WCDMA系統(tǒng)微帶雙工器的設計與仿真

1、目 錄編號 淮安信息職業(yè)技術學院題 目WCDMA系統(tǒng)微帶雙工器的設計與仿真學生姓名學 號系 部專 業(yè)通信技術班 級指導教師 【助教】二一一年十月I摘 要摘 要隨著信息技術的迅速發(fā)展，目前移動通信己進入了3G時代。國際電信聯(lián)盟對3G技術確定了三大移動通信標準，即美國的CDMA2000、歐洲和日本的WCDMA、以及我國的TD-SCDMA標準。與GSM等第二代移動通信一樣，3G技術的基站系統(tǒng)也是收發(fā)共用一副天線。這就要涉及到雙工技術，即保證收發(fā)系統(tǒng)正常工作的同時又避免信道相互影響的一種技術。在3G技術的三大標準中，CDMA2000與WCDMA標準都采用了頻分雙工技術，而我國的TD-SCDMA則采用了

2、時分雙工技術。對于時分雙工，只要將收與發(fā)安排在不同的時間片中就可以解決雙工問題，而對于頻分雙工，則需要設計專門的器件來使不同頻率的電磁波同時通過一副天線而不互相引起干擾，雙工器正是為解決該問題而專門設計的。本次論文首先介紹了微帶線與耦合微帶線的基本理論，然后對微波濾波器的原理與設計的過程進行了討論。設計了一種滿足WCDMA系統(tǒng)要求的微波雙工器。其上、下行信道的中心頻率分別為1950MHz和2140MHz，兩通道相對帶寬分別為3%和3.8%。針對上、下行通道的窄帶要求，按照窄帶濾波器的設計方法，設計完成平行耦合線形式的微波雙工器。還在此基礎上，分析了雙工器的設計原理及實現(xiàn)方案，用ADS軟件進行了

3、仿真，并對結(jié)果進行了優(yōu)化，基本滿足系統(tǒng)設計的要求。關鍵詞： 微帶線 雙工器 濾波器 平行耦合線目 錄摘 要I第一章 緒論11.1 研究背景11.1.1 移動通信技術的發(fā)展11.1.2 雙工器在移動通信系統(tǒng)中的應用11.2 研究現(xiàn)狀與發(fā)展趨勢21.3 論文內(nèi)容概述3第二章 WCDMA基本原理52.1 演變過程52.2 網(wǎng)絡體系結(jié)構(gòu)52.3 信道結(jié)構(gòu)72.3.1 邏輯信道分類72.3.2 傳輸信道分類72.3.3 物理信道分類72.4 物理層結(jié)構(gòu)過程82.5 WCDMA通信模型8第三章 平行耦合線帶通濾波器的設計原理93.1 微帶傳輸線的基本理論93.1.1 微帶傳輸線的原理93.1.2 微帶傳輸

4、特性參數(shù)93.2 耦合微帶線的基本概論103.3 平行耦合線帶通濾波器的設計分析12第四章 WCDMA雙工器的設計154.1 雙工器理論分析154.2 平行耦合線雙工器的設計與仿真174.2.1 上下行帶通濾波器的設計與仿真174.2.2 雙工器的設計與仿真21第五章 總結(jié)與展望25致 謝27參考文獻28第一章 緒論第一章 緒論1.1 研究背景1.1.1 移動通信技術的發(fā)展 近幾年來，通信已經(jīng)成為一個飛速發(fā)展的產(chǎn)業(yè)。通信產(chǎn)業(yè)的這種發(fā)展趨勢，既體現(xiàn)在幾家主要公司的收入不斷增長，又體現(xiàn)在新的更具競爭力的電信公司市場。在通信行業(yè)內(nèi)部，移動通信又是其中發(fā)展最快的，沒有其它哪個部分的發(fā)展速度能夠與移動通

5、信的發(fā)展速度相提并論。它給人們的生活帶來了巨大改變，使人們擺脫有線的束縛，從而可以享受到更全面的通信服務。移動通信產(chǎn)業(yè)的用戶數(shù)量猛增，而且這種增長達的趨勢估計還將繼續(xù)下去。和絕大多數(shù)技術所經(jīng)歷的發(fā)展道路一樣，移動通信的發(fā)展也是一個不斷推陳出新的演變過程(當然，也不排除偶然出現(xiàn)的跳躍式的重大進步)。70年代，頻率重用和小區(qū)切換技術的發(fā)明，使得移動通信系統(tǒng)得以大規(guī)模使用，此時的移動通信系統(tǒng)即為我們今天所謂的第一代移動通信系統(tǒng)(其典型代表為AMPS 、TACS等)。限于當時的技術條件，第一代移動通信多址通信方式均采用FDMA，話音調(diào)制為模擬調(diào)頻，信令調(diào)制為FSK一類的簡單數(shù)字調(diào)制技術。由于模擬調(diào)制的

6、頻譜利用率底，抗干擾性能差，因而系統(tǒng)容量有限，業(yè)務質(zhì)量遠遜于有線通信系統(tǒng)。各個國家空中接口均采用不同的標準，跨國漫游很難實現(xiàn)；同時也沒有明確的網(wǎng)絡結(jié)構(gòu)和統(tǒng)一的接口標準，各個廠家自行其是，不同廠商的設備根本無法互連。第二代移動通信系統(tǒng)出現(xiàn)于通信數(shù)字化的80年代末和90年代初，它基本采用了當時TDMA(GSM系統(tǒng))或窄帶CDMA(IS-95)技術，空中接口采用數(shù)字調(diào)制技術和先進的自適應均衡(TDMA)、RAKE接收技術(CDMA)，從而使系統(tǒng)容量遠高于第一代通信系統(tǒng)，業(yè)務質(zhì)量與有線通信系統(tǒng)相當，業(yè)務種類上也從單一話音轉(zhuǎn)變到可以提供話音、中低速數(shù)據(jù)業(yè)務。在接口規(guī)范的制定上充分考慮了國際漫游的需要，形

7、成了統(tǒng)一的國際標準，同時也規(guī)定了明確的網(wǎng)絡結(jié)構(gòu)和系統(tǒng)接口標準，使不同廠商間的互連變得簡單易行。然而隨著移動通信技術的飛速發(fā)展，支持更高的數(shù)據(jù)傳輸速率和提供更多類型的業(yè)務已經(jīng)成為移動通信系統(tǒng)的發(fā)展方向。目前，第三代移動通信系統(tǒng)的研究已經(jīng)成為移動通信領域研究的熱點。國際電信聯(lián)盟確定的第三代移動通信系統(tǒng)標準主要有三個，即美國的CDMA2000、歐洲和日本的WCDMA、以及我國的TD-SCDMA標準。第三代移動通信系統(tǒng)的主要特點包括了全球無縫漫游具有支持多媒體業(yè)務的Internet能力，特別是支持業(yè)務高帶寬、高速率高頻譜效率、大容量。1.1.2 雙工器在移動通信系統(tǒng)中的應用 在移動通信系統(tǒng)中，無線信號

8、的接收和發(fā)送都需要通過天線。如果給收信機和發(fā)信機各配給一個天線，不但增加了成本、體積，而且天線傳遞信號之間還會相互干擾。所以希望收發(fā)共用一副天線，這就需要用到雙工技術。目前主要應用的雙工方式包括頻分雙工和時分雙工兩種。雙工器正是應用于雙工技術中，解決上、下行通信信道共用一副天線問題的一種微波器件。移動通信設備的射頻部分結(jié)構(gòu)可以用圖1.1來表示，它直接表明了雙工器在整個設備中的位置與作用。發(fā)射機接收機低噪放濾波器上變頻器混頻器濾波器放大器本地振蕩雙工器圖1-1 移動通信設備射頻前端原理圖若通信系統(tǒng)中收發(fā)使用同一頻段，那么雙工器就是一個收發(fā)開關。當發(fā)射機工作時，開關接通天線與發(fā)射機，將接收機斷開，

9、信號通過天線轉(zhuǎn)換成電磁波發(fā)射出去。當天線接收信號時，控制電路將發(fā)射機斷開，馬上接通天線與接收機，接收天線傳來的信號。收發(fā)位于不同的時間段，此時通信設備的工作方式就是時分雙工。若通信系統(tǒng)中，收發(fā)使用不同的頻段，這時收發(fā)可以同時進行，這種工作方式就是頻分雙工。第三代移動通信中的WCDMA標準正是使用了FDD的雙工方式，因此為了使收發(fā)信號可以同時工作而又不相互影響，必須在天線后端使用雙工器將發(fā)射機與接收機隔離開。1.2 研究現(xiàn)狀與發(fā)展趨勢目前，移動通信系統(tǒng)前端存在很多種類的雙工器。例如波導雙工器、同軸雙工器、介質(zhì)雙工器、SAW雙工器、微帶雙工器等等。每種雙工器都具有自己的優(yōu)勢，但也不可避免地存在一些

10、缺陷。就波導雙工器來說，其最大優(yōu)點是損耗低，但這種雙工器體積很大，成本較高，調(diào)諧困難。同軸雙工器體積要小的多，同樣損耗低，而且穩(wěn)定性高、屏蔽好、生產(chǎn)復制性強，但應用于移動通信其體積仍顯較大。介質(zhì)諧振器是由電磁波在介質(zhì)內(nèi)部進行反復全反射所形成的，由它構(gòu)成的雙工器可以實現(xiàn)小型化，但高成本使其廣泛應用受到阻礙。由聲表面波SAW濾波器構(gòu)成的雙工器，它利用電信號與聲信號的轉(zhuǎn)換和對聲信號的傳輸處理來完成濾波功能，其優(yōu)良的性能、小體積適應了現(xiàn)代通信系統(tǒng)設備小形化、高性能的要求，但損耗較大，主要用于小型化要求很高的場合。 微帶雙工器適應了當今低成本、小型化、高頻段的發(fā)展要求，得到了很高的重視，但其本身固有的缺

11、點是品質(zhì)因數(shù)低，損耗較大。為解決這個矛盾，在微帶雙工器基礎上發(fā)展了高溫超導雙工器。目前研究較多的另一種解決辦法是采用基于低LTCC(低溫共燒陶瓷技術)的三維微波集成電路。利用高溫超導薄膜制備的微帶雙工器具有通帶插損小，帶邊陡峭度高，帶外抑制大等優(yōu)點。除了結(jié)構(gòu)上的發(fā)展，與新技術結(jié)合是當今雙工器和濾波器的發(fā)展趨勢。其中包括有缺陷地結(jié)構(gòu)(DGS)技術、基片集成波導(SIW)技術、開口環(huán)與互補開口環(huán)諧振器、雙模諧振器等。典型的DGS是通過在接地板上刻蝕單個啞鈴狀圖形形成。該結(jié)構(gòu)不但可以提高電路的集成度，而且可以改變器件特性，大幅提高器件性能。SIW是一種人工集成的波導結(jié)構(gòu)，由兩排線性緊密排列的金屬通孔

12、或者銷釘嵌入同一基片構(gòu)成。該技術能有效降低尺寸，并使器件具有高品質(zhì)因數(shù)。對于開口環(huán)與互補開口環(huán)諧振器，一般情況下其尺寸是諧振波長的十分之一，非常有利于濾波器的小型化和抑制濾波器中的寄生通帶。而雙模諧振器因其優(yōu)異的特性，已經(jīng)成為目前進行濾波器小型化最有效的手段之一。1.3 論文內(nèi)容概述論文各章具體內(nèi)容如下：第一章介紹了移動通信的發(fā)展狀況，雙工器在其中的作用以及雙工器的發(fā)展狀況。第二章介紹WCDMA的基本理論，和信道結(jié)構(gòu)。第三章介紹了微帶傳輸線的基本原理，耦合微帶線的基本概論和平行耦合線帶通濾波器的設計原理。第四章首先分析了雙工器的工作原理、設計方法，然后敘述了平行耦合線微帶雙工器的數(shù)據(jù)計算與仿真

13、過程，并經(jīng)仿真軟件優(yōu)化，給出仿真結(jié)果。13 第三章 平行耦合線帶通濾波器的設計原理第二章 WCDMA基本原理2.1 演變過程 圖2-1 WCDMA協(xié)議版本的演進W-CDMA(寬帶碼分多址)是一個ITU(國際電信聯(lián)盟)標準，它是從碼分多址(CDMA)演變來的，從官方看被認為是IMT-2000 的直接擴展，與現(xiàn)在市場上通常提供的技術相比，它能夠為移動和手提無線設備提供更高的數(shù)據(jù)速率。WCDMA采用直接序列擴頻碼分多址(DS-CDMA)、頻分雙工(FDD)方式，碼片速率為3-84Mcps，載波帶寬為5MHz.基于Release99/ Release4版本，可在5MHz 的帶寬內(nèi)，提供最高384kbp

14、s的用戶數(shù)據(jù)傳輸速率。W-CDMA能夠支持移動/手提設備之間的語音、圖象、數(shù)據(jù)以及視頻通信，速率可達2Mb/s(對于局域網(wǎng)而言)或者384Kb/s(對于寬帶網(wǎng)而言)。輸入信號先被數(shù)字化，然后在一個較寬的頻譜范圍內(nèi)以編碼的擴頻模式進行傳輸。窄帶CDMA使用的是200KHz寬度的載頻，而W-CDMA使用的則是一個5MHz寬度的載頻。W-CDMA由ETSI NTT DoCoMo 作為無線介面為他們的3G網(wǎng)路FOMA開發(fā)。后來NTTDocomo提交給ITU一個詳細規(guī)范作為一個象IMT-2000一樣作為一個候選的國際3G標準。國際電信聯(lián)盟(ITU)最終接受W-CDMA作為IMT-2000家族3G標準的一

15、部分。后來W-CDMA被選作UMTS 的無線介面，作為繼承GSM的3G技術或者方案。誤解盡管名字跟CDMA很相近，但是W-CDMA跟CDMA關系不大。多大多小要看不同人的立足點。在行動電話領域，術語CDMA可以代指碼分多址擴頻復用技術，也可以指美國高通(Qualcomm)開發(fā)的包括IS-95/CDMA1X和CDMA2000(IS-2000)的CDMA 標準族。2.2 網(wǎng)絡體系結(jié)構(gòu)UMTS(Universal Mobile Telecommunications System、通用移動通信系統(tǒng))是采用WCDMA空中接口技術的第三代移動通信系統(tǒng)，通常也把UMTS系統(tǒng)稱為WCDMA通信系統(tǒng)。UMTS系

16、統(tǒng)采用了與第二代移動通信系統(tǒng)類似的結(jié)構(gòu)，包括無線接入網(wǎng)絡(Radio Access Network，RAN)和核心網(wǎng)絡(Core Network，CN)。其中無線接入網(wǎng)絡用于處理所有與無線有關的功能，而CN 處理UMTS系統(tǒng)內(nèi)所有的話音呼叫和數(shù)據(jù)連接，并實現(xiàn)與外部網(wǎng)絡的交換和路由功能。CN從邏輯上分為電路交換域(Circuit Switched Domain, CS)和分組交換域(PacketSwitched Domain, PS)。UTRAN、CN與用戶設備(User Equipment，UE)一起構(gòu)成了整個UMTS 系統(tǒng)。從3GPP R99標準的角度來看，UE和UTRAN(UMTS 的陸地

17、無線接入網(wǎng)絡)由全新的協(xié)議構(gòu)成，其設計基于WCDMA 無線技術。而CN則采用了GSM/GPRS 的定義，這樣可以實現(xiàn)網(wǎng)絡的平滑過度，此外在第三代網(wǎng)絡建設的初期可以實現(xiàn)全球漫游。圖2-2 系統(tǒng)網(wǎng)絡構(gòu)成 UE ：是用戶終端設備，它通過Uu接口與網(wǎng)絡設備進行數(shù)據(jù)交互，為用戶提供電路域和分組域內(nèi)的各種業(yè)務功能，包括普通話音、數(shù)據(jù)通信、移動多媒體、Internet應用(如E-mail、WWW瀏覽、FTP等)。UE包括兩部分：(1)ME(The Mobile Equipment)，提供應用和服務。(2)USIM(The UMTS Subscriber Module)，提供用戶身份識別。UTRAN：即陸地無

18、線接入網(wǎng)，分為基站(Node B)和無線網(wǎng)絡控制器(RNC)兩部分。CN：即核心網(wǎng)絡，負責與其他網(wǎng)絡的連接和對UE的通信和管理。在WCMDA 系統(tǒng)中，不同協(xié)議版本的核心網(wǎng)設備有所區(qū)別。從總體上來說，R99版本的核心網(wǎng)分為電路域和分組域兩大塊，R4版本的核心網(wǎng)也一樣，只是把R99電路域中的MSC 的功能改由兩個獨立的實體：MSC Server和MGW來實現(xiàn)。R5 版本的核心網(wǎng)相對R4來說增加了一個IP多媒體域，其他的與R4基本一樣。2.3 信道結(jié)構(gòu)從不同協(xié)議層次上講，WCDMA承載用戶各種業(yè)務的信道被分為以下三類：(1)邏輯信道：直接承載用戶業(yè)務根據(jù)承載的是控制平面業(yè)務還是用戶平面業(yè)務，分為控制

19、信道和業(yè)務信道。2.3.1 邏輯信道分類廣播控制信道 (BCCH)；尋呼控制信道 (PCCH)；專用控制信道 (DCCH)；公共控制信道 (CCCH)；專用業(yè)務信道 (DTCH)；公共業(yè)務信道 (CTCH)。(2)傳輸信道：物理層對MAC層提供的服務根據(jù)傳輸?shù)氖轻槍σ粋€用戶的專用信息還是針對所有用戶的公共信息，分為專用信道和公共信道。2.3.2 傳輸信道分類廣播信道 BCH；前向接入信道 FACH；尋呼信道 PCH；反向(隨機)接入信道 RACH；專用信道 DCH，DCH信道可以為上行或下行信。(3) 物理信道：各種信息在無線接口傳輸時的最終體現(xiàn)形式。2.3.3 物理信道分類物理信道分為上行物

20、理信道和下行物理信道；物理信道可以由某一載波頻率、碼(信道碼和擾碼)、相位確定；多數(shù)信道由無線幀和時隙組成，每一無線幀10ms，包括15個時隙。圖2-3 物理信道示意圖2.4 物理層結(jié)構(gòu)過程(1) 小區(qū)搜索(2) 上行同步過程(3) 基站間同步(4) 隨機接入過程 ·隨機接入準備 ·隨機接入過程 ·隨機接入沖突處理2.5 WCDMA通信模型圖2-4 WCDMA通信模型第三章 平行耦合線帶通濾波器的設計原理3.1 微帶傳輸線的基本理論3.1.1 微帶傳輸線的原理微帶傳輸線和耦合微帶線是微帶線型濾波器電路中常用的傳輸線，也是微帶元件的基本組成部分。通常的微帶線如圖4-

21、1所示，在相對介電常數(shù)和厚度為的基片上，具有寬度為厚度為的導體帶線，在基片的底部具有良導體的地面。wht圖3-1 微帶線結(jié)構(gòu)3.1.2 微帶傳輸特性參數(shù)電磁波在微帶線上的傳輸速度既不同于真空中的光速，也不同于介電常數(shù)的純介質(zhì)中速度，而是兩者混合的，混合介質(zhì)中波速用表示，混合介質(zhì)相對介電常數(shù)用表示。于是微帶線的傳輸特性參數(shù)是: (3-1) (3-2) (3-3) (3-4)微帶傳輸線的特性阻抗和有效介電常數(shù)都與微帶結(jié)構(gòu)尺寸和介電常數(shù)有關。對于上圖所示的微帶傳輸線，它的主要參數(shù)是導帶寬度，基片厚度，以及基片的介電常數(shù)。假設中心導帶為無限薄，由理想導體構(gòu)成。下面給出這種微帶線的特性參數(shù)近似計算公式。

22、對于寬帶(w/h>=1) (3-5)對于窄帶(w/h<=1) (3-6)其中 (3-7)以上公式的精度為2%.3.2 耦合微帶線的基本概論在微波集成電路中，耦合微帶線除了用它們來構(gòu)成振蕩回路，定向耦合器，阻抗變換器以及平衡不平衡變換器等基本元件外，在微帶型器件中更是利用其特性來構(gòu)成不同構(gòu)的各種類型的濾波器【15】。下圖是耦合微帶線的結(jié)構(gòu)形式。在此圖4-2中，2根微帶線結(jié)構(gòu)是相同的。這是微帶元件常用的結(jié)構(gòu)，但也可以不同，下面主要討論這種相同的對稱結(jié)構(gòu)。圖3-2 耦合微帶線的結(jié)構(gòu)在耦合微帶線中傳輸?shù)牟ǎ渲髂Ｊ菧蔜EM波。耦合微帶線的電磁場分別集中在兩個中心導帶附近，只有部分電磁場使兩

23、根導帶相耦合，如果s>4，則兩根導帶之間的耦合甚弱，就可以看成兩根無耦合的微帶線。分析耦合微帶線的主模傳輸特性，常把任意激勵的耦合微帶線分成兩種對稱激勵方式來計算，一種是用等幅反相電壓激勵，稱為奇模激勵。另一種是用等幅同相電壓代激勵，稱為偶模激勵。由于奇模和偶模電壓是由任意電壓V1和V2分解而來，故它們之間的關系是: (3-8)由上式解得奇、偶模電壓分別為： (3-9)把任意激勵分成奇模和偶模激勵后，耦合微帶線的特性就可以通過奇模和偶模參數(shù)來獲得。對于奇模激勵，耦合微帶線上的電場分布如圖3-3(a)所示。它的中心對稱面是個電壁，可以看成兩根相同的傳輸線來處理。對于偶模激勵，耦合微帶線上的

24、電場分布如圖3-3(b)所示。它的中心對稱面是個磁壁，兩根微帶線間沒有耦合，可以分開處理。(a)奇模激勵 (b)偶模激勵圖3-3 耦合微帶線奇模和偶模電場分布設為奇模激勵時的特性阻抗，為偶模激勵時的特性阻抗，為平行耦合線微帶線中單根微帶線的特性阻抗，則 (3-10) (3-11)其中稱為k為耦合系數(shù)。兩根線耦合越緊，與之間的差值越大，k值也就越大，反之就越小。在耦合微帶線中也引入有效介電常數(shù)的概念。由于有效介電常數(shù)決定于場在介質(zhì)中和在空氣中的相對比值，而奇、偶模的場分布是不同的，故奇、偶模激勵時的有效介電常數(shù)和不同。因奇模相速場和偶模相速分別由下式確定。 (3-12)奇模帶內(nèi)波長和偶模帶內(nèi)波長

25、分別由下式確定。 (3-13)所以平行耦合線微帶線的奇、偶模相速、帶內(nèi)波長各不相同。3.3 平行耦合線帶通濾波器的設計分析平行耦合線微帶帶通濾波器是由幾節(jié)半波長諧振器組合而成的，它不要求對地連接，結(jié)構(gòu)簡單，易于實現(xiàn)，是一種應用廣泛的濾波器。整個電路可以印制在很薄的介質(zhì)基片上(可以薄到1mm以下)，故其橫截面尺寸比波導、同軸線結(jié)構(gòu)的小得多其縱向尺寸雖和工作波長可以比擬，但采用高介電常數(shù)的介質(zhì)基片，使線上的波長比自由空間小了幾倍，同樣可以減小尺寸此外，整個微帶電路元件共用接地板，只需由導體帶條構(gòu)成電路圖形，結(jié)構(gòu)大為緊湊。平行耦合線微帶帶通濾波器是由若干個平行耦合線節(jié)構(gòu)成的，它的結(jié)構(gòu)如3-4所示。

26、圖3-4 微帶平行耦合線節(jié)由幾個平行耦合線節(jié)級聯(lián)就構(gòu)成帶通濾波器，其結(jié)構(gòu)如圖3-5所示。它有n+1個耦合線節(jié)(對應于濾波器的階數(shù)n)。每個長為四分之一波長(對應中心頻率)。圖3-5 微帶平行耦合線帶通濾波器一段電長度為的耦合線可看作兩端各有一段電長度為、特性導納為的倒置轉(zhuǎn)換器。將一系列耦合線級聯(lián)后，則導納倒置轉(zhuǎn)換器之間為特性導納等于、電長度為的傳輸線段。對1/4波長耦合線，電長度為，級聯(lián)后兩導納倒置變換器間傳輸線電長度為，可等效為一并聯(lián)諧振電路，其等效電納斜率參量為,同時設電源內(nèi)電導和負載導納均等于傳輸線特性導納。將以上關系代入 (k=1,2,，n-1) (3-14)得到以下設計公式 (k=1

27、,2,，n-1) (3-15)根據(jù)下式給出了奇偶模特性阻抗的表達式，即 (k=1,2,，n+1) (3-16)由各級奇、偶模阻抗可以綜合出微帶線結(jié)構(gòu)尺寸。在此，為了使設計過程更加完整，本文給出設計公式。由奇、偶模特性阻抗計算微帶線實際尺寸的過程稱為微帶線的綜合，反之稱為微帶線的分析。在此以耦合微帶線的分析與綜合做介紹。耦合微帶線的綜合：耦合微帶線的尺寸定義；為耦合微帶線間距，其余參數(shù)同單根微帶線。設耦合微帶線的奇模阻抗為，偶模阻抗為。由，求、根據(jù)下面兩式計算耦合微帶線中每一分支線的特性阻抗： 其中，是耦合微帶線的奇、偶模特性阻抗，、是耦合線節(jié)中單線奇、偶模特性阻抗。然后利用單根微帶線的綜合公式

28、，計算出、和對應尺寸、。接著利用下面兩式計算出耦合微帶尺寸和 (3-17)其中各級諧振器長度的計算利用以上的耦合微帶線結(jié)構(gòu)尺寸，通過耦合微帶線分析公式求得與奇、偶模阻抗相應的奇、偶模有效介電常數(shù)、，用下式可求得各級諧振器的長度。 (3-18)式中，為帶通濾波器的中心頻率，0.78和0.22是經(jīng)驗數(shù)據(jù)。對諧振器長度的縮短修正，考慮到微帶線開路的終端電容效應，實際制作電路時應將諧振器長度縮短，其值可按下式計算: (3-19)其中，諧振器的實際長度為。第四章 WCDMA雙工器的設計第四章 WCDMA雙工器的設計4.1 雙工器理論分析雙工器是兩個帶通濾波器以匹配電路相連接而成，其中帶通濾波器的設計是雙

29、工器設計中的重點。雙工器由帶通濾波器和分支接頭組成。具有發(fā)端口、收端口和天線端口，是一個三端口網(wǎng)絡。它能使收發(fā)信道同時工作，共用一個天線。最簡單的雙工器之一是只采用一只理想的環(huán)形器，或稱為理想的0dB定向耦合器，如圖4-1所示。由端口發(fā)送的信號送至天線端口，而端口無任何輸出從天線口接收來的信號也只能進入端口，不會進入端口，從而滿足收發(fā)信機之間的隔離度。從理論上說，這種雙工器可以實現(xiàn)收發(fā)同頻，進而大大節(jié)約頻率資源，但是目前這類方向性極強的部件還難以實現(xiàn)。天線端口3端口1天線端口3端口2端口2端口1圖4-1 0dB耦合器和理想環(huán)形器雙工器的設計方案之二是采用頻率選擇性部件來完成收發(fā)信道的分、合路功

30、能，如圖4-2所示。它的分支接頭采用簡單的“T”型頭，而將帶通濾波器分別調(diào)諧于發(fā)射頻率和接收頻率，從而滿足端1和2之間的隔離度。當其中一路作為發(fā)射信道時，在另一端口收到該頻率信號的強弱用隔離度表示，即收端異頻隔離度，它取決于接收邊濾波器的選擇性。另外，發(fā)射濾波器的作用是防止發(fā)射頻譜中含有接收信道頻譜成分的信號漏到接收端口去，稱為收端同頻隔離度，它取決于發(fā)射濾波器的選擇性。端口1端口2天線端口3圖4-2 選頻型雙工器但在一般情況下，發(fā)射譜中含有的接收信道頻譜成分是相當弱的，雙工器的這項指標不作具體要求，因此隔離度通常指的是前者，即收邊異頻隔離度或稱收發(fā)隔離度。如果這樣，可省去發(fā)射濾波器使雙工器更

31、加簡單。但在一般情況下，由于通信系統(tǒng)中或與其他系統(tǒng)中干擾問題的存在則必須限制發(fā)射頻譜的擴散，因此不可省略發(fā)射濾波器。這種方案只采用了選頻部件，因此結(jié)構(gòu)簡潔、整齊、成本低，但其收發(fā)頻率間隔保護頻帶必須滿足一定的數(shù)值才有足夠的隔離度。在頻率資源緊張的情況下，應采用第三種方案(見圖4-3)。這種方案在天線與帶通濾波器之間加入環(huán)形器。在實際工程設計中，當增加濾波器級數(shù)而選擇性無明顯改變，同時時延指標和插入損耗指標受到限制時，可采用上述第三種方案，以得到合理的收發(fā)頻率間隔和隔離度，為了進一步提高系統(tǒng)損耗指標，可將發(fā)射濾波器的級數(shù)減小到合適的數(shù)值。端口1端口2天線端口3圖4-3 典型雙工器4.2 平行耦合

32、線雙工器的設計與仿真4.2.1 上下行帶通濾波器的設計與仿真據(jù)設計參數(shù)要求可知，上行通道濾波器通帶頻率范圍是1.92-1.98GHz,于是通帶中心頻率為1.95GHz，相對帶寬為3%。將帶入公式中可得。取契比雪夫濾波器的帶內(nèi)波紋為0.01dB，帶外衰減為35dB，查契比雪夫濾波器通用誤差曲線得n=5,通過查契比雪夫低通濾波器元件值表到歸一化濾波器元件值如下：選取傳輸線特性導納為，將以上數(shù)據(jù)代入式4-1，計算出各個導納倒置變換器的特性導納，結(jié)果為 再將以上的倒置變換器特性導納代入到式4-2,計算出奇偶模特性阻抗 將奇、偶模特性阻抗代入到式4-10和式4-11，計算出單支路的奇、偶模阻抗。然后分別

33、把結(jié)果代入式，計算出、對應的尺寸的、。選用介電常數(shù)為4-65，厚度為1.5mm的介質(zhì)基板，再將得到的數(shù)據(jù)代入式4-12和4-13，計算出諧振器的寬度和耦合間隙。將分別代入式，計算出與奇、偶模特性阻抗相應的奇偶模有效介電常數(shù)、，將它們代入到式4-17，計算出諧振器的長度，最通過式4-15進行修正。通過以上的計算，最終得到如表1所示的計算結(jié)果。表4-1 1950MHz平行耦合線帶通濾波器尺寸的計算數(shù)據(jù)(mm)123寬度5.3774-7424-727間隙0.2384-8631.907長度10.610.610.6將以上計算所得的結(jié)果輸入電磁仿真軟件，其原理圖如圖4-4所示。圖4-4 ADS中1950M

34、Hz微帶平行耦合線帶通濾波器原理圖對上圖的電路進行仿真，得到下圖4-5所示的計算結(jié)果。從圖上可以看出濾波器的中心頻率和預期相比發(fā)生了很大的偏移，通帶內(nèi)插入損耗不平坦，而且通帶寬度也過寬。出現(xiàn)這樣的結(jié)果，除了圖表、經(jīng)驗公式、計算誤差等諸多原因外，理論計算本身也會和實際情況存在一定的差距。 圖4-5 1950MHz平行耦合線帶通濾波器S11與S21參數(shù)仿真曲線為了達到設計參數(shù)要求，需要對以上的結(jié)果進行優(yōu)化設計。在優(yōu)化過程中，因諧振器的長度決定了濾波器的中心頻率位置，所以先對濾波器的各諧振器長度進行優(yōu)化，以使濾波器的中心頻率回到設計頻率上來。然后再對濾波器的間隙進行優(yōu)化，因為間隙的大小可以影響耦合線

35、節(jié)之間的耦合度大小，對濾波器的傳輸特性有很大的影響，因而對間隙的調(diào)整可以改善濾波器的通帶特性以及通帶寬度。諧振器的寬度對濾波器的影響不是非常明顯。但調(diào)整寬度會改變耦合線節(jié)的特性阻抗，因此在濾波器設計完成后，需要在前端加一段傳輸線以實現(xiàn)阻抗匹配。經(jīng)過反復的優(yōu)化，得到 4-6(a)圖所示的結(jié)果。由4-6(a)圖可見，優(yōu)化后的濾波器達了較理想的效果。由于該圖是原理圖仿真的結(jié)果，并且優(yōu)化中有意提高了S11與S21參數(shù)的優(yōu)化標準，故這兩項結(jié)果均高于設計指標。這為后面的雙工器設并板圖仿真留出了一定的空間。優(yōu)化后的濾波器尺寸如下表2所示。表4-2 優(yōu)化后的1950MHz平行耦合線帶通濾波器尺寸的計算數(shù)據(jù)(m

36、m)123寬度1.5084-2504-079間隙0.6694-7854-702長度18.03717.63517.727(a)原理圖 (b)板圖圖4-6 1950MHz平行耦合線帶通濾波器原理圖與板圖S11與S21仿真曲線用優(yōu)化過的原理圖生成版圖,如下圖4-7圖4-7 1950MHz平行耦合線帶通濾波器板圖板圖的仿真結(jié)果如圖(b)所示。由圖中可以看出，版圖的S11曲線與原理圖相比起伏較大，S21曲線變化相對較小，但在左邊截止頻率處曲線也有所惡化，但總體來看該結(jié)果仍在允許的范圍之內(nèi)。以上完成了對雙工器的上行信道濾波器的計算、設計并仿真，接下來進行下行信道濾波器的設計。與前面的設計過程相仿，首先進行

37、數(shù)據(jù)計算。所不同的是，下行信道的相對帶寬為4-8%，各個導納倒置變換器的特性導納為: 再將以上的倒置變換器特性導納代入到式4-2，計算出奇、偶模特性阻抗. 仍然按照1950MHz濾波器的計算過程，利用奇、偶模特性阻抗來計算2140MHz帶通濾波器尺寸。因篇幅所限，此處省略計算過程。計算結(jié)果如下表3所示。表4-3 2140MHz平行耦合線帶通濾波器尺寸的計算數(shù)據(jù)(mm)123寬度5.3154-7334-729間隙0.2664-8631.795長度9.36393639.363同樣按照上行濾波器的方法來處理，將結(jié)果輸入軟件，進行仿真，并對結(jié)果進行優(yōu)化。由于在設計程序上兩個濾波器只有在中心頻率位置上存

38、在不同，過程同上，下面僅給出優(yōu)化后的結(jié)果，如下圖4-7所示。(a)原理圖 (b)板圖圖4-7 2140MHz平行耦合線帶通濾波器原理圖與板圖S11與S21仿真曲線與該結(jié)果對應的濾波器的各尺寸參數(shù)如下表4如示.表4-4 優(yōu)化后的2140MHz平行耦合線帶通濾波器尺寸的計算數(shù)據(jù)(mm)123寬度1.6381.8611.948間隙0.6254-1984-994長度16.31716.166161314.2.2 雙工器的設計與仿真在完成了雙通道濾波器的設計與仿真后，接下來就可以設計雙工器了。下圖4-8給出了雙工器的設計原理圖。圖4-8 ADS中微帶平行耦合線雙工器原理圖通過第一節(jié)的介紹與分析可知，兩個濾

39、波器不能直接相連，以免引入電納，干擾對方的濾波特性。因此，兩個濾波器需要各加一段傳輸線后再進行連接，如下圖4-9所示。然而，由于濾波器的輸入導納不能事先確定，因此傳輸線的長度也是一個未知參數(shù)。圖4-9 傳輸線L1與L2的定義此時，仿真軟件的優(yōu)越性便可以得到充分的體現(xiàn)。由于輸入導納不確定，因此可以先給定一個長度，然后使用仿真軟件對電磁環(huán)境進行仿真，查看S參數(shù)以判斷給定的長度是否合適。經(jīng)過修正與優(yōu)化，最后使性能合乎要求。由第2章的分析可知，每一支路連接線長度的最小值，不超過另一支路中心頻率對應波長的一半。由此便可以確定初值和優(yōu)化的范圍。為更明確兩段傳輸線長度的設計過程，現(xiàn)定義L1和L2如上圖所示.

40、本文選用介電常數(shù)為4-65的介質(zhì)基板，由式可知，1950MHz頻率的電磁波對應波長為94.5mm, 2140MHz電磁波對應波長為86.12mm。由第一節(jié)的分析可知，L1與L2的最小值范圍為0<L1<44-06mm，0<L2<47.25mm。為設計方便，首先給出L1與L2的初始值L1=4mm,l2=9mm。對原理圖進行仿真，得到下圖4-10(a)所示的結(jié)果?？梢钥闯觯滦型ǖ赖臑V波器性能受到很大影響。這是因上行通道濾波器在其通帶內(nèi)引入了電納，使得反射增大，傳輸性能急劇變壞。同時可以看到，雙通道的S11參數(shù)都不理想，最小值也僅有-13dB左右。這說明兩個濾波器在彼此的通帶

41、內(nèi)都引入了較大的電納成分，在兩個濾波器的輸入端，反射均大大增加了，而下行通道增加得更厲害。(a)優(yōu)化前 (b)優(yōu)化后圖4-10 對L1和L2優(yōu)化前后的微帶平行耦合線雙工器S參數(shù)曲線為改善雙工器的性能，找到各通道的開路點，將L1和L2設為變量，對其進行優(yōu)化，根據(jù)分析L1和L2的優(yōu)化范圍分別為044-06mm和047.25mm。經(jīng)過仿真后，得到圖4-10(b)所示的結(jié)果。由圖可見，雙工器雙通道的傳輸特性得到了極大的改善，并且S11參數(shù)在兩濾波器通帶內(nèi)也降到了-20dB以下，達到了設計要求的技術指標。經(jīng)優(yōu)化后的L1和L2值為L1=14.5702mm,L2=15.1772mm。此時頻率為2140MHz

42、的入射波，在L1的輸入端呈現(xiàn)開路狀態(tài)，消除了對下行濾波器的影響;而頻率為1950MHz的入射波，在L2的輸入端也呈現(xiàn)開路狀態(tài)，同樣消除了對上行濾波器的影響。為驗證該理論的正確性，保持L2=15.1772mm不變，單獨改變L1的值。由理論分析可知，對應下行通道2140MHz濾波器的性能將會變壞，而上行通道1950MHz濾波器性能將變化不大。將L1值改為20mm，仿真結(jié)果如下圖4-11(a)所示。從圖中可以看出，正如理論分析的一樣，下行通道濾波器性能下降了。(a)L1為20mm (b)L2為62,2516mm圖4-11 修改L1后的微帶平行耦合線雙工器S參數(shù)曲線根據(jù)傳輸線理論，傳輸線上的駐波隨位置

43、呈周期分布，其周期為波長的一半，如圖所示。因此，對于濾波器前的傳輸線而言，其內(nèi)部的電磁場分布也應呈現(xiàn)周期性，即如果繼續(xù)加長L1的值，在某一點處，L1的輸入端又會對2140MHz的入射波呈現(xiàn)開路狀態(tài)。為驗證，將L1的值增加2140MHz對應波長的一半，即令L1=57.6302mm，再次進行仿真，并對結(jié)果進行一定的優(yōu)化，得到圖4-11(b)所示的結(jié)果?？梢钥吹?，L1的輸入端再次對2140MHz的入射波呈現(xiàn)了開路狀態(tài)，雙工器的性能得到了恢復。此時的L1長為64-2516mm，比理論值稍長一點。從原理圖生成雙工器的板圖，如下圖4-12所示，其仿真結(jié)果如下圖4-13所示.圖4-12 微帶平行耦合線雙工器

44、板圖圖4-13 微帶平行耦合線雙工器板圖S參數(shù)曲線由圖可知，平行耦合線雙工器板圖的參數(shù)曲線都要比原理圖對應曲線有所惡化，這是由于版圖的仿真采用了矩量法，直接對電磁環(huán)境進行仿真的原因，但該曲線會與真實結(jié)果更加接近。從圖中可以看到，雙工器雙通道插入損耗均達到了設計要求的技術指標，阻帶衰減基本達到-40dB，兩通道的隔離度也在40dB以上，但S11并未完全降到-20dB以下?？傮w來看，該雙工器基本達到了設計目標。至此，平行耦合線結(jié)構(gòu)雙工器設計完成。29 第五章 總結(jié)與展望第五章 總結(jié)與展望隨著移動通信的迅猛發(fā)展，3G技術己經(jīng)成為勢不可擋的主流，并在一步步改變著人們的生活。計算機輔助設計技術和電磁數(shù)值

45、計算技術的發(fā)展，打破了傳統(tǒng)的微波器件設計方法。本論文即是在這樣的時代背景中，根據(jù)實際科研項目提出的。本文針對FDD雙工模式的WCDMA系統(tǒng)，主要設計了平行耦合線微帶雙工器。首先對微帶傳輸線理論、濾波器理論以及微帶雙工器實現(xiàn)方法進行了分析與討論，在此基礎之上，對雙工器分別進行了設計，并給出了計算過程與尺寸數(shù)據(jù)，進行了計算機仿真與優(yōu)化。對雙工器的實現(xiàn)方案進行了仿真驗證，并設計和分析了優(yōu)缺點。實際制作了雙工器，并用微波矢量網(wǎng)絡分析儀進行測試，與仿真軟件的結(jié)果進行了比較和分析。從整體的設計過程和最后的仿真和測試結(jié)果來看，本設計基本達到了預期的技術指標要求。滿足了WCDMA系統(tǒng)要求。但同時雙工器也有一些

46、需要改進的地方，如雙工器沒有加屏蔽盒，這也是性能下降的一個原因，還有傳輸線L1與L2還需要進一步調(diào)整。從實際應用的角度來看，該雙工器可以滿足要求，但在實現(xiàn)上還需要進一步的改進。例如改用高介電常數(shù)的介質(zhì)基片，這樣可以大大縮小雙工器的體積，使雙工器的整體性能進一步增強。參考文獻致 謝本論文是XXXX的悉心指導下完成的XXXXX嚴謹?shù)闹螌W態(tài)度，精益求精的工作作風，誨人不倦的高尚師德，嚴以律己、寬以待人的崇高風范，樸實無華、平易近人的人格魅力對我影響深遠。本論文從選題到完成，每一步都是在導師的指導下完成的，傾注了導師大量的心血。XXX多次詢問研究進程，并為我指點迷津，幫助我開拓研究思路，精心點撥、熱忱

47、鼓勵。在此，謹向?qū)煴硎境绺叩木匆夂椭孕牡母兄x!漫漫三年求學路上，得到過信息學院許多老師和同學的關心和支持。在學校的學習生活即將結(jié)束，回顧兩年多來的學習經(jīng)歷，面對現(xiàn)在的收獲，我感到無限欣慰。為此，我向熱心幫助過我的所有老師和同學表示由衷的感謝!感謝在整個畢業(yè)設計期間和我密切合作的同學，和曾經(jīng)在各個方面給予過我?guī)椭幕锇閭儯诖髮W生活即將結(jié)束的最后的日子里，我們再一次演繹了團結(jié)合作的童話，把一個龐大的，從來沒有上手的課題，圓滿地完成了。正是因為有了你們的幫助，才讓我不僅學到了本次課題所涉及的新知識，更讓我感覺到了知識以外的東西，那就是團結(jié)的力量。這里還要感謝多年來養(yǎng)育和關懷我的父母，他們永遠在身

48、后支持著我，沒有他們的無私關懷和幫助，就沒有我今天的收獲。最后，衷心地感謝在百忙之中評閱論文和參加答辯的各位專家、教授!參考文獻1. 3GPP (3rd Generation Partnership Project) TS (Technical Specification) 34. 121, Terminal conformance specification;Radio transmission and reception, Ver. 4-4-0 (2000).2. 幻馮建和，王衛(wèi)東.第三代移動網(wǎng)絡與移動業(yè)務.北京二人民郵電出版社，2007.3. 李偉.移動通信手持機中雙工器的研制.微波與衛(wèi)星通信.1996, (1) : 34-37.4. 周依林，孫曉偉.集成9001NHz陶瓷介質(zhì)濾波器的實現(xiàn).通信學報.1996, (3) :116-120.5. 唐敏，肖雪.SAW濾波器的市場前景及發(fā)展趨勢.今日電子.2000,(10):