LC双工器的设计.docx
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LC双工器的设计
2015届《微波射频》
课程设计
《LC双工器的设计》
课程设计说明书
学生姓名
学号5021211107
所属学院信息工程学院
专业通信工程
班级通信工程15-1
指导教师
教师职称讲师
塔里木大学教务
摘要
随着通信系统日趋复杂化，系统内多收、发信机同时工作的现象日益普遍。
多工器具有将单路宽频信号分割为多路异频或者反之将多路异频信号合为一路的功能。
双工器则是其简单特例形式。
因此，它们是实现多收、发信机共用一副宽频天线同时工作的重要装置，目前已在诸多系统中广泛应用。
与传统通过架设多个独立天线的实现方案相比，避免了由于场地局限引入“天线互耦效应”对系统性能的恶化。
系统组成变得简洁，维护成本也大为降低。
双工器、多工器的广泛使用是现代通信系统发展的必然趋势。
近年来随着通信技术的飞速发展需要传输的信息量猛增,这种情况对双工器技术指标的要求越来越高,而网络综合理论已日趋成熟,发展速度满足不了通信技术迅速变革的要求。
双工器是微波通信、雷达、卫星通信中实现双工通信所必不可少的器件。
它是天线以下进入系统的一个器件,通过将信号分别传输给发射机和接收机,从而实现整个系统的双工通信。
双工器的性能对整个系统的性能有至关重要的影响。
关键词：
LC低通滤波器同轴腔滤波器同轴腔谐振器交叉耦合
前言
双工器是一种专门为解决收、发共用一副天线的问题而设计的微波部件，由发射通道滤波器和接收通道滤波器及连接部件组成，如图0所示。
图0双工器的理论结构示意图
是异频双工电台，中继台的主要配件，其作用是将发射和接收讯号相隔离，保证接收和发射都能同时正常工作.它是由两组不同频率的阻带滤波器组成，避免本机发射信号传输到接收机。
1概述
1.1双（多）工器设计的发展概况及现状
现代微波通信系统通常使用滤波子系统来实现几个分布在不同频谱位置（信道）上的射频（RF）信号的分离或合并,其中滤波子系统是由窄带滤波器合理互联而成。
这样的子系统通常被称为多工器。
实际上,存在着几种类型的多工器,它们可能在拓扑方面会有差异甚至明显不同。
这些类型大致可以分为两大类:
多级稱合（manifold-coupled）多工器和星型结（star-junction）多工器。
R.J.Cameron总结了前一种类型多工器的设计技术,G.Macchiarella研究了后一种类型多工器并给出了其综合方法。
Matthaei和Cristal在1960年代首次提出多工器综合设计方法。
他们把信道波器综合为单终端的二端口网络,再把各个滤波器的输入端并联起来就得到了星型公共结。
在1970年代后期,Haine,Rhodes,Levy和Alseyab提出了另一种综合公共结微波多工器的方法在这种方法中,应用经典的设计全极型微波滤波器方法,信道滤波器最初开始被综合为双终端滤波器。
由此他们正式发表了微波多工器综合的一般理论。
从那之后很多研究人员一直继续这方面的努力,尤其是最近几年微波双工器和多工器的综合已经得到大量研究G.Macchiarella研究了微波双工器综合使用的基于计算双工器特征多项式的迭代方法。
即在单独综合TX和RX滤波器时,把双工器公共结带来的相互影响考虑了进来。
他讨论了两种典型的微波双工器接头并给出了对应的综合步骤,一种接头适用于H面矩形波导T型结,另一种常见于稱合同轴腔双工器中。
G.Macchiarella还把双工器综合的方法扩展到了公共腔型（星型结）多工器的综合。
1.2微波电路仿真软件ADS简介
ADS，即AdvancedDesignSystem的简称，它是AgilentTechnoligyies（安捷伦）公司推出的一套电路设计软件。
AgilentTechnoligyies公司把HPMDS（MicrowaveDesignSystem）和HPEEsofIV（ElectronicEngineeringSoftware）两者的精华有机地结合起来，并增加了许多新的功能，便构成了ADS软件。
自从AgilentTechnoligyies公司推出ADS软件后，很快被广大电子工程技术人员所接受，因为它与以前的微波仿真软件相比，具有更全面的功能，而且它的应用也变得更加广泛，它具有多种仿真软件的优点，仿真手段丰富，可实现包括时域和频域，数字与模拟，线性与非线性，高频与低频，噪声等多种仿真分析手段，范围涵盖小到元器件，大到系统级的仿真分析设计，ADS能够同时仿真射频（RF），模拟（Analog），数字信号处理（DSP）电路，并可对数字电路和模拟电路的混频电路进行协同仿真，由于其强大的功能，很快成为全球内业界流行的EDA设计工具。
1.3双工器的选用及设计方法
1.3.1双工器选用：
应根据电台发射接收频率定制双工器。
400兆收发频率差10MHZ双工器的工作带宽在＋－250kHZ可保证隔离度90db左右，单频点工作隔离度可达120db..当使用频率超过双工器额定带宽时，收发隔离度将急剧下降发射驻波增大，接收电路因受发射部分影响灵敏度下降不能正常工作。
业余无线中转台U段一般收发差5兆HZ使用的双工器采用窄带设计，可保证隔离度不下降但工作带宽变窄为＋－100KHZ.实践证明使用双工器比用两颗天线收发效果要好。
1.3.2双工器的设计方法大致有两种：
一是先设计好收发信道的带通滤波器然后连接上T型接头再对滤波器进行优化；另一种是设计好两个滤波器后再对T型接头进行调整。
不同设计方法的区别主要在于滤波器的结构和T型接头的结构不同以及它们之间的匹配技术不同。
文中的双工器设计采用第二种设计方法，先设计两个中心频率分别为1．95GHz和2．14GHz的同轴腔体滤波器，然后通过T型接头将两个腔体带通滤波器并联构成双工器。
利用微波CAD软件对T型接头进行了优化处理，减小了非相邻腔体带通滤波器之间的影响，提高了非相邻腔体带通器之间的隔离度。
文中给出了同轴腔体双工器的设计实例的仿真结果及实物测量结果。
1.4双工器的要求
双工器必须：
（1）工作频段要设计在双工器系统工作的频段内。
（2）能够控制发射机的输出功率。
（3）要设计在等于、或者小于发射和接收频率之问的频率间隔上工作。
（4）对发生在接收频率上的发射机噪声有足够的抑制。
（5）要有充分的隔离，以防止接收机灵敏度降低和产生寄生信号。
（6）对发射和接收曲有用信号之损耗尽量小。
1.5双工器的优点和缺点
1.5.1双工器的优点
一般说，经济性并不是使用双工器的理自，而有别的更重要的原因。
（1）隔离
台适的双工器可给发射机和接收机之间提供必要而始终不变的隔离。
（2）天线方向图
如没有双工器，双工系统就必须在有二根天线。
这二根天线不能装在支承结构2的同一位置上，二根天线的方向图也可能不一样。
且发射机的覆盖区域可能略微不同于接收机的覆盖区域。
用了双工器后，系统就共用一根天线，给发射机和接收机提供同样的方向图。
（3）天线杆位置
适合的天线位置是难得的，经常是很拥挤的，但要找架设一根天线的地方总比架设二根天线的要容易。
1.5.2双工器的缺点
用双工器还有一些缺点。
在设计双工方式的系统时，优缺点都要考虑。
（1）、价格
当考虑功率较高的发射机时，成本就是一个重要的指标。
正常损耗的大功率（1千瓦级损耗1分贝等于损耗200瓦）要求大的双工器，因此比较的昂贵。
更高的功率还要求更严格的抑制有害的发射机得噪声，这样又会增加设备复杂性进一步增加成本。
（2）调整
双工器最严格的缺点之一可能就是被不熟悉专业的技术的人员调整各个电路，为了防止这种情况，应把所有电路密封起来，如果可能的话，要挂上标牌，警告大家不要乱动。
带阻式双工器尤其是这样。
这种双工器只能用附加的测试设备在实地进行跳整。
带通双工器可以用跟它连接的设备进行调整，但即使如此，也要求有专门知识，不应让非专业人员来调试。
（3）老化
在初次装好以后一般必须有一段老化时间或“稳定”时间。
装置各个部件的机械运动会引起老化，最好在安装数月之后把双工器的调谐检查一次。
带阻双工器的漂移，特别是在窄频率间隔工作的装置，一般要比带通双工器的大，因此，在使用的初期可能需要重调。
（4）损耗
损耗意味着发热，会给双工器带来一些问题。
随着功率损耗增加，双工器的尺寸也必须加大，使热量能够散发出去，以减少不良影响。
散热不良会加速老化和随之而来的失谐，在一定条件下过热和或功率损耗会引起零件击穿。
2设计过程和内容
2.1同轴腔滤波器的设计方法
对于同轴腔滤波器，在同轴腔谐振器之间通过开孔或加探针，可实现电感或电容耦合。
改变孔的大小或者探针的粗细、长短等来控制耦合电感或电容的大小以实现窄带滤波器，控制同轴腔谐振器之间的交叉耦合的数量和大小来实现传输零点的位置和数目。
在兼顾无载Q值的情况下，可通过改变同轴腔内外导体的大小，来实现需要的功率容量和体积。
在有电容加载的情况下，同轴腔滤波器的体积可以做得很小。
总之，同轴腔广义Chebyshev滤波器具有体积小、带宽窄、矩形系数高、功率容量高等优点，是国内外广泛研究的热点。
由双工器的指标可得到两个带通滤波器的设计指标：
中心频率分别为1．95GHz和2．14GHz，带宽均为60MHz，带内的回波损耗为20dB。
为了使双工器隔离较好，因此采用广义Chebyshev滤波器的设计方法，使中心频率在1．95GHz的滤波器有两个传输零点为：
2．05GHz和2．14GHz；中心频率在2．14GHz的滤波器有两个传输零点为：
2．085GHz和1．95GHz。
2.2滤波器网络拓扑结构
具有有限传输零点的滤波器，一般采用谐振腔交叉耦合的方式实现，如图1所示。
综合图中的器件值就是求解交叉耦合矩阵M。
由于耦合矩阵和网络拓扑直接相关，而目前还没有方法完成任意拓扑结构之间的转换，所以确定网络拓扑结构相当重要。
下面引入三腔耦合结构分析，可快速地确定具有有限传输零点的网络拓扑结构。
图1具有N个耦合谐振腔的滤波器等效电路
因此采用CT级联的拓扑结构，如图2所示。
图2具有有限传输零点的滤波器网络拓扑结构
2.3求解交叉耦合矩阵
与图2所示的拓扑结构相对应的M矩阵的求解如下：
首先根据滤波器指标由RJCameron的文章求解归一化的初始耦合矩阵分别为M01和M02。
R1为归一化电压源内阻，R2输出端归一化负载电阻。
在初始耦合矩阵M01中R1＝R2=1．0041Ω，在初始耦合矩阵M02中R1=R2=1．0032Ω。
再根据Amari的关于交叉耦合腔体滤波器M矩阵的梯度优化技术的文章，以上述M01和M02为初值编写共轭梯度法Matlab程序对M矩阵进行优化，之后进行反归一即可得到设计所需的耦合矩阵，即式（3）与式（4）。
回波损耗和插入损耗的计算结果，分别如图3，图4所示。
图3中心频率为1.95GHz归一化曲线
图4中心频率为2.14GHz归一化曲线
（2）
（3）
（4）
2.4在Ansoff中建立仿真模型
首先在Ansoft10．0中建立单腔模型并进行仿真，使单腔谐振频率位于滤波器中心频率上，且单腔尺寸要满足设计要求及加工的可实现性；其次根据腔间耦合系数进行双腔仿真来确定开孔尺寸和探针尺寸；然后根据图2的拓扑结构建立同轴腔体带通滤波器的仿真模型，分别如图5和图6所示。
图5中心频率为1.95GHz的滤波器模型
图6中心频率为2.14GHz的滤波器模型
图7双工器实物照片
图8双工器测量结果曲线
3电路仿真图及结果图
图9ADS2009仿真电路图
图10ADS2009仿真结果图
图11ADS2009仿真结果图2
图13ADS2009仿真结果图3
4结束语
文中基于广义Chebyshev函数的交叉耦合滤波器的设计和综合，研究了与之相关的理论和技术。
在此基础上实现了，如图7所示的高性能WCDMA同轴腔双工器，实测结果与设计指标吻合较好。
验证了该设计方法的可行性。
在工程实践和理论研究上都具有一定的意义。
心得体会
在做课程设计期间，我不仅学到了许多新的知识，而且也开阔了视野，提高了自己的设计能力。
最主要的是我对微波射频的理论知识有了更深的了解，尤其是LC双工器的原理及其结果。
其次，我要感谢帮助过我的同学，他们也为我解决了不少我不太明白的设计上的难题。
同时也感谢学院为我们提供如此良好的设计环境。
最值得一提的是，在设计过程中学到最宝贵的东西，认识到了ADS在系统和射频仿真中的无比优越性，以及其强大的数据后处理功能和清晰优美的显示界面。
在仿真过程中，我主要有下面几点启发和在以后的设计过程中需要注意的地方：
第一，要对自己设计的系统或电路的性能有一定的把握，要不然不能理解仿真出来的曲线体现了哪些特性，在仿真中必须带着问题去仿真。
第二，要对仿真器有一个比较明了的认识。
只有对各个仿真器的功能及仿真原理有了认识，才可以应用自如，很快搭出仿真电路，得到自己想要的特性曲线。
第三，在仿真的过程中，如果对各个模型或者仿真不理解，都可以看help，学习ADS，一定要看里面自带的例子，从里面学习如何设置仿真，如何充分利用ADS的强大功能，里面的例子往往是经过精心设计的，在里面可以学到扎实的仿真基础知识。
第四，ADS软件的功能很强大，还可以进行通信系统仿真、CDMA、数字电视等等。
最后再一次感谢所有在设计中曾经帮助过我的良师益友。
参考文献
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