小型化POI組件設計

李驚生，容榮，歐陽兆桉

（1.廣州杰賽科技股份有限公司，廣東 廣州 510310；2.澳門大學 科技學院，澳門特別行政區 519000）

0 引 言

室內覆蓋是現代無線通信系統部署的重中之重，隨著移動通信技術的深化發展，多種標準和制式的系統同時存在，增加了室分系統的資源消耗以及布設難度。為同時滿足不同運營商的需求，實現復雜室內環境的信號全覆蓋并且達到良好的系統指標，有效解決解決雜散干擾、及互調干擾等問題就顯得十分重要。多系統接入平臺（Point of Interface, POI）可以實現多系統多個頻段的信號合路接入，在干擾抑制以及減少功率損耗方面效果顯著，是目前主流的室分解決方案之一。以POI 為核心部件，可靈活搭建出各種室分系統共建方案，如主要考慮節約成本的單纜室分方案，兼容MIMO 系統的雙纜方案等。除傳統的三大運營商及鐵塔公司以外，多頻高性能POI 組件也是各城市地鐵沿線以及城市間軌道交通無線網絡覆蓋解決方案的關鍵器件之一，從市場規模來看，各大城市地鐵公司以及鐵路公司對高性能POI 組件的需求量并不亞于傳統的運營商，產品具有非常廣闊的市場前景。

從圖1結構上看，POI 內部由兩個多頻合路器組成，多個通信系統的頻段信號從輸入端口進入對應的合路器，通過信號合路，最后輸出到天線系統實現室內覆蓋。目前常見的POI產品包括9 頻和12 頻兩種，POI 內部的合路器設計的核心是濾波器的設計，濾波器的體積決定著整個POI 產品的體積，因此如何在實現各項電性能指標的同時使濾波器盡量小型化，是工程上需要解決的關鍵技術問題。本文的主要貢獻是提出了一種基于多模諧振技術來實現濾波器模塊小型化的方案。

圖1 POI 系統結構框圖

與傳統的方案對比，本方案具有以下優點：

（1）腔體內部無需相鄰金屬壁，通過多模諧振來有效減少腔體數量，實現濾波器的小型化；

（2）金屬耗材的減少，有利于提高腔體的無載Q 值，減少通帶的插入損耗；

（3）圓柱形諧振內導體可以進一步加工成片狀同軸，更方便一次加工和安裝。

1 小型化POI 組件設計

1.1 相關研究

如前所述，在站址資源緊缺以及室內施工難度大的前提下，希望在完成運營商性能要求下，盡可能實現電路的小型化，這點對室分解決方案尤其重要，近年來很多科研團隊都致力于在更小的體積下實現更好的指標。POI 組件的核心技術是濾波器和多工器，近年來，國內外相關的研究呈現上升趨勢。2010年來自意大利米蘭的團隊提出了一套星型節點多工器的綜合設計方法，并按照該方法設計了三路多工器，為了提升多工器的濾波性能，利用多階諧振器級聯來提高帶外抑制，同時采用交叉耦合引入一對零點提高通帶選擇性。2013年加拿大Ming Yu 教授發表的三路多工器設計，此3 路多工器應用在Ku 波段，采用介質諧振器的技術，體積大幅減小，并且有高功率容量和良好的溫度穩定性。通帶兩邊各有一個傳輸零點，在工作范圍內提供良好的頻率選擇性。2013年吳克利教授在MTT 上公布了一款17 路多工器。其諧振器為階梯型單腔雙模波導諧振器，采用兩個單腔級聯的方式作為一路，兩單腔之間靠十字形的縫隙控制耦合，每路通帶均有4 個模，S11 都在-20 dB 以下，并且在通帶兩邊各產生一個傳輸零點提高通帶選擇性。整體結構的排列方式是魚骨型，各路相互之間的干擾小，并節省空間。Ming Yu 教授在2015年提出的多工器。此多工器工作在Ka 頻段，同樣是采用單腔雙模諧振器并且擁有高Q 值和高功率容量。每路也是采用雙腔縫隙耦合的方式級聯，產生4 階濾波特性，帶外抑制有-60 dB 以下，帶內插入損耗小于1 dB，經測試表明溫度對其性能影響小，熱穩定性好，適合大功率環境。學者S. Cogollos 在2015年提出的一種波導多工器設計方法，可實現頻帶連續的多工器。該款多工器采用混合折疊矩形波導諧振器，在18 GHz 到24 GHz 實現了5 個連續相同帶寬分路通帶和一個高頻寬帶分路通帶，每路通帶內的插損小并且較好的帶外抑制，但是該款多工器體積較大，通帶兩邊并無零點，選擇性比上述介紹的多工器稍差。

1.2 基于多模諧振技術的小型化濾波器模塊

POI 組件小型化要求多工器小型化，而多工器小型化要求濾波器具有更小的尺寸，更輕的重量，更低的成本。采用多模諧振器構成多模濾波器是減小濾波器尺寸最有效的方法之一。在一個諧振腔內有多個可資利用的諧振模式，利用一個諧振腔中前個模式的耦合，可以用單腔實現階濾波器，使得濾波器所用的諧振腔數目減少-1 個，從而減小了濾波器體積，減輕了重量。基于該原理，本節提出一種多模諧振方案來實現濾波器模塊的小型化，腔體諧振器采用經典的同軸腔諧振器，由于同軸內導體金屬柱和腔體上表面之間開路存在電容加載效應，改變金屬同軸長度能改變加載電容值的大小，從而可控制同軸腔的諧振頻率。在雙階腔體濾波器設計中，利用同軸金屬柱之間的距離作為控制參數，可以控制兩個模式之間的耦合系數，如圖2所示。

圖2給出了傳統單腔單模的雙階結構和基于多模諧振技術的單腔雙模結構?？梢钥闯龊笳叱叽缭谥C振柱耦合方向上明顯較前者更小。通過同樣響應下的六階單模結構和單腔六模結構來對比具體的尺寸，圖3（a）和（b）分別給出了六階單模結構和單腔六模結構設計。

圖2 傳統雙階結構和單腔雙模結構對比圖

圖3 六階單模結構和單腔六模結構對比圖

六階單模結構的尺寸為90×135.4×30 mm，在中心頻率2.85 GHz 對應波長下，電尺寸為0.855×1.286× 0.285，而單腔六模結構的尺寸為28.8×97.25×29.8 mm，在中心頻率2.85 GHz 對應波長下，電尺寸為0.274× 0.924×0.283，即除了在高度上相近外，后者在寬度和長度均比前者要減少約3/4 和1/4。兩者的性能仿真對比將在下一節給出。

圖4給出了單腔六模結構內部的電場分布和磁場分布，可以看出在單個金屬諧振腔中，通過同軸內導體的加載，可以利用多個諧振模以構建所需通帶的響應。

圖4 單腔六模結構電場和磁場分布

2 仿真驗證

為驗證上一節給出的單腔多模小型化濾波器設計方法的有效性，本節先給出了單腔多模與多階單模的仿真性能對比，然后對單腔雙模、單腔四模、單腔六模的濾波器參數，矩形度等指標做出對比驗證。

圖5給出單腔六模結構和六階單模結構的頻率響應的仿真結果和電路綜合結果對比，如圖所示，兩者具有相近的頻率響應。然而由上節給出的體積來看，對于中心頻率2.85 GHz 的濾波器來說，單腔六模結構的體積僅為六階單模結構體積的22.8%。圖6和表1給出單腔雙模、單腔四模和單腔六模的參數仿真結果對比。

表1 單腔雙模、四模和六模詳細指標對比

圖5 單腔六模仿真、六階單模仿真和電路綜合結果對比圖

圖6 單腔雙模、四模和六模仿真結果對比圖

從仿真結果可以看出隨著階數的增多，帶外抑制及矩形度也越好。當單腔六模諧振時，其帶外抑制已超過90 dB，完全可以滿足運營商級的POI 組件設計要求。

3 結 論

室內覆蓋是當前移動通信產業發展的重點，采用POI 進行多系統合路接入是目前室分系統的主流解決方案之一，而POI的小型化是迫切要解決的問題。POI 組件的核心是濾波器，其體積大小決定了POI 的體積，本文提出了一種基于多模諧振技術的濾波器模塊小型化方案。通過仿真驗證，提出的方案能夠有效減小濾波器體積，在中心頻率為2.85 GHz時，單腔六模情況下，體積僅約為傳統六階單模濾波器方案的22%，并且帶外抑制能夠達到94.7 dB，能夠滿足運營商級別的POI 組件設計要求。