CN117543174B - 一种宽带频分双工器 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种宽带频分双工器，包括互为拓扑的两种构型，在合路端口及低通端口或高通端口分别并联LC串联谐振接地网络，并在LC串联谐振接地网络的串联节点间跨接变压器T及电阻器R，变压器T及电阻器R的串联节点连接有接地电抗元件，合路端口及低通端口或高通端口之间跨接有电抗元件。本发明提出的宽带频分双工器由电阻器、电容器、电感器和变压器共4种基本无源元件组成，具有三个端口阻抗均全频段匹配，两个分路端口间隔离性能优异的特征。

Description

一种宽带频分双工器
技术领域
本发明涉及射频电子元器件领域，具体而言涉及一种宽带频分双工器。
背景技术
无线电通信设备为简化设计，普遍采用收发链路共用一副天线的方案。为实现实时双向通信，收发链路选用不同的频道，通过频分双工器实现收发链路间的隔离，并耦接至同一副天线。而像手机等现代移动通信设备通常要支持工作在不同频道的多种通信标准，因而需要为多个收发链路进行分频或者合路，这就要使用多个频分双工器。
频分双工器的核心功能是对两个不同频道的收发链路进行分路或合路，并为两路信道提供隔离，防止电路间相互影响。
现有频分双工器大多是采用通带不重叠的两个滤波器通过T形接口电路连接在一起，构建一个三端口网络：在分路端口，其端口频域特征与所接滤波器的端口频域特征一致，既通带内匹配，通带外失配；在合路端口，其端口频域特征表现为在两个滤波器的通带内均匹配，其它频率范围则失配；分路端口间的隔离度与T形接口电路的去耦性能和每个滤波器带外对另一频道的抑制能力有关。
由双带通滤波器构建的频分双工器可以看作是窄带双工器，受到带通滤波器带宽的强烈约束，不具备可重构性或复用性，既一种窄带频分双工器只能满足两个特定频道信号的分路或者合路。当需要构建一个频分多工器时，需要多个带通滤波器，而多个滤波器去耦电路的设计是十分复杂的。
从电磁兼容的角度上说，对于接收信道，滤波器与频分双工器集成在一起是有好处的，但对于发射信道，滤波器应靠近发射源放置，当发射源与频分双工器无法就近布局时，为抑制发射源的带外辐射就必须就近增加一个滤波器，从而增加了***设计的复杂度。因此，用带通滤波器构建的窄带频分双工器客观上降低了***设计的灵活性。
由高低通滤波器组合构建的频分双工器具有宽带特征，两个滤波器具有相同的3dB截止频率fC，该频率即为分频点。注入合路端口的单音信号在分频点到达两个分路端口的功率相等，也就是说在分频点fC，宽带频分双工器等效为3dB功分器。
这种宽带频分双工器用低阶数的巴特沃斯型滤波器即可实现。例如在美国科技图书出版社ARTECHHOUSE于1995年出版的《RFDesignGuide-Systems,CircuitsandEquations》一书中，作者彼得·维茨穆勒给出了一款分频点为100MHz的宽带频分双工器设计，其电路构成及元件参数如图1所示。
对该电路设计建模并进行仿真，我们可以直观的看到该宽带频分双工器的电性能，如图2A及图2B所示。
图2A中S21是合路端口与低通端口间的传输系数，S31是合路端口与高通端口间的传输系数，S32是低通端口与高通端口间的传输系数。m1为读数标记，由m1的读数可以看出，两分频滤波器的3dB截止频率都为100.8MHz，两分路端口间的隔离度等于两滤波器在同一频率处***损耗的叠加。
图2B中S11、S22和S33分别是合路端口、低通端口和高通端口的反射系数。显然，合路端口在全频段都表现出良好的匹配特征，而分路端口在各自***损耗很小的通带区域匹配性能良好，但由通带向阻带过渡，随着***损耗的增加反射系数也逐渐恶化。在分频点100.8MHz处，两分路端口的回波损耗均为-6dB左右。
这种宽带频分双工器在三个端口的通带内都可以提供宽阔的匹配带宽，分路端口可通过级联相应的带通滤波器增加端口间的隔离度。显而易见，这种双工器与滤波器分离的设计提高了***设计的灵活性，也降低了对级联滤波器带外抑制性能的要求。
但是同时，在该宽带频分双工器分频点附近，分路端口的隔离度和反射系数恶化严重，造成这一频带利用困难。
在分频点fC处，宽带频分双工器等效为3dB功分器，根据能量守恒定律，不可能通过增加两个滤波器的交叠区域改善分路端口在分频点附近的匹配性能，这样做反而会恶化两个分路端口间的隔离度。
通过增加两个滤波器的阶数使过渡带变得陡峭可以压缩分频点附近的不可用带宽，这是以增加双工器的设计复杂度和电路元件数量为代价的，并且不能从根本上解决问题。
用具有陡峭过渡带特征的切比雪夫或椭圆函数滤波器替代巴特沃斯滤波器也能够压缩分频点附近的不可用带宽，但事实上，相同阶数的切比雪夫或椭圆函数滤波器都要比巴特沃斯滤波器复杂，并且同样不能从根本上解决问题。
到目前为止，没有见到能够从根本上解决宽带频分双工器分频点附近频带不可用问题的现有技术。在无线电通信领域射频频段频谱资源异常紧张的当下，现有宽带频分双工器很难满足频道间隔很窄的应用需求，或者说，现有宽带频分双工器的应用存在较严重的频谱资源浪费问题。
发明内容
针对带通双工器存在的复用性差和现有宽带频分双工器存在的较严重的频谱资源浪费问题，本发明公开了一种宽带频分双工器。
本发明的宽带频分双工器为三端口网络，分别是合路端口、低通端口和高通端口；合路端口并联有第一LC串联谐振接地网络；低通端口并联有第二LC串联谐振接地网络；第一LC串联谐振接地网络及第二LC串联谐振接地网络的串联节点间跨接有变压器T和电阻器R；变压器T和电阻器R的串联节点连接有接地电抗元件；合路端口与低通端口间连接有电抗元件。
更进一步地，合路端口与低通端口具有相同的阻抗，其阻抗值与电阻器R的取值相等。
更进一步地，并联在合路端口的第一LC串联谐振接地网络和并联在低通端口的第二LC串联谐振接地网络的电感量与电容量相同，从而使两个LC串联谐振接地网络的串联谐振角频率ω0相同；两个LC串联谐振接地网络的电容器端分别连接合路端口和低通端口，两个LC串联谐振接地网络的电感器端均接地；两个LC串联谐振接地网络中电感器的取值为L＝R/ω0，电容器的取值为C＝1/(R·ω0)。
更进一步地，变压器T的次级线圈的一端与第一LC串联谐振接地网络的串联节点相连；电阻器R的一端与第二LC串联谐振接地网络的串联节点相连；变压器T的次级线圈的另一端与电阻器R的另一端串联；变压器T的初级线圈接高通端口。
更进一步地，连接在变压器T和电阻器R串联节点的接地电抗元件为至少一个电容器，电容器的取值为第一LC串联谐振接地网络或第二LC串联谐振接地网络中电容器取值的2倍。
更进一步地，跨接在合路端口与低通端口间的电抗元件为至少一个电感器，电感器的取值为第一LC串联谐振接地网络或第二LC串联谐振接地网络中电感器取值的2倍。
本发明的技术方案中提出了另一种宽带频分双工器，包括合路端口、低通端口和高通端口；合路端口并联有第一LC串联谐振接地网络；高通端口并联有第二LC串联谐振接地网络；第一LC串联谐振接地网络及第二LC串联谐振接地网络的串联节点间跨接有变压器T及电阻器R；变压器T及电阻器R的串联节点连接有接地电抗元件；合路端口及高通端口之间跨接有电抗元件。
更进一步地，合路端口与高通端口具有相同的阻抗，其阻抗值与电阻器R的取值相等。
更进一步地，第一LC串联谐振接地网络和第二LC串联谐振接地网络的电感量与电容量相同，从而使两个LC串联谐振接地网络的串联谐振角频率ω0相同；两个LC串联谐振接地网络的电感器端分别连接合路端口和高通端口，两个LC串联谐振接地网络的电容器端均接地；两个LC串联谐振接地网络中电感器的取值为L＝R/ω0，电容器的取值为C＝1/(R·ω0)。
更进一步地，变压器T的次级线圈的一端与第一LC串联谐振接地网络的串联节点相连；电阻器R的一端与第二LC串联谐振接地网络的串联节点相连；变压器T的次级线圈的另一端与电阻器R的另一端串联；变压器T的初级线圈接低通端口。
更进一步地，连接在变压器T和电阻器R串联节点的接地电抗元件为至少一个电感器，电感器的取值为第一LC串联谐振接地网络或第二LC串联谐振接地网络中电感器取值的2倍。
更进一步地，跨接在合路端口与低通端口间的电抗元件为至少一个电容器，电容器的取值为第一LC串联谐振接地网络或第二LC串联谐振接地网络中电容器取值的2倍。
相比较现有双工器技术方案，本方案的有益效果在于：
一是工作频带宽。三个端口均为宽带匹配，在分频点附近不存在反射系数和隔离度恶化现象，解决了现有频分双工器存在的缺陷。
二是应用简便，可重构或复用性强；分路端口间隔离度高，可不用集成或级联带通滤波器提高隔离度；同时，级联构造多工器十分便利，显著简化设计、降低成本。
三是端口集成变压器，适用性强。两种构型分别在低通端口和高通端口采用变压器作为接口元件，实现单端/差分信号互连、阻抗变换和相位翻转等十分便利。
四是由电阻器、电容器、电感器和变压器共4种基本无源元件组成，适合单片集成制造。
附图说明
图1为现有技术的100MHz分频点宽带频分双工器；
图2A及图2B为现有技术的100MHz分频点宽带频分双工器电性能；
图3A为本发明公开的a构型宽带频分双工器的电路图；
图3B为本发明公开的b构型宽带频分双工器的电路图；
图4A及图4B为本发明a构型设计的100MHz分频点宽带频分双工器电性能；
图5A及图5B为本发明b构型设计的100MHz分频点宽带频分双工器电性能；
图6A-图6E为用本发明双工器级联构建四工器的示意图。
具体实施方式
应当理解，此处所描述的具体实施例仅用以解释本发明，并非限定本发明的保护范围。
本发明公开的宽带频分双工器分为两种基本构型，如图3A及图3B所示，分别表示a构型及b构型。两种构型均由至少6个电抗元件、1个电阻元件和1个变压器构成，Z0和Z1为端口的特征阻抗，n为变压器的初级与次级线圈匝数比。
在a构型中，电感器L31a跨接在合路端口与低通端口之间；合路端口并联由C31a和L32a构成的第一串联谐振接地网络，低通端口并联由C32a和L33a构成的第二串联谐振接地网络；在合路端口的第一LC串联谐振接地网络的串联节点接入变压器T31a次级线圈的一端，在低通端口的第二LC串联谐振接地网络的串联节点接入电阻器R31a的一端，变压器T31a次级线圈的另一端与电阻器R31a的另一端相接，并通过电容器C33a接地；变压器T31a的初级为高通端口。
a构型各元件的参数取值约束如下：
R31a＝R
C31a＝C32a＝C
C33a＝2C
L31a＝2L
L32a＝L33a＝L
其中
L＝R/ω0
C＝1/(R·ω0)
式中，ω0为LC的串联谐振角频率，其取值为分频点角频率ωC＝(2π·fC)的1.5倍。
此时，对于任意角频率ω，a构型合路端口与低通端口的输入阻抗均为
Z0(ω)＝R
a构型高通端口输入阻抗为
Z1(ω)＝n2·R
b构型与a构型的差异在于电路中的电感器与电容器互换位置，同时分路端口也互换了位置。
在b构型中，电容器C31b跨接在合路端口与高通端口之间；合路端口并联由L31b和C32b构成第一串联谐振接地网络，高通端口并联由L32b和C33b构成第二串联谐振接地网络；在合路端口的第一LC串联谐振接地网络的串联节点接入变压器T31b次级线圈的一端，在高通端口的第二LC串联谐振接地网络的串联节点接入电阻器R31b的一端，变压器T31b次级线圈的另一端与电阻器R31b的另一端相接，并通过电感器L33b接地；变压器T31b的初级为低通端口。
b构型各元件的参数取值约束如下：
R31b＝R
C31b＝2C
C32b＝C33b＝C
L31b＝L32b＝L
L33b＝2L
其中
L＝R/ω0
C＝1/(R·ω0)
式中，ω0为LC串联谐振角频率，其取值为分频点角频率ωC＝(2π·fC)的2/3倍。
此时，对于任意角频率ω，b构型合路端口与高通端口的输入阻抗均为
Z0(ω)＝R
b构型低通端口输入阻抗为
Z1(ω)＝n2·R
在满足上述条件的前提下，当电阻R的取值等于应用网络的特征阻抗Z0时，a、b构型宽带频分双工器三个端口都可以实现宽带匹配。这意味着在分频点附近三个端口都不存在反射系数恶化的现象。
本发明所公开的宽带频分双工器由电阻器、电容器、电感器和变压器共4种基本无源元件组成，在图3A及图3B中对于这4种无源元件的表述采用原理图符号形式，并非限定其采用集总元件形式实现，任何等效电路形式均可用于实现，例如采用LTCC(低温共烧陶瓷)、MEMS(微电机***)、厚膜印刷电路或者MMIC(微波集成电路)等制造工艺的集总、分布或混合参数元件形式。
下面通过3个具体示例来进一步说明本发明的特征和有益效果。
实施例1:
如图3A所示，为以a构型设计的一个分频点为100MHz的50Ω特征阻抗宽带频分双工器。
根据前述，LC串联谐振频率应为150MHz，分别计算电感L和电容C，取整得电感L为53nH，电容C为21pF。经建模仿真，用本发明a构型设计的100MHz分频点宽带频分双工器电性能如图4A及图4B所示。
图4A中，S21是合路端口与低通端口间的传输系数，S31是合路端口与高通端口间的传输系数，S32是低通端口与高通端口间的传输系数。对比图2A可以看出，本发明分路端口的带外抑制能力没有现有设计形式宽带频分双工器强，但是分路端口间的隔离度明显要高得多，在分频点处隔离度最差，但也超过了50dB，显著低于滤波器的阻带衰减，完全满足工程应用，因而无需通过级联滤波器来提高隔离度，可以简化***设计。
图4B中，S11、S22和S33分别是合路端口、低通端口和高通端口的反射系数。可以看到三个端口的反射系数曲线完全重合，且在-45dB以下，说明各端口全频段匹配，且匹配性能优异。
分路端口间的隔离度并没有达到无限高，各端口的反射系数也没有达到无限低的理想匹配状态，原因是在上述设计过程中对计算取得的电容量和电感量进行了取整，因而偏离了最佳理论值。
从分路端口间的隔离性能和各端口的匹配性能上进行比较，本发明a构型解决了现有形式宽带频分双工器分频点附近隔离度差、反射系数恶化的问题。
实施例2:
如图3B所示，为以b构型设计的一个分频点同样为100MHz的50Ω特征阻抗宽带频分双工器。
根据前述，LC串联谐振频率约为67MHz，分别计算电感L和电容C，取整得电感L为119nH，C为48pF。经建模仿真，用本发明b构型设计的100MHz分频点宽带频分双工器电性能如图5A及图5B所示。
图5A中，S21是合路端口与高通端口间的传输系数，S31是合路端口与低通端口间的传输系数，S32是低通端口与高通端口间的传输系数。与a构型设计的电性能相似，b构型设计分路端口的带外抑制能力也没有现有设计形式频分双工器强，但分路端口间的隔离也明显要高得多，在分频点处隔离度最差，也超过了50dB，显著低于滤波器的阻带衰减，完全满足工程应用需求。
图5B中，S11、S22和S33分别是合路端口、低通端口和高通端口的反射系数。可以看到三个端口的反射系数曲线也完全重合，且在-45dB以下，说明各端口全频段匹配，且匹配性能优异，因而一样从根本上解决了现有形式宽带频分双工器分频点附近隔离度差、反射系数恶化的问题，也完全不需要级联滤波器来提高隔离度。
实施例3:
用本发明的宽带频分双工器构建一个四工器。
用双工器构建四工器至少需要三个不同分频点的双工器，假设三个宽带频分双工器的分频点分别为f1、f2和f3，其中f1＜f2＜f3，因为本发明的双工器三个端口都是宽带匹配的，因此直接级联不会影响前后级电路的阻抗特征。
根据分频点频率的大小关系，后级双工器的分频点必须位于前级双工器其中一个分路端口的通带内，对应前级双工器的这个分路端口，后级双工器的合路端口就可以直接级联。按照这个规则，四工器可以有多种级联构建方案，如图6A-图6E所示。
图中CH1、CH2、CH3和CH4是四工器要分路或合路的4个频道，只要这4个频道定义的工作频率满足下列条件，即可用该四工器满足分路或合路应用：
CH1定义工作频率范围小于f1；
CH2定义工作频率范围大于f1且小于f2；
CH3定义工作频率范围大于f2且小于f3；
CH4定义工作频率范围大于f3。
由本实施例可见，本发明所公开的宽带频分双工器具有非常灵活的可重构特征，十分方便设计人员在实际工作中优化电路布局。如果利用这种多工器将多路不同频道射频信号合路，通过一根宽带电缆(例如射频同轴电缆)传输，再通过多工器进行分路，这样可以显著减少整件或***之间的射频互连电缆数量，从而降低成本，提高维护便利性。
以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种宽带频分双工器，其特征在于包括：
串联在合路端口与低通端口间的第一电感器；
连接合路端口，由第一电容器和第二电感器组成的第一LC串联谐振接地网络，其中第一电容器的一端接合路端口，第二电感器的一端接地，第一电容器的另一端与第二电感器的另一端短接构成第一串联节点；
连接低通端口，由第二电容器和第三电感器组成的第二LC串联谐振接地网络，其中第二电容器的一端接低通端口，第三电感器的一端接地，第二电容器的另一端与第三电感器的另一端短接构成第二串联节点；
初级线圈连接高通端口的变压器，其次级线圈的一端与所述第一串联节点相连；
一端连接所述第二串联节点的电阻器，其另一端与所述变压器次级线圈的另一端短接构成第三串联节点；
一端连接在所述第三串联节点的第三电容器，其另一端接地。
2.根据权利要求1所述的一种宽带频分双工器，其特征在于，所述合路端口与所述低通端口具有相同的阻抗，其阻抗值与所述电阻器的电阻值相等,电阻值为R。
3.根据权利要求1所述的一种宽带频分双工器，其特征在于，所述第二电感器和第三电感器的电感值相等；所述第一电容器和第二电容器的电容值相等；所述第一LC串联谐振接地网络和所述第二LC串联谐振接地网络的串联谐振角频率均为ω0；所述第二电感器的电感值为R/ω0，所述第一电容器的电容值为1/（R•ω0）。
4.根据权利要求3所述的一种宽带频分双工器，其特征在于，所述第一电感器的电感值为所述第二电感器电感值的2倍。
5.根据权利要求3所述的一种宽带频分双工器，其特征在于，所述第三电容器的电容值为所述第一电容器电容值的2倍。
6.一种宽带频分双工器，其特征在于包括：
串联在合路端口与高通端口间的第四电容器；
连接合路端口，由第四电感器和第五电容器组成的第三LC串联谐振接地网络，其中第四电感器的一端接合路端口，第五电容器的一端接地，第四电感器的另一端与第五电容器的另一端短接构成第四串联节点；
连接高通端口，由第五电感器和第六电容器组成的第四LC串联谐振接地网络，其中第五电感器的一端接高通端口，第六电容器的一端接地，第五电感器的另一端与第六电容器的另一端短接构成第五串联节点；
初级线圈连接低通端口的变压器，其次级线圈的一端与所述第四串联节点相连；
一端连接所述第五串联节点的电阻器，其另一端与所述变压器次级线圈的另一端短接构成第六串联节点；
一端连接在所述第六串联节点的第六电感器，其另一端接地。
7.根据权利要求6所述的一种宽带频分双工器，其特征在于，所述合路端口与所述高通端口具有相同的阻抗，其阻抗值与所述电阻器的电阻值相等,电阻值为R。
8.根据权利要求6所述的一种宽带频分双工器，其特征在于，所述第五电容器和第六电容器的电容值相等；所述第四电感器和第五电感器的电感值相等；所述第三LC串联谐振接地网络和所述第四LC串联谐振接地网络的串联谐振角频率均为ω0；所述第四电感器的电感值为R/ω0，所述第五电容器的电容值为1/（R•ω0）。
9.根据权利要求8所述的一种宽带频分双工器，其特征在于，所述第四电容器的电容值为所述第五电容器电容值的2倍。
10.根据权利要求8所述的一种宽带频分双工器，其特征在于，所述第六电感器的电感值为所述第四电感器电感值的2倍。
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