（电磁场与微波技术专业论文）射频无源器件的协同设计方法探讨.pdf

摘要 摘要 当前无线通信设备正朝着小型化、低成本、低功耗和多功能的方向发展，而 其中最主要的压力在于射频子模块。从射频技术发展的进程来看，限制无线模块 成本和体积的主要因素已经从有源器件转变到无源器件。传统的设计理论和方法 着眼于单元器件本身，已经很难突破瓶颈。引入协同设计概念，在设计过程中交 互考虑模块中各器件间的联系与总体性能需求，打破标准匹配阻抗限制，可以有 效地提高模块整体性能，减小模块总体伸展面积，并降低各器件的设计难度。 本论文主要着眼于研究无源器件之间的协同设计，主要结果有： 1 ) 从微波网络理论出发，探讨无源器件之间的协同设计方法，给出了若干 设计原则。 2 ) 应用协同设计方法优化了一种宽带天线滤波器模块，理论分析了将天线 与滤波器进行协同设计能够提高整体性能的原因，其回波损耗在3 1 5 1 g h z 的 工作频带内比独立设计后直接级联的模块减少了l o d b 以上，该模块已应用于超 宽带通信实验模块中。 3 ) 以窄带滤波器设计为例说明，按照较高的回波损耗以及较小的带外衰减 来设计滤波器，能有效地减小所需滤波器的阶数，从而减小滤波器整体的伸展面 积。 4 ) 以宽带滤波器设计为例说明，打破标准匹配阻抗限制，能够使得滤波器 的实现难度降低。 关键词：射频协同天线滤波器 a b s t r a c t a b s t r a c t n o w a d a y sw i r e l e s sc o m m u n i c a t i o ne q u i p m e n t sd e m a n dm i n i a t u r i z a t i o n ，l o wc o s t ， l o wp o w e ra n dm u l t i f u n c t i o n ，a n dt h eb i g g e s tp r e s s u r ei sl a i do nr fc i r c u i t a c c o r d i n gt ot h ed e v e l o p m e n to fr ft e c h n o l o g y , t h em a i nl i m i t a t i o no fc o s ta n d v o l u m eo fr fm o d u l e sc h a n g ef r o ma c t i v ed e v i c e st op a s s i v ed e v i c e s t r a d i t i o n a l d e s i g nm e t h o da n dt h e o r yp a ym o r ea t t e n t i o nt oi n d i v i d u a ld e v i c e s ，a n di tc a nh a r d l y b r e a kt h r o u g ht h eb o t t l en e c k h o w e v e r , a p p l y i n gc o d e s i g nm e t h o d ，i ti sf e a s i b l et o a c h i e v eh i g hp e r f o r m a n c e ，r e d u c e ds i z e c o n s i d e r i n gm u t u a li n f l u e n c eo fd e v i c e s t e r m i n a li m p e d a n c e a n de a s yr e a l i z a t i o ns i m u l t a n e o u s l yb y a n dr e m o v i n gt h el i m i t a t i o no fs t a n d a r d t h i sp a p e rd i s c u s s e sc o d e s i g nm e t h o do fp a s s i v ed e v i c e sm a i n l y , a n dt h er e s u l t s a r ea sb e l o w ： 1 ) t h ec o - d e s i g nm e t h o do fp a s s i v ed e v i c e si sd i s c u s s e du s i n gm i c r o w a v en e t w o r k t h e o r ya n ds o m ep r i n c i p l e so fc o d e s i g nm e t h o da r ep r e s e n t e d 2 ) ac o - d e s i g n e dw i d e b a n da n t e n n a f i l t e rm o d u l ei sp r o p o s e di n t h i sp a p e r t h e r e a s o nw h y c o d e s i g nm e t h o di m p r o v e st h ep e r f o r m a n c eo ft h i sm o d u l ei se x p l a i n e d t h er e t u ml o s so ft h i sc o - d e s i g n e da n t e n n a f i l t e rm o d u l ei s10d bl e s st h a nt h e t r a d i t i o n a l l yd e s i g n e dm o d u l ei nt h ep a s s b a n do f3 1 t o5 1g h z t h i sm o d u l eh a s b e e na p p l i e di nau w bf r o n t e n dw ed e s i g n e dr e c e n t l y 3 ) i ti ss h o w nb yt a k i n gn a r r o w b a n df i l t e rd e s i g nf o re x a m p l et h a tah i g h e r r e t u r n 1 0 s sl e v e lo ral o w e ra t t e n u a t i o n1 e v e lo u to fb a n da l l o w st or e d u c et h e r e s o n a t o r sf o rf i l t e r , a n dh e n c er e d u c et h es i z eo ft h ef i l t e r 4 ) i ti sa l s os h o w nb yt a k i n gu w b ( u l t r aw i d e b a n d ) f i l t e rd e s i g nf o re x a m p l et h a t r e m o v i n gt h el i m i t a t i o no fs t a n d a r dt e r m i n a li m p e d a n c ea c h i e v e se a s yr e a l i z a t i o no f i i w bf l i t e r k e yw o r d s ：腿c o d e s i g n ，a n t e n n a , f i l t e r i i 插图目录 插图目录 图1 1 超外差接收机2 图2 1 滤波器的结构图8 图2 2 滤波器的插入损耗和回波损耗9 图2 3 天线的结构图9 图2 4 天线的回波损耗l o 图2 5 天线滤波器模块结构图1 o 图2 - 6 天线、滤波器及级联模块的s 参数1 1 图2 7 两个二端口网络的连接图1 2 图2 8 单端口网络与二端口网络的连接图1 4 图3 1 天线、滤波器及级联模块的s 参数18 图3 - 2 天线和滤波器的s 参数的相位1 8 图3 3 协同设计的天线、滤波器及模块的s 参数1 9 图3 4 协同设计的天线和滤波器的s 参数的相位：1 9 图3 5 天线滤波器模块的回波损耗实测结果2 0 图3 - 6 天线滤波器模块实物图2 0 图4 1 低通滤波器原型电路2 3 图4 2b u t t e r w o r t h 和c h e b y s h e v 低通原型滤波器的衰减特性2 5 图4 3b u t t e r w o r t h 原型滤波器的阶数与带外衰减l a 。的关系2 6 图4 4c h e b y s h e v 原型滤波器的阶数与带内波纹l a r 的关系2 7 图4 5c h e b y s i - t e v 原型滤波器的阶数与带外衰减l a s 的关系2 8 图5 1s i r 结构的基于多模谐振器的超宽带滤波器3 2 图5 2s i r 结构的基于多模谐振器结构的改进超宽带滤波器3 2 图5 3 添加短截线的基于多模谐振器的超宽带滤波器3 2 图5 4e b g 结构的基于多模谐振器的超宽带滤波器3 3 图5 5c p w 与微带线耦合的超宽带滤波器3 3 图5 - 6 微带线与底面槽线耦合的超宽带滤波器3 4 图5 7 微带线与w 形槽线耦合的超宽带滤波器3 4 v 插图目录 图5 8 交指型微带线与s i r 组合的超宽带滤波器3 5 图5 - 9 椭圆形的宽带耦合结构超宽带滤波器3 5 图5 1 0 抽头式交指带通滤波器的结构3 6 v i 中国科学技术大学学位论文原创性声明 本人声明所呈交的学位论文，是本人在导师指导下进行研究工作所取得的成 果。除已特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含任何他人已经发表或撰写 过的研究成果。与我一同工作的同志对本研究所做的贡献均已在论文中作了明确 的说明。 作者签名：周查塞 签字同期：垫芝羔主： 中国科学技术大学学位论文授权使用声明 作为申请学位的条件之一，学位论文著作权拥有者授权中国科学技术大学拥 有学位论文的部分使用权，即：学校有权按有关规定向国家有关部门或机构送交 论文的复印件和电子版，允许论文被查阅和借阅，可以将学位论文编入有关数据 库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编学位论文。本人 提交的电子文档的内容和纸质论文的内容相一致。 保密的学位论文在解密后也遵守此规定。 留么开口保密( 年) 储签名：飚塞作者签名：么墨蝰基 签字日期：垫差：兰! 一 导师签名：逾要， 导师签名：竣羔皇， 第1 章绪论 第1 章绪论 1 1无线通信设备射频电路设计的发展趋势 1 1 1无线技术的发展给射频电路设计带来新挑战 目前，随着无线技术的不断发展，未来无线通信设备终端已逐步由单纯的通 信工具，演变为一台个人化的智能设备，一方面需要能够提供多个工作频段和模 式以便能够同时支持各类数据、语音和视频传输业务，如目前w i f i w i m a x 数字 音频广播g p s 等，另一方面为提升便携性以及延长工作时间，更小尺寸和更低 功耗也成为设备研制的不懈追求。 无线通信设备采用电磁波作为信号的传输载体进行通信，因此，其射频电路 在整个无线链路上居于重要的位置，射频性能的好坏直接关系到信号的收、发能 力。正如上文所述，移动终端的多媒体功能、高速数据业务和多标准按需接入要 求，使天线和射频前端都面临巨大的挑战，无线终端的射频收发前端和天线必须 改变目前的窄带工作方式，实现宽带工作，兼容多个无线标准。另一方面，从设 计和实现的角度来看，射频模块和基带处理部分的特点大不相同，基带部分的成 本、功耗和体积己经并将继续随着工艺技术的发展而得到明显改善，而射频模块 因其集成性和功耗与其结构的物理限制密切相关，射频模块的小型化成为整个无 线终端设备小型化的重要条件。 1 1 2 射频电路设计的主要发展阶段 1 1 2 1 射频电路系统构架的发展 从射频电路系统构架方面来说，无线通信设备的射频接收机【l 】的发展主要经 历了三个阶段：第一阶段，采用超外差固定中频射频构架阶段；第二阶段，采用 超外差低中频射频构架阶段；第三阶段，采用直接变频射频构架阶段。 第一阶段的超外差固定中频接收机将一个可调谐的本地振荡器( l o ) 与射频 ( r f ) 信号混频，将接收到的射频信号转换到中频( i f ) 。在混频器的输出处采用固 定频率和带宽的中频滤波器完成中频信号的选频和滤波，如图1 1 所示。尽管超 外差式是一种很好的接收机结构，但其中必须使用中频滤波器，超外差式接收机 需要对每个模式中的每个通道都用一个单独的中频滤波器来进行处理，这就增大 了元件数量和尺寸，因此就增大了接收机的成本。 第1 章绪论 图1 - 1 超外差接收机 通常超外差式接收机都将中频选得较高，这样做是为了减轻镜像抑制的难 度，放宽对r f 滤波的要求。而第二阶段的超外差低中频射频构架把经典的超外 差式接收机进行了调整，通过采用镜像抑制混频器等镜像信号消除技术，可以把 本振的频率大大提高，通过本振变频后，得到频率较低的中频信号。低中频的好 处在于可降低功耗，并使得中频滤波器更容易地集成在芯片上，从而有效地降低 了接收机的成本。 第三阶段的直接变频射频构架采用的本振信号频率等于射频信号频率，经混 频后直接变为i 、q 两支路信号。变频后的中频信号频率为o ，因此不再需要中 频滤波器，同时也减轻了镜像抑制问题。由于直接变频射频构架有效地减少了芯 片内部功能电路，以及中频滤波器，在成本和体积上比第一、二阶段的射频接收 机有可观的降低和减小，在目前的多工作频段和模式的应用场景下成为更现实 的、更有成本效益的解决方案。因此，直接变频射频构架的接收机是以后射频接 收机发展的主要趋势和主要应用。 1 1 2 2 射频电路单元器件集成方案的发展 在射频收发信机中，一般包含有功率放大器( p a ) 或低噪声放大器( l n a ) ，混 频器、频率源等有源器件电路，以及滤波器、功分器、巴仑等无源器件。 射频电路发展到现在，功率放大器与射频前端滤波器还很难与其他部分的电 路集成在一个硅片上。目前功率放大器主要采用砷化镓( g a a s ) 异质结双极性晶体 管( h b t ) 或者场效应管f r e t ) 等器件制造，射频前端滤波器一直采用陶瓷或者声表 面波( s a w ) i 艺实现，由于这些技术与普通的硅或硅锗工艺有很大区别，故而功 率放大器与射频前端滤波器一般作为分立器件与其他执行射频功能的电路分开。 一种比较流行的方案为是利用l t c c ( 氐温共烧陶瓷) 技术将天线开关与接收 前端滤波器等其他无源器件集成在一起1 2 训。另一种解决方案是在功放芯片基础 2 第1 章绪论 上利用g a a s 工艺实现天线开关，无源器件也直接在g a a s 晶圆上实现1 5 6 】。而 无论何种途径，其最终的目标是将所有单元器件都整合在一个模块中。 射频频率源主要来自射频收发芯片内部所集成的小数分频的频率合成器，其 所使用的参考基准频率需要外置的晶体或晶振所提供。随着射频收发芯片集成度 的提高，晶振内部的三点式电路集成到收发信机芯片内部，外置只需要一个简单 的晶体来完成，这有效地降低了移动终端的成本，外置晶体作为频率源的射频构 架目前获得了广泛的使用。 1 1 3 ，j 、结 从前面的论述可以看出射频电路设计的发展方向：通过封装和工艺的技术进 一步提高模块的集成度，降低尺寸、功耗和成本；通过收发信机体制的研究，减 少收发信机模拟信号处理的模块，把压力往数字端转移。 从射频电路发展的进程来看，限制无线模块成本和体积的主要因素已经从有 源器件转变到无源器件。射频前端设计的主要挑战是充分利用工艺特征尺寸不断 缩小的技术改善射频前端的集成度，以达到进一步减少功耗、尺寸并同时提高性 能的要求。 1 2 射频协同设计概论 1 2 1 射频协同设计的意义和优势 从1 1 中的论述可见，无线通信设备的设计目标是多功能、低成本、低功耗 和小型化，而其中最主要的压力在于射频模块。另外，目前主要的小型化方法是 r fs i p ( 射频模块的模块级封装) ，这种方式将射频模块的无源和有源器件嵌入 到多层介质中，从而在一个封装内实现射频模块的功能；对于整个模块而言， r fs i p 技术将会成为未来发展的主要方向，将模块中的射频模块、数字模块、 传感器模块等集成在一个封装内。但是目前的设计往往只是简单地将各模块通过 封装技术集成在一起，而没有考虑到这些子模块之间的协同设计。 在集成和封装技术的背景下，可以打破传统的5 0 欧姆的标准阻抗界面，把 射频前端要求的多种功能进行分化和整合，将原来的多个器件整合成一个器件， 在一个器件中实现多种功能，同时在集成和封装中实现单个模块，降低模块的成 本和功耗。 在射频前端面临巨大挑战的今天，协同设计的突出优势主要有： 1 ) 能从根本上改变电路的结构，整合电路的功能，减少器件的数目，从而 减小模块体积和重量，降低射频模块的成本，减小功耗，改善频率特性； 2 ) 能够综合部署、综合利用电路中电流，从而在很大程度上减小功率损耗； 3 第1 章绪论 3 ) 能提高器件的可配置性和综合利用率； 4 ) 减少由于匹配电路带来的损耗，增加设计自由度，改善模块性能。 1 2 2 射频协同设计的研究现状 对于协同设计，国内外专家做了很多的研究工作，包括无源器件之间的协同 设计、有源器件之间的协同设计以及有源器件与无源器件之间的协同设计。 1 2 - 2 - 1 无源器件之间的协同设计 目前对于宽带天线与射频前端无源器件的协同设计集中在宽带天线与巴仑， 宽带天线与滤波器的协同设计。在天线设计中引入宽带巴仑模块是一种实现宽带 性能的方式。y o u n g g o nk i m 等人以“领结”形双极天线为基本辐射单元，辅以 覆盖2 9 g h z 一1 2 g h z 频带的微带巴仑，设计完成的天线模块的带宽为 3 2 g h z - 11 2 g h z 。这种方案实际上是利用巴仑来实现宽带的性能，而对于天线本 身的带宽要求并不高，从而减4 , t 天线设计的难度【7 】。p l i n d b e r g 等人设计的应 用于双模g s m 模块的宽带天线同样也利用巴仑来转移了天线设计的部分难度。 他们采用的基本天线辐射单元在9 0 0 m h z 与17 0 0 m h z 处分别提供一个谐振点， 而另行设计的巴仑在两个频带内分别产生另一个谐振点，从而使得最终完成的天 线覆盖8 2 4 一- 9 6 0 m h z 以及1 7 1 0 一- 2 1 7 0 m h z 两个频带【8 1 。 在宽带天线与巴仑协同设计的研究中，巴仑主要分担了部分应由天线实现的 功能，并且完成平衡不平衡转换，实际上在不提供额外功能的情况下增加了模块 尺寸。而宽带天线与滤波器的协同设计在应用中更具有价值 9 1 。n i n gy a n g 等人 所在的工作组设计并仿真完成了一个基于c p s 结构的应用于3 到5 g 的宽带天线 滤波器模块。采用协同设计的理念，打破了一些传统设计方法中的藩篱，如以 6 0 欧姆端口阻抗设计两单元元件而非标准5 0 欧姆端口阻抗；把滤波器的低频抑 制功能转移到天线模块设计中；两单元元件均采用差分结构从而节省了平衡不平 衡转换模块。以上交互考虑的设计细节简化了设计过程且使得各单元元件更容易 实现【l o 】。m t r o u b a t 等同样在设计过程把模块设计的难度与技术参数统一考虑， 合适地分配到天线和滤波器的单元设计中，最后制作完成了一个应用于k 波段的 天线滤波器模块，滤波器从传统设计所需的5 阶降低到3 阶，减少了前端模块整 体的尺寸【l 。i s m a e lp e l 等人在已发表的成果中也直接将宽带天线与滤波器相 连，通过整体优化模块参数，最终实现具有滤波性能的超宽带天线，且模块尺寸 较为紧凑【l 引。 4 第1 章绪论 1 2 2 2 有源器件之间的协同设计 有源器件的功能整合的主要方式是低噪声放大器、混频器、压控振荡器( v c o ) 的协同设计，通过模块间电流的复用降低模块功耗， t 0 p ow a n g 将工作于 4 2 g h z 的振荡器与混频器协同设计，实现的芯片面积为0 7 2 m m 1 3 4 m m ，由 于协同设计结构允许混频器的电流被v c o 重新利用，从而减小了v c o 和混频 器的电流损耗，实现了低功耗【l 引。 1 2 2 3 有源器件与无源器件之间的协同设计 有源器件和无源器件协同设计的主要方式是天线和收发前端的协同设计。随 着集成技术和封装技术的进步，天线和收发前端的距离已经可以低于十分之一个 工作波长，天线的阻抗不再限制于5 0q ，这种接口阻抗限制的改变为提高模块模 块，降低天线尺寸提供了新的自由度。p e l i s s i e r 等在协同设计时，将天线模拟为 一个与栅极复阻抗串联的电压源，分析表明当天线在工作频段是一个感性阻抗 时，可以获得更高的增益和更低的噪声系数，仿真结果表明，在5 g h z 时，功率 增益比传统的方法增加了7 d b ，噪声系数改善了1 5 d b t l 4 】。国内钟顺时教授【1 5 】等 提出了与低噪声放大器集成的有源天线，天线工作频率为6 g h z ，通过优化作为 天线的负载的l n a 有源网络，改善了天线的频带特性。 功率放大器( p a ) 与天线的协同设计中，天线既作为辐射器，又作为p a 的 负载，通过调谐，可用来抑制高次谐波，使p a 的功率附加效率在1 5 2 5 g h z 的 范围内都得到了提高，在体积减小的同时，实现了高效率，低成本【1 6 ，1 7 】。另外， s u m i tb a g g a 将用于u w b 模块的脉冲发生器与小型化天线协同设计后，发射脉 冲波形中的振铃大大减少，同时天线辐射方向图中的扰动也变得很小【l 引。 1 3 本论文的主要工作和结构 1 3 1 本论文的主要工作 本论文的主要工作如下： 目前各方研究对于协同设计的具体方法论问题涉及不多，本论文着眼于无源 器件，对单端口元件与双端口元件的协同设计以及双端口元件之间的协同设计进 行了理论上的探讨，给出了若干设计的指导原则。 本论文在实现具体的模块电路时，充分考虑了模块之间的相互影响，去除了 模块之间固定的标准端口阻抗限制，不仅提高了模块整体性能，减小了模块整体 尺寸，且增加了单元器件设计的自由度，减小单元器件实现的难度，为模块整体 性能优化提供了一种新的设计方法。 5 第1 章绪论 1 3 2 本论文的结构 本论文主要围绕着射频无源协同设计的方法和应用展开，论文的组织结构如 下： 第一章介绍射频电路设计的发展趋势，说明无线技术的发展给射频电路设计 带来了新的挑战，接下来介绍一种从模块整体性能出发，充分考虑模块内各模块 设计功能互补、模块复用的射频前端协同设计方法，阐述其优势和目前国内外的 研究现状，本章的最后给出论文的章节安排，并对论文的主要工作进行介绍。 第二章依据微波网络理论，着重介绍无源器件间的协同设计的基本方法，分 别对双端口器件之间的协同设计方法以及单端口器件和双端口器件之间的协同 设计方法进行了讨论，给出了若干设计原则。 第三章以一种工作在3 - 5 g i - i z 的宽带天线一滤波器模块为例，应用第二章提 出的协同设计的基本原则改善了宽带天线一滤波器模块的整体性能。 第四章以窄带滤波器设计为例说明，按照较高的回波损耗以及较小的带外衰 减来设计滤波器，能有效地减小所需滤波器的阶数，从而减小滤波器整体的伸展 面积。 第五章以宽带滤波器设计为例说明，打破标准匹配阻抗限制，能够使得滤波 器的实现难度降低。 6 第2 章射频无源协同设计的基本方法探讨 第2 章射频无源协同设计的基本方法探讨 在集成无线通信设备终端中，天线和其它射频无源器件是决定模块尺寸的重 要部件。本章拟从微波网络理论出发，进行射频无源协同设计基本方法的探讨。 2 1 传统的设计方式可能导致模块性能恶化 传统的设计方式是先按标准阻抗对各单元器件进行独立的设计和优化，再将 各器件级联。由于器件间的相互影响，这种方式可能使得级联后总体性能恶化。 下面给出一个宽带天线滤波器的设计实例来说明这一情况。 设计一种宽带天线一滤波器模块工作频率为3 - 5 g h z 。宽带滤波器采用底面 开槽的宽边耦合结构，宽带天线采用改进的圆环型结构。 2 1 1 底面开槽的宽边耦合结构滤波器 底面开槽的宽边耦合滤波器【l9 】在结构上较为紧凑，且有较好的宽带性能与带 外抑制，如图2 1 所示。上表面两段圆弧状微带线均为1 4 中心波长，接地板上 在微带线的对应位置开一长度约为1 2 中心波长的开口圆槽，与微带线形成宽边 耦合结构。调节槽线与微带线的宽度，可以得到不同的带宽；调节微带线与槽线 的长度，可以微调中心频点。上表面左右两段微带线为5 0 欧姆阻抗线。所用介 质基板介电常数为4 9 8 ，厚度为1 6 r a m 。滤波器的结构参数如所示，质基板介电 常数为4 9 8 ，厚度为1 6 m m 。滤波器的结构参数如表2 1 所示，仿真性能如图2 2 所示。 7 第2 章射频无源协同设计的基本方法探讨 u n i t ：m m b o t t o mv i e w 图2 1 滤波器的结构图 表2 1 滤波器的结构参数 r rg 1g 2 sl 1l 2w 1w 2 4 43 60 441662 82 8 8 第2 章射频无源协同设计的基本方法探讨 o 1 0 2 0 - 3 0 4 0 - 5 0 l234 567 f r e q u e n c y ( g h z ) 图2 - 2 滤波器的插入损耗和回波损耗 2 1 2 改进的圆环形天线 宽带天线是对基本圆环形天线进行裁剪和增加枝节而成【2 们，该天线工作带宽 大且具有较小的尺寸，如图2 3 所示。采用与滤波器相同的介质基板，结构参数 为：r 0 = 8 2 m a n ，r 0 = 2 5 m m ，1 6 所有枝节和槽口的宽度均为0 4 r a m ，1 、2 的长 度为o 8 m m ，3 、4 、5 的长度为1 5 r a m ，6 的长度为0 3 m m 。圆环贴片下方的矩 形条带为5 0 欧姆阻抗线，w = 2 8 m m ，l = 1 0 3 m m 。下表面地的长度h = 1 0 m m ，槽 口宽度w 0 = 2 5 m m ，长度l 0 = 3 6 m m ，天线的仿真性能如图2 - 4 所示。 寸 图2 - 3 天线的结构图 9 b o t t o mv i e w 勺一s】u苗暑歪品a 第2 章射频无源协同设计的基本方法探讨 f f e q u 黜y ( g 嗡 图2 - 4 天线的回波损耗 2 1 3 独立设计后直接级联的宽带天线滤波器模块 设计的宽带天线与宽带滤波器均为不平衡馈电结构，因此可以将天线与滤波 器直接相连，从而减少了匹配电路。同时将天线与滤波器在一块基板上制作，增 加了天线的接地面积，从而使模块工作的稳定性增加。不改变天线与滤波器的结 构参数，将它们直接级联，如图2 5 所示。 我们分别对天线和滤波器以及级联的天线滤波器模块进行了仿真，结果如所 示。由图2 - 6 可见，虽然天线与滤波器的回波损耗均在1 0 d b 以下，但级联的模 块性能明显出现了恶化：在3 - 5 g h z 的工作频段内，回波损耗在4 g h z 附近达到 了5 d b 。 图2 5 天线滤波器模块结构图 1 0 0 5 d 5 0 5 0 晤 。 巧 郴 彤 渤 彩 专： 郴 第2 章射频无源协同设计的基本方法探讨 12345 6 7 f r e q u e n c y ( g i n ) 图2 - 6 天线、滤波器及级联模块的s 参数 2 2 射频无源协同设计分析的基本思路 2 1 中的仿真结果表明，按照标准阻抗独立设计单元器件，再将其直接级联 后模块的整体性能发生明显恶化。下面从微波网络理论1 2 1 】出发，详细说明射频无 源协同设计分析的方法和原则。 对于双端口元件之间的协同设计，可令两个双端口元件的散射参数矩阵分别 为m 和n ，将两个双端口元件级联，构成的模块的散射参数矩阵为s 。根据微波 网络理论可以得到三者之间的函数关系为s = g ( m ，n ) ，分析模块满足全传输条件时 m 与n 之间的严格映射关系m = g o ( n ) ，以及m 与n 的映射关系偏离i n _ g o ( n ) 时， 模块的散射参数矩阵发生何种程度的变化。 对于单端口元件与双端口元件的协同设计，可令单端口元件的反射系数为 f ，；双端口元件的散射参数矩阵为s ；将单端口元件与双端口元件级联，构成的 模块的反射系数为r l 。根据微波网络理论可以得到三者之间的函数关系 f l = 厂( r ，s ) ，同样可以分析模块满足全传输条件( 1 f l i = 0 ) 时r 工与s 之间的 严格映射关系r 工= f o c s ) 。同时，可以考查当r l 与s 的映射关系偏离r l = f o ( s ) 时，模块的反射系数r ，将发生何种程度的变化。 2 3 双端口元件之间的协同设计方法 在某些微带电路模块中，往往需要分隔两个相距很近的频率，其中之一的衰 减应很小( 小于2 - 3 d b 以下) ，而另一衰减应很大( 大于3 0 d b 以上) 。在碰到 1 1 o 弓 舶 彤 珈 彩 抛 彤 m弓v2310叠量们 第2 章射频无源协同设计的基本方法探讨 这种问题时，正确选择和设计滤波器就十分重要。解决的途径之一是：可以设计 一低通滤波器，把f l 包含在通带内，而f 2 位于通带外( 不妨设f 2 f 1 ) 。 另外，由于分布参数的传输线段频率响应的周期性，使得在离开设计通带一 定距离处又产生了通带( 通常各通带中心频率之间成整数倍关系) ，即成为寄生 通带。因此，在设计滤波器时，必须事先考虑好寄生通带所在的位置，不要使截 止的频率落入寄生通带之内。另一种解决途径是：可以在带通滤波器后再设计一 低通滤波器，将可能出现的寄生通带滤除。 在上述的应用背景下，则需要设计两级滤波器电路，这是一个典型的二端口 级联的问题。下面从微波网络理论出发来探讨单元器件性能对模块整体性能的影 响。 给定两个单一的二端口各自的散射系数，确定当这两个二端口级联连接时所 得到的组合二端口的散射系数。这一问题可以分为三步：( 1 将每个二端口的 散射矩阵变换成级联矩阵；( 2 ) 将两个级联矩阵顺序相乘；( 3 ) 将合成二端口 的级联矩阵变换成散射矩阵。 考虑如图2 7 所示的两个二端口的级联连接模块。 a 。 卜a 2 a l ， m 2 17 1 n 0 2 -kd d ，u lu 1 1u 2 图2 - 7 两个二端口网络的连接图 m 和n 的散射矩阵分别为： m = r 铂t ：玎= r ，啊： l 1 2 jl 伤1 j 相应的级联矩阵和波幅间的关系是： _ a 虮f 2 1 珈纠麓n i 2l l a 2 同时如下等式满足： 4 = 召24 = 骂 因此， 1 2 第2 章射频无源协同设计的基本方法探讨 阡刎盼尺圈 式中r 是组合二端口的级联矩阵，其同散射矩阵s 之间的关系为： 和 在此例中， 用散射系数表示为： 吒12 r ：上i s z 岛t s t 最z s l 。l一如 i j a 1n 2 壮i l 1 = 仫 一只i ( 铂2 m 2 i m ll m 2 2 ) ( 碍2 他l 一l n 2 2 ) 一m ll ? 1 2 2 吒2 = m 2 1 n 2 1 聊1 11 - m 2 2 强1 ) 一m 1 2 m 2 l 啊l ，l n 2 1 优2 l n 2 1 ，一1 一m 2 2 啊l 嘞2 一 m 2 1 y 2 1 再将级联二端口的级联矩阵r 变换为散射矩阵s ，得到 s l = m l + 警 l m 2 2 ，z l i s 1 2 - - 而n 1 2 m 1 2 是t = 而m 2 1 丽n 2 1 = ，z 2 2 + 而n 1 2 n 2 丙1 m 2 2 在模块的工作频段内，做如下近似假设： 阮慨。i 1 1 3 rj吆坳 + + m 收心札蚝 + + m mm 坞 。l = 足 第2 章射频无源协同设计的基本方法探讨 i ：l l 同时设m 和n 均为互易网络，则还有如下关系满足： r 1 2 = ，吃l ，1 1 2 = n 2 1 则回波损耗s l l 可表示为： 墨，1 。l 步，+ i 门，i v j ( + 2 ：) ( 2 1 ) 在模块的工作频段内，期望的理想情况为：s l l = o 。此时需要满足的关系为： 1 。i = i ，z l ，l ( 2 力 。+ 刀= 。+ 2 ： ( 2 3 ) 2 4 单端口元件与双端口元件之间的协同设计方法 天线一滤波器是一种典型的射频结构，将天线与滤波器在一块基板上制作， 可以增加天线的接地面积，从而使模块工作的稳定性增加，如2 1 中所述的设计 实例。将天线视为一单端口器件，滤波器视为一双端口器件，可以用与2 3 中类 似的方法分析单元器件性能对整体模块性能的影响。 给定一个单端口元件的反射系数为r ，双端口元件的散射矩阵为s ，二者 级联后模块的反射系数为r l ，如图2 - 8 所示。 厶 s r 工 l 一j 图2 8 单端口网络与二端口网络的连接图 厂q 【s 】= e 采用2 3 中的推导方法，得出r 、s 与r l 之间的关系为 f = ( 墨2 墨! 二墨! 墨2 2 1 墨l 1 1 一岛2 f 上 在模块的工作频段内，作如下近似假设： 1 4 ( 2 4 ) 第2 章射频无源协同设计的基本方法探讨 h i i s = l 4 0 d b ，带内回波损耗l r 为- 2 0 d b ，端口阻抗z o = 5 0 q ，介质基板的介电常数_ 2 6 5 ，其厚度h = 0 5 m m ，损 耗角t a n d = 0 0 0 1 ，铜片厚度t = o 0 1 8 m m 。 设计步骤如下： 1 ) 首先根据带通滤波器和低通原型滤波器之间的频率对应关系，求出带通 滤波器f ：2 4 g h z 所对应的低通原型滤波器的频率继，由低通原型滤波器的衰减 特性，得出滤波器所需的阶数n 。 低通原型和带通滤波器之间的近似线性频率变换关系为： 卟鲁= 专( 等qk 以w = 1 0 ，o a o = 2 兀x 4 x1 0 9 ，m = 2 n x 2 4 x1 0 9 代入，得到 卟鲁= 击( 竿) = 8 同时，根据式 第4 章应用协同设计方法减小模块的尺寸 厶，= 一1 0 l o g ( 1 1 0 n 1 ) 得到，l r = 2 0 d b 时，l 旷- 0 0 4 4 d b 。 再根据c h e b y s h e v 原型滤波器阶数与性能指标之间的关系 刀兰三! 兰：羔 1 19 0 1 n ：! ! ：= - i 1 c o s h 叫b 得到n 的最小值为3 。 2 ) 根据滤波器阶数及衰减波纹值，得到低通原型参量 g o 9 4 l g l臣9 3 1 0 6 6 4 80 5 4 4 51 2 2 1 01 i 3 ) 根据公式： 血： k 以肿l 一= 虼 了j t , i + l ：孪士，i 从1 弛1 2 q g f g j + l 7。 计算各个导纳倒置转换器参量j o 4 ) 根据公式： z o 。= 专( 1 一专+ ( 专 2 驴如糍 2 计算各段平行祸合线的奇偶模特性阻抗z o 。和z 0 0 。 5 ) 根据上述的奇偶模特性阻抗值，可以求得每一对平行耦合线的宽度w 和 间距s 。 设计完成的三阶平行耦合线带通滤波器的伸展长度约为3 8 m m 。而如果降低 对性能指标的要求，希望睨4 g h z 时，带外衰减k 7 3 0 d b ，带内回波损耗l r 为1 0 d b 。根据 l ，- - 1 0 l o g ( 1 1 0 n l k ) 得到l a r = l d b ，根据c h e b y s h e v 原型滤波器阶数与性能指标之间的关系 2 9 第4 章应用协同设计方法减小模块的尺寸 ，2 c o s h 一1 c o s h 一1q s 得到n 的最小值为2 。则设计完成的二阶滤波器的伸展长度约为2 5 m m ，比性能 较好的三阶滤波器的尺寸减少了约1 3 。 最后，根据2 4 中所述，使天线的回波损耗与滤波器的回波损耗在通带内相 互补偿，模块性能并不会恶化。 4 5 小结 若以协同设计的思想来设计天线滤波器模块，那么只要整个天线滤波器模 块的带内回波损耗与带外抑制能满足所要求的性能指标，r l 与s 均可动态变化， 故而，在设计过程中不必苛求滤波器性能的优越。我们可以从模块整体效益出发， 重新分配单元器件的性能参数，从而减小模块的尺寸。 第5 章应用协同设计方法减小超宽带滤波器的实现难度 第5 章应用协同设计方法减小超宽带滤波器的实现难度 5 1超宽带滤波器的设计挑战 5 。1 1 超宽带技术简介 超宽带( u l t r a - w i d eb a n d ，u w b ) 通信技术已经在学术界和工业界引起了相 当大的关注。与传统的窄带通信模块不同之处在于，超宽带通信占用数个g h z 的带宽传输信息，与此同时，其功率谱密度很低，不会对现有的通信模块带来比 较大的干扰。因此超宽带通信模块是一种崭新的共享频谱技术。 超宽带滤波器是超宽带通信模块的重要组成部分，它的作用有二：避免现有 无线模块对u w b 模块的干扰；对i r - u w b 模块的窄脉冲进行频谱成型。需要满 足的主要技术指标如下：在3 1 1 0 6 g h z 的频带内具有低插损值和小而平坦的群 时延；带外抑制需满足f c c 规范，尤其在3 1 g h z 以下的低频段。此外，滤波器 的体积应当尽量小型化，便于集成。这就从设计方法和结构工艺两方面对现有滤 波器设计方法提出了挑战。 5 1 2 超宽带滤波器的研究现状 由于传统滤波器设计理论是基于窄带假设的，以此为指导而设计出的器件容 易产生寄生通带以及宽频带内的非线性色散，故而并不适用于超宽带滤波器的设 计。 目前国内外超宽带滤波器的设计主要有以下几种类型： 1 ) 基于多模谐振器的设计( m u l t i m o d er e s o n a t o r ，m m r ) 其原理是利用非均匀传输线的谐振作用，产生多个谐振模式，将低次的几个 谐振模式协同起来以形成u w b 通带。 0 5 年由l e iz h u 2 3 】等人提出的阶梯阻抗谐振器( s i r ) 结构的多模谐振器如图 5 1 所示。中间为一段在中心频率6 8 5 g h z 处的半波长的微带线，而两端辅以完 全相同的1 4 波长微带线，这即为s i r 结构的多模谐振器原型。同时在两端引入 了1 4 波长的平行耦合线结构，增加了两个传输极点，能够在通带内获得较小的 通带内插损和回波损耗。制作完成的滤波器通带内插损小于2 d b ，群时延在0 2 0 4 3 n s ，完整尺寸为1 5 6 4 m m 。此滤波器的通带内插损较高，另外，上截止带仅 为1 1 1 4 g h z ，带外抑制性能并不出色。 3 1 第5 章应用协同设计方法碱小超宽带滤波器的实现难度 5 0 q5 0 q 一 一一 图6 - 4s i r 结构的基于多模谐振器的超宽带滤波器 针对上述缺陷l e iz h 水4 1 等人在0 6 年对此滤波器作了改进，主要是为了改 善带外抑制。在原来的多模谐振嚣两端加上交叉指型耦合线，有如下图的三种类