基于全制式寬帶通信信號(hào)的開關(guān)濾波器設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

　　朱?亮 ¹ ，徐丹丹 ² ，武敬飛 ³（1.中電科儀器儀表(安徽)有限公司，安徽蚌埠?2330102.電子信息測(cè)試技術(shù)安徽省重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，安徽蚌埠?2330103.中國(guó)電子科技集團(tuán)公司第四十一研究所，安徽蚌埠?233010）

　　摘?要：介紹了寬帶無(wú)線通信技術(shù)產(chǎn)業(yè)化要求，通過(guò)仿真帶通濾波器、低通濾波器，并結(jié)合放大器、射頻開關(guān)設(shè)計(jì)了一種開關(guān)濾波器，滿足全制式寬帶通信信號(hào)的濾波要求，并經(jīng)過(guò)印制板加工及測(cè)試，實(shí)驗(yàn)結(jié)果滿足設(shè)計(jì)指標(biāo)。

　　關(guān)鍵詞：無(wú)線通信；濾波器；射頻開關(guān)；寬帶放大器；

　　0 引言

　　隨著新一代寬帶無(wú)線通信技術(shù)產(chǎn)業(yè)化的不斷深入和發(fā)展，LTE-A Pro、LTE-A、LTE、WCDMA、TD-SCDMA和GSM等多制式寬帶通信信號(hào)共存的情況下如何針對(duì)不同制式進(jìn)行分段濾波 ^[1] 。傳統(tǒng)寬帶濾波器只能針對(duì)固定頻段進(jìn)行濾波，本文提出一種開關(guān)濾波器實(shí)現(xiàn)全制式寬帶信號(hào)帶外抑制，提高通信信號(hào)頻譜純度，滿足新一代無(wú)線通信要求。

　　1 開關(guān)濾波器基本工作原理

　　針對(duì)全制式寬帶通信信號(hào)不同頻段要求，在保證輸入輸出功率插損較小的情況下，進(jìn)行濾波器分段設(shè)計(jì)，該開關(guān)濾波器包括開關(guān)帶通濾波器模塊和開關(guān)低通濾波器模塊。寬帶通道信號(hào)頻率范圍在400 MHz~6000 MHz，開關(guān)帶通濾波器針對(duì)400 MHz~6000 MHz信號(hào)進(jìn)行頻段劃分，考慮設(shè)計(jì)成本問(wèn)題及性能指標(biāo)，濾波器沒(méi)有采用集成封裝濾波器器件，而是采用ADS進(jìn)行仿真設(shè)計(jì)濾波器 ^[2] 。在仿真的時(shí)候考慮到設(shè)計(jì)的誤差，對(duì)通帶要求留有一定的余量。帶通濾波器模塊將頻段劃分為三段，400 MHz~2.8 GHz，2.75 GHz~4.55 GHz和4.45 GHz~6.1 GHz。其中400 MHz~2.8 GHz頻段采用2.8 GHz低通濾波器，其余兩段采用帶通濾波器設(shè)計(jì)，開關(guān)帶通濾波器模塊原理框圖如圖1所示。

　　圖1中每一路信號(hào)都需經(jīng)過(guò)四個(gè)射頻開關(guān)，再加上每一路濾波器帶內(nèi)差損，信號(hào)功率由輸入到輸出至少存在10 dB損耗，為了保證帶通濾波器輸出信號(hào)功率要求，必須對(duì)帶通濾波器輸出信號(hào)功率進(jìn)行放大。

　　開關(guān)低通濾波器主要針對(duì)開關(guān)帶通濾波器模塊在400 MHz~2.8G Hz頻段內(nèi)不能有效濾除二次諧波進(jìn)行改善，同時(shí)對(duì)高頻寬帶信號(hào)中產(chǎn)生的雜散進(jìn)行濾波。低通濾波器模塊將頻段劃分為三段，400 MHz~1.2 GHz，1.2 GHz~2.8 GHz和2.8 GHz~6.1 GHz，各濾波器均采用低通濾波器設(shè)計(jì)，開關(guān)低通濾波器原理框圖如圖2所示。

　　圖2中射頻開關(guān)通過(guò)級(jí)聯(lián)實(shí)現(xiàn)，對(duì)于信號(hào)在2.8 GHz~6.1 GHz時(shí)，寬帶通信信號(hào)經(jīng)過(guò)低通濾波器模塊會(huì)產(chǎn)生高達(dá)10 dB的損耗，為了彌補(bǔ)通路中損失的功率，同樣采用寬帶放大器進(jìn)行功率補(bǔ)償。

　　2 方案設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

　　2.1 開關(guān)濾波器通路開關(guān)及放大設(shè)計(jì)

　　開關(guān)濾波器為了實(shí)現(xiàn)多頻段濾波，采用Hittite公司的SPDT開關(guān)HMC270MS8G實(shí)現(xiàn)級(jí)聯(lián)，HMC270MS8G器件指標(biāo)如表1所示。

　　由表可知，HMC270MS8G開關(guān)插入損耗在高頻時(shí)只有1.7 dB，且隔離度能夠達(dá)到45 dB，保證了開關(guān)在級(jí)聯(lián)時(shí)信號(hào)損耗較小，隔離度足夠大。同時(shí)開關(guān)輸入功率1 dB壓縮點(diǎn)能夠達(dá)到20 dBm，可以保證本振在輸出較大信號(hào)時(shí)也不會(huì)出現(xiàn)功率壓縮。

　　為了避免在開關(guān)濾波器射頻通路中衰減器、開關(guān)以及濾波器對(duì)輸入信號(hào)存在較大的損耗，保證寬帶通信信號(hào)在最終輸出端功率滿足3 GPP要求，需要在射頻發(fā)通路中進(jìn)行功率放大從而補(bǔ)償信號(hào)差損。

　　為了實(shí)現(xiàn)400 MHz~6000 MHz寬帶信號(hào)的功率輸出，通過(guò)比較，開關(guān)帶通濾波器模塊和開關(guān)低通濾波器模塊均采用Firsar公司的寬帶放大器FGB-1509A寬帶放大器進(jìn)行放大，該器件指標(biāo)如表2所示。

　　該器件工作頻率能夠達(dá)到9.0 GHz，增益達(dá)到+15 dB，且頻響較好，通過(guò)該放大器可以保證帶通濾波器輸出功率大于0 dBm，放大器設(shè)計(jì)電路及增益曲線如圖3所示。

　　2.2 射頻通路帶通濾波器設(shè)計(jì)

　　本方案未采用封裝好的集成濾波器，而是采用ADS仿真設(shè)計(jì)，在降低成本的同時(shí)提高整個(gè)模塊性能指標(biāo)。對(duì)于低頻低通濾波器通過(guò)LC濾波器實(shí)現(xiàn)，設(shè)計(jì)簡(jiǎn)單，器件分布參數(shù)對(duì)指標(biāo)影響較小。對(duì)于高頻低頻濾波器，本文采用ADS仿真設(shè)計(jì)出扇形微帶濾波器 ^[3] 進(jìn)行濾波。

　　帶通濾波器作為開關(guān)濾波器設(shè)計(jì)難點(diǎn)之一，采用帶狀線結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)交指型濾波器，增大濾波器帶外抑制；采用微帶濾波仿真與參數(shù)優(yōu)化技術(shù)，提高濾波器性能；眾所周知，傳統(tǒng)LC帶通濾波器設(shè)計(jì)簡(jiǎn)單，逼近函數(shù)類型多，廣泛應(yīng)用于低頻模擬電路。但由于LC器件標(biāo)稱值誤差存在，濾波器指標(biāo)不穩(wěn)定，一致性較差。尤其在高頻時(shí)，LC由于分布參數(shù)的存在，感抗容抗發(fā)生變化，造成信號(hào)傳輸插入損耗變大，帶外抑制變差，以及中心頻率發(fā)生偏移等問(wèn)題。在本文中，帶通濾波器通過(guò)采用帶狀線交指型結(jié)構(gòu) ^[4] 設(shè)計(jì)，并與PCB設(shè)計(jì)為一個(gè)整體，性能指標(biāo)穩(wěn)定。帶狀線結(jié)構(gòu)由于其結(jié)構(gòu)封閉性，沒(méi)有輻射，損耗小，帶通濾波器在插入損耗和帶外抑制上明顯優(yōu)于微帶結(jié)構(gòu)。同時(shí)由于終端短路式交指型濾波器具有體積小，結(jié)構(gòu)緊湊，帶寬大，易于加工和一致性好等優(yōu)點(diǎn)。此外為了避免外部安裝濾波器引起的阻抗不匹配、接地不充分造成的帶外自激和差損增大等問(wèn)題，本方案將帶通濾波器和射頻電路作為一個(gè)完整的PCB設(shè)計(jì)，帶通濾波器結(jié)構(gòu)如圖4所示。

　　兩款帶通濾波器的仿真曲線如圖5所示。

　　兩款帶通濾波器的測(cè)試曲線如圖6所示。

　　由測(cè)試結(jié)果可以看出帶通濾波器在減去線損的情況下通帶插入損耗小于4 dB，帶外抑制大于35 dB，帶內(nèi)紋波優(yōu)于1.5 dB，由于實(shí)際加工誤差和測(cè)試誤差，測(cè)試結(jié)果雖然略差于仿真結(jié)果，但測(cè)試結(jié)果仍滿足設(shè)計(jì)要求。

　　開關(guān)濾波器射頻走線在印制板頂層，但帶通濾波器使用帶狀線結(jié)構(gòu)，為了避免微帶線和帶狀線通過(guò)過(guò)孔連接時(shí)由于阻抗不匹配射頻信號(hào)會(huì)造成較大反射，影響信號(hào)的傳輸。解決辦法通過(guò)在帶通濾波器兩端分別加入兩個(gè)衰減量為1 dB的Π型衰減器來(lái)實(shí)現(xiàn)阻抗匹配，經(jīng)實(shí)際測(cè)試未發(fā)現(xiàn)信號(hào)反射問(wèn)題。

　　2.3 開關(guān)濾波器實(shí)現(xiàn)

　　開關(guān)帶通濾波器模塊和開關(guān)低通濾波器模塊作為一個(gè)完整部件放入屏蔽盒中，組合安裝后的開關(guān)濾波器實(shí)物如圖7所示。該屏蔽盒通過(guò)分倉(cāng)和在蓋板上增加導(dǎo)電橡膠板的模式有效抑制射頻通道相互干擾以及功率泄漏問(wèn)題 ^[5] 。

　　3 結(jié)論

　　開關(guān)濾波器在新一代寬帶無(wú)線通信中具有舉足輕重的地位，其性能決定了全制式寬帶通信系統(tǒng)信號(hào)質(zhì)量的好壞。本文基于帶通濾波器、低通濾波器，并結(jié)合放大器、射頻開關(guān)設(shè)計(jì)的全制式寬帶通信信號(hào)開關(guān)濾波器，能夠廣泛應(yīng)用于無(wú)線通信系統(tǒng)領(lǐng)域。

　　參考文獻(xiàn)：

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　?。ㄗⅲ罕疚膩?lái)源于科技期刊《電子產(chǎn)品世界》2020年第06期第35頁(yè)，歡迎您寫論文時(shí)引用，并注明出處。）