基于新型開(kāi)口諧振環(huán)結(jié)構(gòu)雙工器的設(shè)計(jì)

楊芷若 黃玉蘭

【摘要】? ? 本文提出了一種基于新型方形開(kāi)口環(huán)諧振環(huán)結(jié)構(gòu)的微帶雙工器，由兩個(gè)中心頻率不同的濾波器組成，每個(gè)濾波單元由兩個(gè)新型開(kāi)口諧振環(huán)構(gòu)成。同尺寸下，該新型諧振環(huán)相比于傳統(tǒng)開(kāi)口諧振環(huán)降低了工作頻率，體積縮小了27%，且兩個(gè)濾波單元的角度呈90°以此獲得較大的隔離度，仿真結(jié)果顯示，雙工器的隔離度為28.826dB和38.072dB，該雙工器有很好的頻率選擇性、阻帶特性和較小尺寸。

【關(guān)鍵字】? ? 新型開(kāi)環(huán)諧振環(huán)? ? 雙工器? ? 小型化? ?隔離度

Abstract：This paper proposes a microstrip duplexer based on a new square split ring resonant ring structure， which is composed of two filters with different center frequencies， and each filter unit is composed of two new split resonant rings. Under the same size， the new resonant ring reduces the operating frequency compared to the traditional split resonant ring， the volume is reduced by 27%， and the angle of the two filter units is 90°to obtain greater isolation. The simulation results show that the double The isolation of the duplexer is 28.826dB and 38.072dB. The duplexer has good frequency selectivity， stop-band characteristics and small size.

Key Words：New open-loop resonant ring; duplexer; miniaturization; isolation

引言

隨著通信系統(tǒng)的逐漸完善，電磁環(huán)境越來(lái)越復(fù)雜，頻譜資源越來(lái)越擁擠，雙工器作為天線前端收發(fā)一體三端口元器件，可以實(shí)現(xiàn)雙頻復(fù)用且隔離電路的作用，在通信系統(tǒng)中越來(lái)越重要[1-2]。相比于三端口的環(huán)形器，雙工器可以實(shí)現(xiàn)雙頻雙工[3]，所以受到了國(guó)內(nèi)外學(xué)者的高度重視。雙工器性能直接影響到通信系統(tǒng)的收發(fā)效率，目前通信系統(tǒng)對(duì)雙工器的性能指標(biāo)、體積及成本的要求也越來(lái)越苛刻。微帶雙工器對(duì)于傳統(tǒng)的微帶線濾波器來(lái)說(shuō)，體積小，重量輕，制作方式簡(jiǎn)單，可以用最簡(jiǎn)單的結(jié)構(gòu)達(dá)到預(yù)期的目的。近幾年微帶雙工器的設(shè)計(jì)方法不斷更新，傳統(tǒng)的微帶雙工器一般采用兩個(gè)相同的濾波單元（RX發(fā)送端和TX接收端），根據(jù)線長(zhǎng)和線寬的計(jì)算實(shí)現(xiàn)高頻和低頻中心頻率的設(shè)計(jì)，雙工器的設(shè)計(jì)主要是在保證性能的前提下增大隔離度和提高帶外抑制[3]。諧振器作為雙工器的基本組成單元，其小型化也是目前研究的重點(diǎn)[4]。

一、新型開(kāi)口諧振環(huán)設(shè)計(jì)

本文提出了一種加載容性負(fù)載結(jié)構(gòu)的新型諧振器結(jié)構(gòu)，如圖1所示。它是一個(gè)方形開(kāi)口環(huán)，這種結(jié)構(gòu)利用了開(kāi)口環(huán)的內(nèi)部空間，傳輸線均分布在開(kāi)口環(huán)的內(nèi)部，所以不占用更多的空間，相當(dāng)于在諧振器中引入電容負(fù)載，達(dá)到小型化的目的[5]。

采用新型諧振開(kāi)口環(huán)結(jié)構(gòu)的濾波單元在不增大電路面積的情況下降低了諧振器的諧振頻率[6]，中心頻率從2.75GHz降低到2GHz， 相當(dāng)于體積縮小了27%。

二、雙工器的理論分析與設(shè)計(jì)

2.1 雙工器隔離度提升原理

新型諧振環(huán)雙工器分別針對(duì)TX和RX模塊設(shè)計(jì)在1.8GHz和2.9GHz的中心頻率上。

本文所設(shè)計(jì)的雙工器原理結(jié)構(gòu)如圖2所示。其中端口1作為天線端口，端口2和端口3分別作為接收端口和輸出端口，濾波器1是高頻部分，其工作的頻率f1=1.8GHz，濾波器2的頻率f2=2.9GHz。從發(fā)射端口3到接收端口2存在兩條信號(hào)傳輸路徑1和2。由于兩組濾波器相位相差90°，端口2和3之間存在良好的隔離度[7]。

2.2 雙工器的設(shè)計(jì)原理

最終設(shè)計(jì)雙工器結(jié)構(gòu)如圖3所示，Roger5880介質(zhì)基板厚度為0.508mm，介電常數(shù)2.2。雙工器兩個(gè)端口均采用50Ω微帶線饋電。利用仿真軟件優(yōu)化設(shè)計(jì)，得到主要的尺寸如表1所示。

雙工器的仿真結(jié)果如圖4和圖5所示，雙工器的兩個(gè)濾波單元的中心頻率分別為1.8GHz和2.9GHz，帶寬分別為240MHz和125MHz，兩個(gè)濾波單元的隔離度為28.826dB和38.072dB，具有良好的隔離度。在工作頻率相同時(shí)，與傳統(tǒng)的開(kāi)口諧振環(huán)組成的雙工器相比體積縮小了約27%。

三、總結(jié)

本文設(shè)計(jì)了一種高隔離的新型三端口雙工器， 該結(jié)構(gòu)由兩個(gè)相位差（90°）的采用新型諧振開(kāi)口環(huán)組成的窄帶帶通濾波器構(gòu)成。利用收發(fā)端口之間的兩路具有反相特性的傳輸路徑[8]，使得發(fā)射端口泄漏到接收通路上的信號(hào)相互疊加抵消，進(jìn)而改善整個(gè)三端口雙工器的隔離度。采用該方法實(shí)現(xiàn)的三端口雙工器具有隔離度高、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單等優(yōu)點(diǎn)。通過(guò)仿真顯示，其結(jié)果良好，采用新型諧振開(kāi)口環(huán)結(jié)構(gòu)的濾波單元在不增大電路面積的情況下降低了諧振器的諧振頻率， 相當(dāng)于在獲得相同頻率的情況下，采用新型開(kāi)口諧振環(huán)的體積更小[9]，這為無(wú)線通信系統(tǒng)射頻前端電路中雙工器的設(shè)計(jì)提供了一種新的方法。

參? 考? 文? 獻(xiàn)

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[9] R. Gómez-García， L. Yang and J. Munoz-Ferreras， “Balanced Quasi-Elliptic-Type Combline Diplexer With Multiextracted-Pole Junction/Output Sections，” in IEEE Microwave and Wireless Components Letters， vol. 30， no. 6， pp. 569-572， June 2020， doi： 10.1109/LMWC.2020.2990084.