一种新型高隔离四端口双工器设计.docx

1、第33卷第2期2018年4月电波科学学报CHINESEJOURNALOFRADIOSCIENCEVol.33,No.2April.2018贺旺，陆云龙.黄季甫，等.一抻新图高隔离四端口双工器设计J.电波科学学报，2018,33(2),156-161.DOI：10.13443/j.cjors.2017101001HEW,LUYL,HUANGJF,etal.Anoveldesignof4-portdiplexerwithhighisolation。.Chinesejournalofradioscience.2018.33(2),156-161.(inChinese).DOI,10.13443/j.

2、cjors.2017101001一种新型高隔离四端口双工器设计一种新型高隔离四端口双工器设计U1贺旺I陆云龙/黄季甫I李凯31.宁波大学信息科学与工程学院.宁波315211；2.庭米波国家重点实验室.南京210096；3.浙江大学信息与电子工程学院，杭州310027)摘要设计了一款基于微带线的高隔离的新型四端口双工器，由两组中心频率不同的滤波器构成,每一组滤波器包括相位分别为±90°的两个滤波器.相对于传统的三端口双工器.得益于该双工器的新型四端口电路拓扑，使得泄露信号经过两路传榆后形成相位相差180°的信号，最终相互抵消，进而达到提高隔离度的目的.另外，本设计所

3、需要的180°移相由滤波器本身结构实现，不需要额外的移相电路，因而使得电路更加简单紧凑.为验证方法的有效性，设计了一款工作在1.8GHz和2.1GHz的四端口双工器并进行了加工，通过对双工器实物的测量，在1.8GHz和2.1GHz的隔离度分别达到了50.9dB和43.5dB,相对于传统三端口双工器分别提高了9.7dB和12.8dB.显著提升了双工器的隔离度.关键词双工器；高隔离度；带通滤波器；相位响应；四端口中图分类号TN921文献标志码A文章编号1005-0388(2018)02-0156-061X)110.13443/j.cjors.2017101001Anoveldesigno

4、f4-portdiplexerwithhighisolationHEWang'LUYunlong*2HUANGJifu*LIKai31.FacultyofElectricalEngineeringandComputerScience,NingboUniversity,Ningbo315211*China;2.StateKeylaboratoryofMillimeterWavesNanjing210096,China；3.CollegeofInformationscienceandelectronictechnology,ZhejiangUniversity,Hangzhou310027

5、,China)AbstractAhighisolated4-portdiplexerbasedonmicrostriplineispresentedinthispaper.Thediplexeriscomposedoftwopairsoffiltersoperatingdifferentfrequency,eachpairinclude2filterswithphaseof90°and90°.Thediplexercanachieveanisolationenhancementcomparedwithsomereported3-portdiplexers,resulting

6、fromthe4-portcircuittopologyanddifferenceofphase180°suppressestheleakagebetweenthetwochannels.Thefilterofproposed4-portdiplexerisbasedonhalf-wavelengthopen-loopresonatorstructure,whichenablestheinverterwithoutincurringanyextracircuitfootprint.Forvalidation,thediplexerwithoperatingfrequenciesof1

7、.8GHzand2.1GHzisdesigned,fabricatedandmeasured.Theexperimentalresultsshowthatthe4-portdiplexerhasgoodin-bandperformanceandhighisolationof50.9dBand43.5dB.Comparedtothetraditional3-portdiplexer,the4-portdiplexerincreasedby9.7dBand12.8dBrespectively,whichindicatesthatthenoveldiplexerincreasedtheisolati

8、onsignificantly.Keywordsdiplexer；highisolation;band-passfilter；phaseresponse；4-pon收稿日期：2017-10-10资助项目：浙江省自然科学育年基金(LQ17F010002),浙江省教育厅项目(Y201533641)；宁波市自然科学基金(2016A610063,2016A61OO6O)联系人：贺旺E-mail：hewang430321引言随着通信技术的发展.通信技术的应用范围越来越广.在各个微波频段中.系统的频率拥挤且多信道实时双向通信要求收、发信道必须同时使用同-副天线.且接收和发送信道不相立影响.因此设备的射频前

9、端必须要有信号合成和分离的器件,即双工器.为了防止发射端的高功率信号泄甯影响接收端低功率信号的接收在此背景下两个通道之间的隔离度成了双工器设计的关键因素.为此，研究者一百在探索如何来提高隔离度".文献1-2中都是采用两个独立工作在不同频带的带通滤波器通过一个三端II阻抗匹配网络连接成双工器.另外一种方法是利用一个双通带滤波器代替匹配网络但是这样会导致隔离度的降低.另外.研究者也通过电磁槌合或者不对称耦合方式来改变传输零点位骨来达到高隔离度的效果到目前为止.研究者能达到的隔离度约为40dB.2016年K()NPANGJ提出了一种四端口双工器来提高隔离度.文献7中论述的四端II双匚器由两

10、个双工器和移相器构成.该结构能将双I：器隔离度提高到60dB,但没有实验验证.本论文改进的方法是由两组带相位差的滤波器组合成一个四端口双工器，与文献7中不同的是.本文四端口双工器所需的180°移相由两组不同输出端口的滤波器产生，不需要额外采用移相器电路.因而可进一步简化电路设计.信号经过两路传输和反相后.最终两路相位相差180°信号相互抵消而提高隔离度.1双工器的理论分析与设计近年来.我国4G正在如火如荼的发展.为了更好体现本论文的实践应用性，本设iH】的双工器工作在4GLTE频段.选取/,=1.8GHz和人=2.1(；Hz.1.1隔蔑度提升原理图1给出了本文所要设计的四端

11、口双工器原理结构，其中端口1用作天线端口,端口4作为负载端口.端口2和3叮分别作为接收和发送端口.四端口双工器由两组滤波器构成，第1组中滤波器1和波波器3工作在频率滤波器1和滤波器3的输出之间有180°的相位差；第2组中滤波器2和滤波器4工作在频率人，滤波器2和滤波器4的输出之间也有180°的相位差.从发送端口3到接收端口2存在两条信号传输路径1和II.若天线和负载完全匹配.当信号从端口3到端口2沿着路径I和路径II传输时.因为两组滤波器相位相差】80°,所以在路径1和路径II上对信号八和人的相位都呈现反相特性.同时,若两条传输路径上信号幅度相等，且忽略同组滤波器

12、中信号插损不相等的情况，则两路信号在端口2处为等幅反相，进而相互抵消提升双工器的隔离度.其理论分析如下：当双工器工作在发送频率时定义：S|2=alS“=降1，S3<=%1，Sh=0,(1)根据文献7中的分析方法.可以解得系统工作在发送频率时的散射参数矩阵为0X/I-寸0s=X00/1700X_0X0J(2) 同理.当双工器工作在接收频率时定义：S)2=a=l«S|3,Sy=1,S】4=0.(3)解得系统工作在接收频率时的散射参数矩阵为0'X0.(4)图14端口双工器示意图Fig.1Schematicdiagramofthe4-portdiplexer从式(2)和(4)得

13、知：工作在发送频率时,S“=S”；工作在接收频率时，S12=-S34.保持四端口501.82.0222.4频率/GHz双工器电路的对称性.可获得较好的幅度平衡因此相位误差成为影响双工器隔离度的直接原因L8.由于双工器收发工作频率是分开的，当工作频率的频率比增大时.为保证在收发频率上都呈现反相特性，对移相器提出了较高的要求.本设计中利用滤波器本身相位特性来实现反相.从而避免r四端口双工器电路中的移相器，使得整体电路更加简洁、紧凌.1.2滤波器的幅相特性分析本文中滤波器采用的是基于半波K折叠开环谐振器结构设计的滤波器7'。】，电路结构如图2所示.1.8GHz的滤波器幅度和

14、相位响应.当端口为1和2时.中心频率处相位为90°；端口为1和2'时.中心频率的相位为一90°.由于谐振器K度固定，所以不(a)滤波器幅度和相位响应(a)Simulatedamplitudeandphaseresponses图，四端口双工器结构图Fig.4Thestructureof4-portdiplexerU路径n图2滤波器结构Fig.2Proposedfilteringstructure滤波器由开路谐振器1和清振器2通过电耦合的方式构成.从端口1输入的信号通过传输路径1和传输路径II传送到端口2或者端口2'.由电路分析可知,2信号在传输路径的电长度不一

15、样的路径上传播时.会导致端口1与端口2和端口2'的相位不一致.所以，通过选择合适的输出端口位置即可实现输出信号180°的相位差.图3(a)给出了本论文中第1组中心频率人=(b)滤波器相位差响应(b)Phasedifferencesbetweenports2and2*图3图2中滤波器结构的响应特性Fig.3ResponsesofthefilteringstructureshowninFig.2论采用端口2还是端口2'.都会在幅度响应上呈现同样的滤波特性.图(b)表示了端口2和端II2'的相位差在1.8GHz带内呈现在173°和188°之间浮动

16、，符合本设计的要求.同理，可以确定在2.1GHz处也能设计出相应符合要求的电路.1.3双工器电路设计基于上述分析和滤波器结构.图4给出r四端口双工器的整体结构.端口1为输入端.端II2和3分别为双工器的接收和发送端.端口4接一个50Q的负载.为了减小电路的尺寸连接处的T型结构均采用折会线结构.当信号从端口2输入时，信号分别沿着路径I和路径II传播.在路径1上传播的信号会形成90°的相位偏移.在路径】1上传播的信。会形成一90°的相位偏移.在端口3处看，两路信号形成的相位相差180°,最后相互抵消使得隔离度得到提高.本次使用厚度为0.762mm的介质板Rogers4

17、350B,介电常数3.66.经电磁仿真软件AnsoftHFSS优化后的四端口双工器实际尺寸如表1所示.衰1四携口双工器尺寸Tab.1Parametersofthe4-portdiplexermm参数取值参数取(ft13.0060.904.20Zs2.70l30.799.44li2.366010.5014.44Wi1.002.40w：1.7202仿真和测量结果四端口双工器加工产品如图5(a)所示，整体尺寸为90mmX90mmX0.8mm.使用安捷伦矢量网络分析仪E8361C进行测鼠.四端口双工器S参数的电磁仿真和测试结果的数据如图6所示，双工器在1.76-1.84GHz插损小于1.6dB,回波损

18、耗小于一11dB；在2.062.14GHz插损小于1.9dB,回波损耗小于一10dB.由于存在加工公差，所以实测和仿真数据之间有一定的误差但是测试结果和仿真数据在整体趋势上还是能够较好地吻合.为了更加直观地对比本双工器的优点，本次还加工了传统型双工器，由两个带通滤波器和一个T型枝节组成，即图4中的三端口双工器，如图5(b)所示.通过矢量网络分析仪测试，测试数据如图7所示.从数据中可以得到四端口双工器输入端回波损耗IS在两个频段中均小于一10dB,插入损耗在带内分别为1.1dB和1.5dB.两个双工器实测和仿真IS23I数据如图8所示，在1.8GHz和2.1GHz处，四端口的隔离度分别为50.9

19、dB和43.5dB,而三端口的隔离度只有41.2dB和30.7dB；从图中明显可以得出在1.8GHz到2.1GHz带内，本文设计的四端口双工器在隔离度方面比传统的三端口效果好，在1.8GHz和2.1GHz处隔离度分别提高了9.7dBffl12.8dB.-10-20t-30.-40s-50-60-70(a)四端口双工器(b)三端口双工器(a)4-portdiplexer(b)3-portdiplexer图5加工的实物图Fig.5Photographoffabricateddiplexers1.501.752.00X252.50叛率/GHz图7三蜻口双工器仿真和测试堵果Hg.7Simulateda

20、ndmeasuredresultsofthe3-portdiplexer1.501.752.002.252.50M*yGHz圈6四端口双工器仿真和测试结果Hr.6Simulatedandmeasuredresultsofthe4-portdiplexer4口双工者ys?ffi8两种双工器结构测试和仿XISUI对比Fig.8Comparisonofisolationbetweenthe3-and4-portdiplexers表2列出了本论文的四端口双工器与其他双工耗有少所的上升，这是由于四端口双工器采用的两器-些性能的对比.从数据可以看出：四端口双工器组传输路径带来的影响.在带内的性能优于其他三

21、端口双工器.带内插入损表2本文设计的四蕴口双工器与其他三端口双工器性能对比Tab.2Comparisonbetweenourdesignandotherdiplexers文献频率/GHz频率比值插入损耗/dB隔离度/dB端口数31.95//1.540.0/35.0341.80/2.401.331.1/1.2>40.0352.44/3.521.441.4/1.6>42.03本文1.80//1.950.9/43.543结论本文设计了一种高隔离的新型四端口双工器，该结构由两组带相位差(±90°)的带通滤波器构成.利用收发端口

22、之间的两路具有反相特性的传输路径.使得发射端口泄漏到接收通路上的信号相互叠加抵消.进而改善整个四端口双工器的隔离度.相对于传统三端口双工器设计，采用该方法实现的四端口双工器具有隔离度高、结构简单等优点，这为无线通信系统射频前端电路中双工器的设计提供了一种新方法.参考文献PENGHS.CHANGYS.Microstripdiplexerconstructedwithnewtypesofdual-moderingfiltersJ.IEEEmicrowaveandwirelesscomponentsletters.2015,25(1)：7-9.1 丁华华.筋子彬.张弛，等.一种基于基片集成波导的小型

23、化双工器设计J.微波学报.2016.32(S2):357-359.DINGHH.WENGZB,ZHANGC,ctal.DesignofminiaturizeddiplexerbasedonsubstrateintegratedJj.Journalofmicrowaves.2016,32(S2)：357-359.(inChinese)GUANX.YANGFLIUH.cthI.Compactandhigh-isolationdiplexerusingdual-modestub-loadedresonatorsJ.IEEEmicrowaveandwirelesscomponentsletters*2

24、014*24(6)：385-387.2 CHENGF.LINXQ.ZHUZB,etal.Highisolationdiplexerusingquarter-wavelengthresonatorfilterJ.Electronicsletters.2012.48(6):330-331.3 XIAOJK.ZHUM,LIY,etal.HighselectivemicrostripbandpassfilteranddiplexerwithmixedelectromagneticcouplingJ.IEEEmicrowavewirelesscomponentsletters,2015.25(12):7

25、81-783.4 XUJX.ZHANGXY.Compacthigh-isolationLTCCdiplexerusingcommonstub-loadedresonatorwithcontrollablefrequenciesandbandwidthsJ.IEEEtransactionsonmicrowavetheoryandtechniques.2017,PP(99)：1-9KONPANGJ.SANDHUM.SOMITTN.etal.NovelRFinterferencerejectiontvehniqueusingafour-portdiplexerCJ/201646thEuropeanM

26、icrowaveConfer-ence.London,2016：524-527.5 KONPANGJ.SANDHUM.SOM1TTN.etal.Four-portmicrostripdiplexerforRFinterferencerejectionC/201613thInternationa)ConferenceonE-Icctrica!Engineering/EIcctronics.Computer.Tele-com-municationsandInformationTechnology.ChiangMai,2016.6 CHANGYC,KAOCH.WENGMH.etal.Anovelcompactdual-bandbandpassfilterwithawidestopbandusingasymmetricSIRsforWLANsC2008AsiaPacificM