摘要 闡述了EOC設(shè)備上雙工濾波器的設(shè)計方法,。濾波器由LC低通濾波器和LC高通濾波器組合而成,，通過ADS2005仿真計算，研究了貼片電容和空心線圈電感,，在FR-4板材上實(shí)現(xiàn)高性能濾波器的可行性,。通過優(yōu)化設(shè)計，提高了隔離度和帶外抑制性能,，對研制的濾波器電感線圈匝間距進(jìn)行實(shí)驗(yàn)微調(diào),，產(chǎn)品匹配性良好，各項指標(biāo)達(dá)到國家標(biāo)準(zhǔn),。
關(guān)鍵詞 濾波器,；FR-4板材；電感,；電容
目前市場上的雙工濾波器是由低通濾波器和高通濾波器組合在PCB上的三端口微波器件，分別為混合頻率輸入端,、低頻輸出端,、高頻輸出端。根據(jù)目前中國國內(nèi)廣電市場的網(wǎng)絡(luò)規(guī)劃標(biāo)準(zhǔn),，雙工器的頻率范圍為0～30MHz,，47～1 GHz；O～65MHz,，87～1GHz等,，以適應(yīng)不同地域的頻帶劃分。在國家規(guī)劃廣電,、電信等網(wǎng)絡(luò)三網(wǎng)合一工程中,，雙工濾波器目前成為其中基帶EOC以及調(diào)制EOC等主要設(shè)備上應(yīng)用最多并且關(guān)鍵的微波元件，其中的反射、傳輸,、隔離度,、帶外抑制都是影響網(wǎng)絡(luò)信號優(yōu)劣的關(guān)鍵指標(biāo)。
文中介紹的雙工濾波器頻段為0～30MHz,，47～1GHz,，業(yè)內(nèi)稱作30／47雙工，射頻阻抗75Ω,，指標(biāo)要求為各個端口反射<-20 dB,，傳輸損耗在1 dB以內(nèi)，帶外抑制<-50 dB,，頻帶間隔離度<-50 dB,。其基本結(jié)構(gòu)，如圖1所示,。
該雙工器采用模塊化結(jié)構(gòu),，可批量生產(chǎn)，并且測試,、安裝,、調(diào)試方便。雙工器的PCB材質(zhì)采用FR-4板材,，介電常數(shù)ε值約為4.3～4．9,，標(biāo)準(zhǔn)值為4.6?；搴穸? mm,；覆銅厚度0．03 mm。金屬電導(dǎo)率：5．78e+7,。雙面敷銅,，正為空心線圈電感，背面為貼片電容,，外部加裝金屬屏蔽殼并接地,。
電感和電容值采用數(shù)學(xué)模型計算并采用計算機(jī)仿真進(jìn)行多次驗(yàn)證，通過逐步改變電容和電感的值,，使仿真結(jié)果符合預(yù)定設(shè)計要求,，在生成實(shí)物樣品后在通過微調(diào)電感線圈的匝間距完善雙工器的指標(biāo)，其重點(diǎn)和難點(diǎn)在于電容電感值不易選取,，殼體過小使電感之間的影響較大,，批量生產(chǎn)一致性不好等問題，文中將系統(tǒng)闡述如何解決,。
1 濾波器設(shè)計
30／47雙工采用橢圓函數(shù)濾波器模型,，如圖2所示,。根據(jù)橢圓函數(shù)濾波器的設(shè)計原理可計算出其中的電容、電感參數(shù)值,，如表1所示,。其中低通部分3組LC回路參數(shù)為對稱參數(shù)，元件值相同,。電路采用分立電感,、電容元件的設(shè)計方案，主要是調(diào)試方便,，帶外抑制,、隔離度較好。
計算出電感電容值后,，還需考慮PCB布線,、元件排列、電感之間的互感等因素,，其中PCB布線能夠增加電路的寄生電容和寄生電感,，寄生電容占主要部分，這就需要在調(diào)試過程中對元件的取值進(jìn)行二次修正,。
2 仿真分析
仿真分析采用安捷倫公司的ADS2005射頻仿真軟件,，本次仿真主要是對數(shù)學(xué)模型進(jìn)行仿真，驗(yàn)證濾波器的理論分析是否正確,，其中重點(diǎn)評估各個端口之間的傳輸狀況,，以及評估高低通帶之間的隔離度和各頻帶的帶外抑制指標(biāo)。
按照圖2的電路結(jié)構(gòu)進(jìn)行數(shù)據(jù)建模,，其中左半部分為低通濾波電路,，右半部分為高通濾波電路。各個元件的參數(shù)按照表1選取,，term1為混合輸入端口,、term2為低通輸出端口、term3為高通輸出端口,，特性阻抗均選用75 Ω,。
經(jīng)過軟件仿真后獲得各個端口的曲線，通過分析曲線驗(yàn)證了數(shù)學(xué)模型的正確性,，且各項指標(biāo)均符合預(yù)定要求。如圖3所示,，dB(S(1,，2))曲線圖反映混合口到低通輸出口之間的傳輸指標(biāo)，可以看到M2點(diǎn)的頻率為32 MHz,，正好是低通和帶阻之間的拐點(diǎn),，在0～32 MHz頻帶內(nèi)傳輸損耗約為0 dB,，說明30 MHz以前的信號頻率均能無損通過，在M2以外有一條斜率大,、近乎垂直的線,，稱為邊帶抑制線，這條線越陡說明通帶一阻帶的階越性越好,，低通濾波器的性能越好,。
另外M2點(diǎn)以上的頻帶曲線中，有一點(diǎn)M3是這段曲線的最高點(diǎn)傳輸指標(biāo)為-60 dB,、頻率為76 MHz,，這反映出在32 MHz以上的頻帶中最高的傳輸值為-60dB，所以這點(diǎn)就成為帶外抑制的取值點(diǎn),，換言之就是低通部分的帶外抑制為-60dB,，符合設(shè)計要求。由此再看圖4 的dB(S(1,，3),，同dB(S(1，2))曲線類似,，它是混合口與高通輸出口之間的傳輸曲線,，可以看出高通和帶阻之間的拐點(diǎn)在47 MHz，且階越性好,，高通傳輸損耗小,，帶外抑制為-56 dB，峰值在19 MHz,。
圖5為高通端口與低通端口之間的傳輸曲線,，傳輸峰值在19 MHz頻點(diǎn)上，傳輸值為-56 dB,，此最高點(diǎn)被稱為隔離度的取值點(diǎn),，即說明雙工器的端口隔離度為-56 dB。有以上3幅曲線圖可以得出結(jié)論,，數(shù)學(xué)模型建立正確,，各個元器件的取值適當(dāng)，由此進(jìn)入樣品試制,，以驗(yàn)證產(chǎn)品的實(shí)際性能,。
3 實(shí)際產(chǎn)品測試
實(shí)際產(chǎn)品測試是關(guān)鍵的部分，直接影響到該雙工的成功與否,，PCB的板材采用FR-4板材,，厚度1 mm的雙面板，電容采用0805,、0603封裝的貼片高精度電容,，電感為空心繞制線圈,，方便調(diào)試，外殼為金屬且接地,。器件的選取上,，電容不可能根據(jù)計算結(jié)果選用定值電容，只能使用通用的相近電容,，容值如表3所示,。
電感的選取方便一些，可以根據(jù)空心電感的計算公式確定各個電感的匝數(shù),，計算公式如式(1)所示,。
電感的單位為μH，D為線圈的直徑,，N為線圈匝數(shù),，L為電感長度。根據(jù)PCB的尺寸以及屏蔽殼的內(nèi)部空間,，選取電感的直徑為O．23c繞線為0．25 mm的康銅漆包線,。電感的長度L=D×N。由此確定出電感的匝數(shù)如表2所示,。
根據(jù)電感電容的選取,，生成產(chǎn)品實(shí)物如圖6所示。
測試儀器采用安捷倫公司的8712網(wǎng)絡(luò)分析儀,，掃描頻帶設(shè)定為1 GHz,，步長為1 MHz，阻抗75 Ω,。以下為測試結(jié)果的說明：
圖7為高通端口的傳輸曲線,，可以看出頻帶的拐點(diǎn)出現(xiàn)在47 MHz，帶外抑制在-50 dB以下,，傳輸損耗在1 dB以內(nèi),，邊帶抑制良好。
圖8為低通端口的傳輸曲線,，拐點(diǎn)約為32 MHz,，帶外抑制在-45 dB以下，其中高頻部分帶外抑制略有上升是由于內(nèi)部器件距離較近引起,，傳輸損耗在1 dB以內(nèi),，邊帶抑制良好。
圖9為高低通隔離度,，全頻帶均在-45 dB以下,，實(shí)現(xiàn)預(yù)期值。
圖10,，圖11和圖12為低通端口,、高通端口、混合口反射,，測試時另兩端口帶75 Ω負(fù)載,。可以看出端口反射均在-20 dB以下,，高端部分略有升高是由于接口的寄生電容引起,，實(shí)際值均在-20 dB以下。
因此,，根據(jù)測試結(jié)果,，實(shí)物測試與仿真分析符合良好，實(shí)現(xiàn)了預(yù)期的設(shè)定目標(biāo),。
4 結(jié)束語
當(dāng)前,，雙工濾波器在廣電行業(yè)內(nèi)的EOC設(shè)備上有著廣泛應(yīng)用，文中采用ADS仿真模型為理論模型,，其仿真所得參數(shù)與實(shí)物模型有一定偏差,，表現(xiàn)為實(shí)際的反射、傳輸指標(biāo)比仿真結(jié)果要差,，這主要是實(shí)物模型中一些寄生參量產(chǎn)生的影響,。在實(shí)物樣品的批量生產(chǎn)中，各個端口的反射指標(biāo)均可達(dá)到-22 dB以下,，傳輸損耗可以控制在1 dB以內(nèi),，帶外抑制能達(dá)到-50 dB以下，濾波器量產(chǎn)指標(biāo)滿足國家廣電技術(shù)標(biāo)準(zhǔn),，目前已批量生產(chǎn),。