施， 比较式( 2 6 ) 和式( 2 1 2 ) 可见： 。：_ z j f b w ( 2 - 1 ) 。 c o l 有时候，设计耦合谐振器带通滤波器不是用它的阻抗变换器，而是用它的两 终端的外界q 值和谐振器间的耦合系数。所谓终端的外界q 值，就是终端电阻 反射到第一个串联谐振器( 或第n 个) 中所得出的q 值。按此定义，左端的终端电 阻反射到第一个串联谐振器中的电阻是碲毛，而串联谐振器的感抗厶= 石， 故其外界q 值是： ( q c ) 42 矗2 面g o g l a l ( 2 - 1 4 ) 同样得到第1 1 个谐振器的外界0 值是： 他驴京忘2 鬻 协1 5 ) 至于中间任两个相邻谐振器间的耦合系数恕，它的定义是两相邻谐振器间 的耦合阻抗k 与它们的感抗的几何平均值厩之比，即 ，：粤：j 坠 ( 2 1 6 ) l a - j 样的，根据对偶原理，我们可以得到其导纳形式变换结构( 如图2 9 ) 以 及对应的相关推导式： 岛 j n , n - 1 b c 瞳 图2 9 ：由导纳变换器及并联谐振器表示的耦合谐振器带通滤波器 对偶原理：乃一功，g - - j ，r - - g ，x ( 回一e ( 咖 江苏大学硕上毕业论文 第二章微波滤波器 电导斜率参数： 外界q 值： 耦合系数： ( q a 口= 丽b o = 智 2 赢j i i + 12 孺f b w ( 2 1 7 ) ( 2 1 8 ) ( 2 - 1 9 ) ( 2 2 0 ) 在实际的应用中，用k 变换器时谐振腔总是串联谐振的；用j 变换器时谐 振腔总是并联谐振的。 2 2 4 耦合滤波器的实现 从图2 8 可以看出，滤波器主要由两部分构成，串联谐振单元l 和c ，以及 由阻抗变换器构成的偶合结构，包括输入、输出级的k 。、疋。一，以及各腔间的 偶合五。这样的电路形式一般可以用波导谐振腔来实现，而耦合结构，根据 实际设计的要求可以有不同的耦合方式。对输入、输出级耦合，通常是环耦合， 环的形状主要有半圆环、矩形环和三角形环【1 9 】 【冽。如果滤波器是可调谐滤波器， 环的形状对滤波器调谐范围、频率特性将有较大的影响。半圆形环的耦合电抗与 频率成正比，而且，由于半圆环的纵向尺寸较小，由频率变化引起场在腔中纵向 分布的变化也将会改变环的耦合电抗，因此，半圆环只能用于小范围调谐的滤波 器。对于宽范围调谐的滤波器，为了适应这种分布变化得到更平坦的电抗频率特 性，其耦合环应取成长条环，典型的结构即为矩形环和三角形环。矩形坏耦合电 抗的频率特性比半圆环平坦，而且在通讯频率的高端也能提供足够的耦合量。但 是，在频率高端与低端耦合系数有一定的差异，为了减小这种差异，就应该减小 高端处的环面积。因此，宽范围调谐滤波器的输入电抗最好用倒三角形环来实现。 而三角形环耦合电抗的频率特性较之前面几种结构更为平坦，而且这种结构具有 较稳定的偶合。 腔间耦合的形式也有螺钉、小孔以及其他更为复杂的元件如介质棒、导体棒 等形式。对于可调滤波器来说，腔间耦合通常采用圆孔耦合的结构【2 5 f - j 2 引。这种 耦合结构对窄带调谐滤波器来说，调谐范围较小；而对宽带滤波器来说，虽然调 谐范围变宽了，但是会产生大波纹效应，使滤波性能变差。近年来，由于对耦合 谐振腔滤波器的深入研究，对于孔的形状和大小有了进一步的分析。传统的对圆 孔耦合分析的模型是建立在圆孔尺寸较小，孔面上的场均匀分布时得到的。当圆 孔尺寸较小时，磁耦合对带宽做正贡献，电耦合对带宽r 做负贡献。如果孔 娜 溜一调 一 塑船 堕彩 i等高 型2 产 岛 江苏大学硕士毕业论文 第二章微波滤波器 的纵向尺寸较小，当向频率高端移动时，孔的磁耦合减弱，电耦合增强，从 而使茸变窄；当几向频率低端移动时，腔中电磁场的幅度将逐渐降低，如果孔的 纵向尺寸很小，腔中场幅度的下降也将使变窄，因此，为了增强