大功率連續通道雙工器設計

游金鳳　王書新　朱江

【摘 要】設計并制作了工作在20MHz～100MHz的大功率LC雙工器，兩通帶分別為20MHz～57.8MHz和57.8MHz～100MHz的橢圓型濾波器，并通過ADS進行仿真。由仿真結果可知，在20MHz～57.8MHz通帶內輸入端口的駐波小于1.2，插損小于0.2dB;57.8MHz～100MHz通帶內輸入端口的駐波小于1.2，插損小于0.2dB;交接點57.8MHz處駐波小于1.3，插損小于4.6dB。為解決大功率散熱問題，本設計采用陶瓷板代替聚四氟乙烯印制板，極大地改善了雙工器散熱性能。實測值與仿真結果吻合較好，產品已大量應用。

【關鍵詞】大功率;連續通帶;雙工器

中圖分類號： TN722.75文獻標識碼： A文章編號： 2095-2457（2019）17-0023-002

DOI：10.19694/j.cnki.issn2095-2457.2019.17.009

0 引言

雙工器是用來將一個寬帶信號分開成兩個頻率范圍的信號或者把兩個頻率范圍的信號合成為一個寬帶信號的部件。因此雙工器一般用于射頻前端實現收發共用一副天線。

隨著通信技術的發展，頻譜資源愈加緊張。為了更好更高效地利用頻率資源，提高信號選擇性，各信道之間的頻率間隔需要越來越小，且各信道之間隔離要求越來越大。本文設計的雙工器為連續通道雙工器，可以最大限度利用頻譜資源，且可承受大功率信號。

1 理論及仿真設計

1.1 設計原理

本設計采用一個高通和一個低通濾波器加一定的匹配元件組成三端口的雙工器。根據設計指標的插損和隔離度要求，并留一定余量，通過ADS的集總參數濾波器設計向導，濾波器采用橢圓函數形式，得到一個高通和一個低通濾波器的基本電路模型。考慮射頻信號為交流信號，電感具有隔交通直的作用，且安裝、調試方便，則通過一個電感將這兩個濾波器的輸出端跨接在一起，構成了一個三端口的基本電路。

本設計的特點是：頻率范圍較寬、兩通道為連續頻段、插入損耗較小、承受功率大。因此，在設計與制作時針對以上特點予以考慮。

1.2 設計指標

大功率連續通道設計指標如下：

（1）通帶頻率：20MHz～57.8MHz、57.8MHz～100MHz;

（2）插入損耗：≤0.2dB、交叉點：≤5dB;

（3）駐波：≤1.25、交叉點：≤1.5;

（4）兩通道隔離度：≥15dB;

（5）最大承受功率：300W。

1.3 元件參數設計

為提高仿真結果與實際結果的吻合程度，在仿真設計時，均考慮電容和電感的Q值。通過查閱電容手冊，并根據實際工作頻段，仿真時電容的Q值取500～800，電感的Q值取300。

為能承受300W大功率，選用700C系列陶瓷電容，封裝較大（約為6mm×6mm），散熱性能好。但安裝需要較大焊盤，為提高仿真精度，在仿真時均帶入焊盤參數進行仿真。

1.4 仿真設計

根據上述設計原理和元器件參數設計，搭建仿真電路。仿真時，將所有電容和電感元件值均設為可優化、可調諧的，并設置適當的優化、調諧范圍。優化設計時綜合電容型號容值和電感繞制加工可實現性等因素。優化仿真后的電路如圖1所示，仿真結果如圖2所示。

2 工程設計及裝配調試

本設計是一種大功率雙工器設計，因此設計時需考慮器件散熱、調試等多方因素，保證設計產品即方便加工調試，又能滿足技術指標要求。

2.1 原料選型設計

2.1.1 元器件的選用

由于電容的寄生特性，及雙工器承受高功率的要求，電容需選擇高Q值、高射頻功率、低等效串聯電阻、超高穩定性的陶瓷高射頻功率多層電容700C系列，其溫度特性可滿足寬溫度范圍、高穩定的需求。

電感采用漆包線繞制的空心線圈。高頻電感線匝間的電容、趨膚效應導致導線電阻增加而造成Q值降低。為使線圈在高頻情況下使用，應盡量減少分布參量，線圈尺寸盡可能做得小些，當然，線圈過小也容易造成Q值降低。為達到一個平衡點，通常將線圈直徑定為與線圈長度相當。漆包線的直徑大小雖然不影響感量，但線徑越細，線圈的等效串聯電阻就越大，Q值就越低，線圈的性能也會越差，綜合考慮電感Q值、承受功率、制作難易等因素，線徑大小選為1.1mm左右。

2.1.2 印制板的選用

由于雙工器承受功率要求較高，用一般的聚四氟乙烯板或FR4板難以良好散熱，散熱較差將會使元器件的使用壽命大大降低，因而考慮選用散熱良好的陶瓷覆銅板或覆銀板，而覆銅板的加工成本較覆銀板更高，且裝配難度高于覆銀板。綜合考慮承受功率、電性能指標、成本、裝配等因素，選用陶瓷（Er=9.6）覆銀板作為印制板。

2.1.3 盒體的選用

盒體采用鋁基材、再鍍銅、最后鍍銀的方式，保證良好散熱的同時，提高腔體的Q值，降低損耗。

2.1.4 電路的調試

由于該雙工器由一個低通和一個高通濾波器組成，實際調試時可先調其中一個，然后再合在一起調試。調試時主要調整電感的大小，可通過調整單個線圈內部的間距來改變電感大小，間距變大，電感減小，反之電感增大。由于線圈較多，線圈與線圈之間相互耦合相互影響，還可適當調整線圈的朝向和兩個線圈之間的距離，以達到設計指標。

3 雙工器測試

雙工器實物如圖3所示，內部如圖4所示。通過圖4可見陶瓷覆銀板結構，陶瓷覆銀板底部黃色的為銅板，二者通過焊膏焊接在一起，最大限度提高雙工器散熱量，確保承受300W大功率信號。

大功率連續通道雙工器實測指標如圖5和表1所示。分析測試數據可知，實際制作的雙工器在性能上與仿真結果接近，且完全滿足技術指標的要求。因采用了多項散熱措施，保證能滿足承受300W大功率的要求。

4 結論

本文設計了一款大功率連續通道雙工器，給出了仿真和實測結果。本設計特定是采用陶瓷覆銀板代替聚四氟乙烯板材，極大提高散熱性能，提高功率容量。綜合考慮電感電容Q值，合理選型，降低雙工器插損。

【參考文獻】

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