WCDMA系統(tǒng)微帶雙工器的設(shè)計(jì)與仿真

淮安信息職業(yè)技術(shù)學(xué)院編號(hào) WCDMA系統(tǒng)微帶雙工器的

設(shè)計(jì)與仿真學(xué)生姓名專業(yè) 通信技術(shù)指導(dǎo)教師 【助教】二0——年十月

隨著信息技術(shù)的迅速發(fā)展，目前移動(dòng)通信己進(jìn)入了3G時(shí)代。國(guó)際電信聯(lián)盟對(duì)3G技術(shù)確定了三大移動(dòng)通信標(biāo)準(zhǔn)，即美國(guó)的CDMA2000、歐洲和日本的WCDMA、以及我國(guó)的TD-SCDMA標(biāo)準(zhǔn)。與GSM等第二代移動(dòng)通信一樣，3G技術(shù)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(shù)，即保證收發(fā)系統(tǒng)正常工作的同時(shí)又避免信道相互影響的一種技術(shù)。在3G技術(shù)的三大標(biāo)準(zhǔn)中，CDMA2000與WCDMA標(biāo)準(zhǔn)都采用了頻分雙工技術(shù)，而我國(guó)的TD-SCDMA則采用了時(shí)分雙工技術(shù)。對(duì)于時(shí)分雙工，只要將收與發(fā)安排在不同的時(shí)間片中就可以解決雙工問題，而對(duì)于頻分雙工，則需要設(shè)計(jì)專門的器件來使不同頻率的電磁波同時(shí)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(shè)計(jì)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(duì)微波濾波器的原理與設(shè)計(jì)的過程進(jìn)行了討論。設(shè)計(jì)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(duì)帶寬分別為3%和3.8%。針對(duì)上、下行通道的窄帶要求，按照窄帶濾波器的設(shè)計(jì)方法，設(shè)計(jì)完成平行耦合線形式的微波雙工器。還在此基礎(chǔ)上，分析了雙工器的設(shè)計(jì)原理及實(shí)現(xiàn)方案，用ADS軟件進(jìn)行了仿真，并對(duì)結(jié)果進(jìn)行了優(yōu)化，基本滿足系統(tǒng)設(shè)計(jì)的要求。關(guān)鍵詞:微帶線雙工器濾波器平行耦合線關(guān)鍵詞:微帶線雙工器濾波器平行耦合線目錄目錄TOC\o"1-5"\h\z摘要 I第一章緒論 1研究背景 1\o"CurrentDocument"1.1.1移動(dòng)通信技術(shù)的發(fā)展 1\o"CurrentDocument"雙工器在移動(dòng)通信系統(tǒng)中的應(yīng)用 1\o"CurrentDocument"1.2研究現(xiàn)狀與發(fā)展趨勢(shì) 2\o"CurrentDocument"論文內(nèi)容概述 3\o"CurrentDocument"第二章WCDMA基本原理 5\o"CurrentDocument"演變過程 5\o"CurrentDocument"網(wǎng)絡(luò)體系結(jié)構(gòu) 5\o"CurrentDocument"2.3信道結(jié)構(gòu) 6\o"CurrentDocument"2.3.1邏輯信道分類 7\o"CurrentDocument"2.3.2傳輸信道分類 7\o"CurrentDocument"物理信道分類 7\o"CurrentDocument"物理層結(jié)構(gòu)過程 7\o"CurrentDocument"WCDMA通信模型 8第三章平行耦合線帶通濾波器的設(shè)計(jì)原理 93.1微帶傳輸線的基本理論 9\o"CurrentDocument"3.1.1微帶傳輸線的原理 9\o"CurrentDocument"3.1.2微帶傳輸特性參數(shù) 9\o"CurrentDocument"3.2耦合微帶線的基本概論 10\o"CurrentDocument"3.3平行耦合線帶通濾波器的設(shè)計(jì)分析 12\o"CurrentDocument"第四章WCDMA雙工器的設(shè)計(jì) 15\o"CurrentDocument"4.1雙工器理論分析 15\o"CurrentDocument"4.2平行耦合線雙工器的設(shè)計(jì)與仿真 17\o"CurrentDocument"4.2.1上下行帶通濾波器的設(shè)計(jì)與仿真 17\o"CurrentDocument"4.2.2雙工器的設(shè)計(jì)與仿真 21\o"CurrentDocument"第五章總結(jié)與展望 25\o"CurrentDocument"致謝 27\o"CurrentDocument"參考文獻(xiàn) 29第一章緒論1.1研究背景1.1.1移動(dòng)通信技術(shù)的發(fā)展近幾年來，通信已經(jīng)成為一個(gè)飛速發(fā)展的產(chǎn)業(yè)。通信產(chǎn)業(yè)的這種發(fā)展趨勢(shì)，既體現(xiàn)在幾家主要公司的收入不斷增長(zhǎng)，又體現(xiàn)在新的更具競(jìng)爭(zhēng)力的電信公司市場(chǎng)。在通信行業(yè)內(nèi)部，移動(dòng)通信又是其中發(fā)展最快的，沒有其它哪個(gè)部分的發(fā)展速度能夠與移動(dòng)通信的發(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(wù)。移動(dòng)通信產(chǎn)業(yè)的用戶數(shù)量猛增，而且這種增長(zhǎng)達(dá)的趨勢(shì)估計(jì)還將繼續(xù)下去。和絕大多數(shù)技術(shù)所經(jīng)歷的發(fā)展道路一樣，移動(dòng)通信的發(fā)展也是一個(gè)不斷推陳出新的演變過程(當(dāng)然，也不排除偶然出現(xiàn)的跳躍式的重大進(jìn)步)。70年代，頻率重用和小區(qū)切換技術(shù)的發(fā)明，使得移動(dòng)通信系統(tǒng)得以大規(guī)模使用，此時(shí)的移動(dòng)通信系統(tǒng)即為我們今天所謂的第一代移動(dòng)通信系統(tǒng)(其典型代表為AMPS、TACS等)。限于當(dāng)時(shí)的技術(shù)條件，第一代移動(dòng)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(jiǎn)單數(shù)字調(diào)制技術(shù)。由于模擬調(diào)制的頻譜利用率底，抗干擾性能差，因而系統(tǒng)容量有限，業(yè)務(wù)質(zhì)量遠(yuǎn)遜于有線通信系統(tǒng)。各個(gè)國(guó)家空中接口均采用不同的標(biāo)準(zhǔn)，跨國(guó)漫游很難實(shí)現(xiàn)；同時(shí)也沒有明確的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)和統(tǒng)一的接口標(biāo)準(zhǔn)，各個(gè)廠家自行其是，不同廠商的設(shè)備根本無法互連。第二代移動(dòng)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(dāng)時(shí)TDMA(GSM系統(tǒng))或窄帶CDMA(IS-95)技術(shù)，空中接口采用數(shù)字調(diào)制技術(shù)和先進(jìn)的自適應(yīng)均衡(TDMA)、RAKE接收技術(shù)(CDMA)，從而使系統(tǒng)容量遠(yuǎn)高于第一代通信系統(tǒng)，業(yè)務(wù)質(zhì)量與有線通信系統(tǒng)相當(dāng)，業(yè)務(wù)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(wù)。在接口規(guī)范的制定上充分考慮了國(guó)際漫游的需要，形成了統(tǒng)一的國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)，同時(shí)也規(guī)定了明確的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)和系統(tǒng)接口標(biāo)準(zhǔn)，使不同廠商間的互連變得簡(jiǎn)單易行。然而隨著移動(dòng)通信技術(shù)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(wù)已經(jīng)成為移動(dòng)通信系統(tǒng)的發(fā)展方向。目前，第三代移動(dòng)通信系統(tǒng)的研究已經(jīng)成為移動(dòng)通信領(lǐng)域研究的熱點(diǎn)。國(guó)際電信聯(lián)盟確定的第三代移動(dòng)通信系統(tǒng)標(biāo)準(zhǔn)主要有三個(gè)，即美國(guó)的CDMA2000、歐洲和日本的WCDMA、以及我國(guó)的TD-SCDMA標(biāo)準(zhǔn)。第三代移動(dòng)通信系統(tǒng)的主要特點(diǎn)包括了全球無縫漫游具有支持多媒體業(yè)務(wù)的Internet能力，特別是支持業(yè)務(wù)高帶寬、高速率高頻譜效率、大容量。1.1.2雙工器在移動(dòng)通信系統(tǒng)中的應(yīng)用在移動(dòng)通信系統(tǒng)中，無線信號(hào)的接收和發(fā)送都需要通過天線。如果給收信機(jī)和發(fā)信機(jī)各配給一個(gè)天線，不但增加了成本、體積，而且天線傳遞信號(hào)之間還會(huì)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(shù)。目前主要應(yīng)用的雙工方式包括頻分雙工和時(shí)分雙工兩種。雙工器正是應(yīng)用于雙工技術(shù)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(dòng)通信設(shè)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(gè)設(shè)備中的位置與作用。圖1-1移動(dòng)通信設(shè)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(gè)收發(fā)開關(guān)。當(dāng)發(fā)射機(jī)工作時(shí)，開關(guān)接通天線與發(fā)射機(jī)，將接收機(jī)斷開，信號(hào)通過天線轉(zhuǎn)換成電磁波發(fā)射出去。當(dāng)天線接收信號(hào)時(shí)，控制電路將發(fā)射機(jī)斷開，馬上接通天線與接收機(jī)，接收天線傳來的信號(hào)。收發(fā)位于不同的時(shí)間段，此時(shí)通信設(shè)備的工作方式就是時(shí)分雙工。若通信系統(tǒng)中，收發(fā)使用不同的頻段，這時(shí)收發(fā)可以同時(shí)進(jìn)行，這種工作方式就是頻分雙工。第三代移動(dòng)通信中的WCDMA標(biāo)準(zhǔn)正是使用了FDD的雙工方式，因此為了使收發(fā)信號(hào)可以同時(shí)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(jī)與接收機(jī)隔離開。1.2研究現(xiàn)狀與發(fā)展趨勢(shì)目前，移動(dòng)通信系統(tǒng)前端存在很多種類的雙工器。例如波導(dǎo)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(shì)，但也不可避免地存在一些缺陷。就波導(dǎo)雙工器來說，其最大優(yōu)點(diǎn)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(fù)制性強(qiáng)，但應(yīng)用于移動(dòng)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(jìn)行反復(fù)全反射所形成的，由它構(gòu)成的雙工器可以實(shí)現(xiàn)小型化，但高成本使其廣泛應(yīng)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(hào)與聲信號(hào)的轉(zhuǎn)換和對(duì)聲信號(hào)的傳輸處理來完成濾波功能，其優(yōu)良的性能、小體積適應(yīng)了現(xiàn)代通信系統(tǒng)設(shè)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(chǎng)合。微帶雙工器適應(yīng)了當(dāng)今低成本、小型化、高頻段的發(fā)展要求，得到了很高的重視，但其本身固有的缺點(diǎn)是品質(zhì)因數(shù)低，損耗較大。為解決這個(gè)矛盾，在微帶雙工器基礎(chǔ)上發(fā)展了高溫超導(dǎo)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(shù))的三維微波集成電路。利用高溫超導(dǎo)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(diǎn)。除了結(jié)構(gòu)上的發(fā)展，與新技術(shù)結(jié)合是當(dāng)今雙工器和濾波器的發(fā)展趨勢(shì)。其中包括有缺陷地結(jié)構(gòu)(DGS)技術(shù)、基片集成波導(dǎo)(SIW)技術(shù)、開口環(huán)與互補(bǔ)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(gè)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(dǎo)結(jié)構(gòu)，由兩排線性緊密排列的金屬通孔或者銷釘嵌入同一基片構(gòu)成。該技術(shù)能有效降低尺寸，并使器件具有高品質(zhì)因數(shù)。對(duì)于開口環(huán)與互補(bǔ)開口環(huán)諧振器，一般情況下其尺寸是諧振波長(zhǎng)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(jìn)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(dòng)通信的發(fā)展?fàn)顩r，雙工器在其中的作用以及雙工器的發(fā)展?fàn)顩r。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(shè)計(jì)原理。第四章首先分析了雙工器的工作原理、設(shè)計(jì)方法，然后敘述了平行耦合線微帶雙工器的數(shù)據(jù)計(jì)算與仿真過程，并經(jīng)仿真軟件優(yōu)化，給出仿真結(jié)果。第二章WCDMA基本原理2.1演變過程保留2G(GSM和GPRS)核心網(wǎng)保留2G(GSM和GPRS)核心網(wǎng)［核心網(wǎng)分CS電路域和PS分組域保留WCDMAR99RAN核心網(wǎng)電路域采用NGN架構(gòu)，以IP承載話音業(yè)務(wù)接入網(wǎng)引入WCDMARAN核心網(wǎng)和接入網(wǎng)之間的lu接口基于ATM核心網(wǎng)增加IM(IP多媒體域)，增強(qiáng)IPQoS能力接入網(wǎng)增加HSDP8能，單載波下載高達(dá)14.4Mbps的數(shù)據(jù)接入能力接入網(wǎng)向IPRAN方向發(fā)展全I(xiàn)P解決方案HSUPAPhaseII單載波上載速率高達(dá)5.76MbpsHSPA+(64QAM,CPC.MIMO)LTE(OFDMA,MIMO)圖2-1WCDMA協(xié)議版本的演進(jìn)W-CDMA(寬帶碼分多址)是一個(gè)ITU(國(guó)際電信聯(lián)盟)標(biāo)準(zhǔn)，它是從碼分多址(CDMA)演變來的，從官方看被認(rèn)為是IMT-2000的直接擴(kuò)展，與現(xiàn)在市場(chǎng)上通常提供的技術(shù)相比，它能夠?yàn)橐苿?dòng)和手提無線設(shè)備提供更高的數(shù)據(jù)速率。WCDMA采用直接序列擴(kuò)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384kbps的用戶數(shù)據(jù)傳輸速率。W-CDMA能夠支持移動(dòng)/手提設(shè)備之間的語音、圖象、數(shù)據(jù)以及視頻通信，速率可達(dá)2Mb/s(對(duì)于局域網(wǎng)而言)或者384Kb/s(對(duì)于寬帶網(wǎng)而言)。輸入信號(hào)先被數(shù)字化，然后在一個(gè)較寬的頻譜范圍內(nèi)以編碼的擴(kuò)頻模式進(jìn)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(gè)5MHz寬度的載頻。W-CDMA由ETSINTTDoCoMo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(gè)詳細(xì)規(guī)范作為一個(gè)象IMT-2000一樣作為一個(gè)候選的國(guó)際3G標(biāo)準(zhǔn)。國(guó)際電信聯(lián)盟(ITU)最終接受W-CDMA作為IMT-2000家族3G標(biāo)準(zhǔn)的一部分。后來W-CDMA被選作UMTS的無線介面，作為繼承GSM的3G技術(shù)或者方案。誤解盡管名字跟CDMA很相近，但是W-CDMA跟CDMA關(guān)系不大。多大多小要看不同人的立足點(diǎn)。在行動(dòng)電話領(lǐng)域，術(shù)語CDMA可以代指碼分多址擴(kuò)頻復(fù)用技術(shù)，也可以指美國(guó)高通(Qualcomm)開發(fā)的包括IS-95/CDMA1X和CDMA2000(IS-2000)的CDMA標(biāo)準(zhǔn)族。2.2網(wǎng)絡(luò)體系結(jié)構(gòu)UMTS(UniversalMobileTelecommunicationsSystem>通用移動(dòng)通信系統(tǒng))是米用WCDMA空中接口技術(shù)的第三代移動(dòng)通信系統(tǒng)，通常也把 UMTS系統(tǒng)稱為

WCDMA通信系統(tǒng)。UMTS系統(tǒng)采用了與第二代移動(dòng)通信系統(tǒng)類似的結(jié)構(gòu)，包括無線接入網(wǎng)絡(luò)(RadioAccessNetwork，RAN)和核心網(wǎng)絡(luò)(CoreNetwork,CN)。其中無線接入網(wǎng)絡(luò)用于處理所有與無線有關(guān)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(shí)現(xiàn)與外部網(wǎng)絡(luò)的交換和路由功能。CN從邏輯上分為電路交換域(CircuitSwitchedDomain,CS)和分組交換域(PacketSwitchedDomain,PS)。UTRAN、CN與用戶設(shè)備(UserEquipment，UE)一起構(gòu)成了整個(gè)UMTS系統(tǒng)。從3GPPR99標(biāo)準(zhǔn)的角度來看，UE和UTRAN(UMTS的陸地?zé)o線接入網(wǎng)絡(luò))由全新的協(xié)議構(gòu)成，其設(shè)計(jì)基于WCDMA無線技術(shù)。而CN則采用了GSM/GPRS的定義，這樣可以實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)的平滑過度，此外在第三代網(wǎng)絡(luò)建設(shè)的初期可以實(shí)現(xiàn)全球漫游。luUuluI UTRAN1I UTRAN1I CN；'ExternalNetwork^i 1 j, 1圖2-2系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)構(gòu)成UE:是用戶終端設(shè)備，它通過Uu接口與網(wǎng)絡(luò)設(shè)備進(jìn)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(wù)功能，包括普通話音、數(shù)據(jù)通信、移動(dòng)多媒體、Internet應(yīng)用(如E-mail、WWW瀏覽、FTP等)。UE包括兩部分：ME(TheMobileEquipment)，提供應(yīng)用和服務(wù)。USIM(TheUMTSSubscriberModule)，提供用戶身份識(shí)別。UTRAN:即陸地?zé)o線接入網(wǎng)，分為基站(NodeB)和無線網(wǎng)絡(luò)控制器(RNC)兩部分。CN：即核心網(wǎng)絡(luò)，負(fù)責(zé)與其他網(wǎng)絡(luò)的連接和對(duì)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(shè)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(gè)獨(dú)立的實(shí)體：MSCServer和MGW來實(shí)現(xiàn)。R5版本的核心網(wǎng)相對(duì)R4來說增加了一個(gè)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(wù)的信道被分為以下三類：邏輯信道：直接承載用戶業(yè)務(wù)根據(jù)承載的是控制平面業(yè)務(wù)還是用戶平面業(yè)務(wù)，分為控制信道和業(yè)務(wù)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(wù)信道(DTCH)；公共業(yè)務(wù)信道(CTCH)。傳輸信道：物理層對(duì)MAC層提供的服務(wù)根據(jù)傳輸?shù)氖轻槍?duì)一個(gè)用戶的專用信息還是針對(duì)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(jī))接入信道RACH；專用信道DCH，DCH信道可以為上行或下行信。物理信道：各種信息在無線接口傳輸時(shí)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(shí)隙組成，每一無線幀10ms，包括15個(gè)時(shí)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⑵上行同步過程⑶基站間同步隨機(jī)接入過程?隨機(jī)接入準(zhǔn)備?隨機(jī)接入過程?隨機(jī)接入沖突處理2.5WCDMA通信模型圖2-4WCDMA通信模型第三章平行耦合線帶通濾波器的設(shè)計(jì)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4-1所示，在相對(duì)介電常數(shù)￡和厚度為h的基片上，具有寬度為w厚度為，的導(dǎo)體帶線，在基片的底部具有良導(dǎo)體的地面。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)￡TOC\o"1-5"\h\zr的純介質(zhì)中速度，而是兩者混合的，混合介質(zhì)中波速用V表示，混合介質(zhì)相對(duì)介電常數(shù)用￡表示。于是微帶線的傳輸特性參數(shù)是： ”V廣寺 (3-1)re入=馬 (3-2)p\：￡re。=①3c=?！?(3-3)0re/0頂=令 (3-4)re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(guān)。對(duì)于上圖所示的微帶傳輸線，它的主要參數(shù)是導(dǎo)帶寬度W，基片厚度h，以及基片的介電常數(shù)￡。假設(shè)中心導(dǎo)帶為無限薄，由理想導(dǎo)體構(gòu)成。下面給出這種r微帶線的特性參數(shù)近似計(jì)算公式。對(duì)于寬帶(w/h>=1)(3-5)120兀/聲(3-5)0W/h+2.42-0.44W/h+(1-h/W),6對(duì)于窄帶(w/h<=1)

z060reln(z060reln(一+一)￡+1￡+1+￡r-1(1+10h)2

W(3-7)￡re=丁+二以上公式的精度為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(duì)稱結(jié)構(gòu)。在耦合微帶線中傳輸?shù)牟?，其主模是?zhǔn)TEM波。耦合微帶線的電磁場(chǎng)分別集中在兩個(gè)中心導(dǎo)帶附近，只有部分電磁場(chǎng)使兩根導(dǎo)帶相耦合，如果s>4巧，則兩根導(dǎo)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(lì)的耦合微帶線分成兩種對(duì)稱激勵(lì)方式來計(jì)算，一種是用等幅反相電壓激勵(lì)，稱為奇模激勵(lì)。另一種是用等幅同相電壓代激勵(lì)，稱為偶模激勵(lì)。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(guān)系是：｛七=U+V(3-8)V=U-V(3-8)2eo由上式解得奇、偶模電壓分別為:

1J匕=2(匕+匕)1"疽2(匕-匕) (3-9)(b)偶模激勵(lì)把任意激勵(lì)分成奇模和偶模激勵(lì)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(duì)于奇模激勵(lì)，耦合微帶線上的電場(chǎng)分布如圖3-3(a)所示。它的中心對(duì)稱面是個(gè)電壁，可以看成兩根相同的傳輸線來處理。對(duì)于偶模激勵(lì)，耦合微帶線上的電場(chǎng)分布如圖3-3(b)所示。它的中心對(duì)稱面是個(gè)磁壁，兩根微帶線間沒有耦合，可以分開處理。(b)偶模激勵(lì)(a)奇模激勵(lì)圖3-3耦合微帶線奇模和偶模電場(chǎng)分布Z'0為平行(3-10)設(shè)Z0為奇模激勵(lì)時(shí)的特性阻抗，Z'0為平行(3-10)(3-11)Z0=Z0eZ0o(3-11)k— 0e0oZ0e+Z0oVp°eo其中稱為k為耦合系數(shù)。兩根線耦合越緊，Z0與Z0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0效介電常數(shù)的概念。由于有效介電常數(shù)決定于場(chǎng)在介質(zhì)中和在空氣中的相對(duì)比值，而奇、偶模的場(chǎng)分布是不同的，故奇、偶模激勵(lì)時(shí)的有效介電常規(guī)和e不同。因奇模相速場(chǎng)"0和偶模相速V分別由下式確定。 °￡Vp°eo(3-12)VpeVpeee■v￡eeee奇模帶內(nèi)波長(zhǎng)和偶模帶內(nèi)波長(zhǎng)分別由下式確定。

入入po入pe=入\■&所以平行耦合線微帶線的奇、偶模相速【帶內(nèi)波長(zhǎng)各不相同。3.3平行耦合線帶通濾波器的設(shè)計(jì)分析平行耦合線微帶帶通濾波器是由幾節(jié)半波長(zhǎng)諧振器組合而成的，它不要求對(duì)地連接，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，易于實(shí)現(xiàn)，是一種應(yīng)用廣泛的濾波器。整個(gè)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(dǎo)、同軸線結(jié)構(gòu)的小得多其縱向尺寸雖和工作波長(zhǎng)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(zhǎng)比自由空間小了幾倍，同樣可以減小尺寸此外，整個(gè)微帶電路元件共用接地板，只需由導(dǎo)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十個(gè)平行耦合線節(jié)構(gòu)成的，它的結(jié)構(gòu)如3-4所示。圖3-4微帶平行耦合線節(jié)由幾個(gè)平行耦合線節(jié)級(jí)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(gè)耦合線節(jié)（對(duì)應(yīng)于濾波器的階數(shù)n）。每個(gè)長(zhǎng)為四分之一波長(zhǎng)（對(duì)應(yīng)中心頻率）。特性導(dǎo)納為Y的倒置圖3-5微帶平行耦合線帶通濾波器一段電長(zhǎng)度為。的耦合線可看作兩端各有一段電長(zhǎng)度為。、0轉(zhuǎn)換器。將一系列耦合線級(jí)聯(lián)后，則導(dǎo)納倒置轉(zhuǎn)換器之間為特性導(dǎo)納等于Y°、電長(zhǎng)度為2小的傳輸線段。對(duì)1/4波長(zhǎng)耦合線，電長(zhǎng)度為生，級(jí)聯(lián)后兩導(dǎo)納倒置變換器間傳輸線電長(zhǎng)度為兀，可等效為一并聯(lián)諧振電路，其等效電納斜率參量為:Y°,同時(shí)設(shè)電源內(nèi)電導(dǎo)和負(fù)載導(dǎo)納均等于傳輸線特性導(dǎo)納Y°。將以上關(guān)系代入

'兀WTOC\o"1-5"\h\zJ疽丫。=\廠0 1j/ ^w 1*Ty=2:,0 2Vg*g5Jn,n+? —八°得到以下設(shè)計(jì)公式J：Y=i二01 0也ogiJ/兀W1k，k-^Y0=V=J； ,兀Wn"Y0=\：2gngn.(k=1,2,...，n-1) (3-14)((k=1,2,...，n-1) (3-14)(k=1,2,...，n-1)(3-15)(z0(k=1,2,...，n+1)(3-16)(z(3-16)0由各級(jí)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(shè)計(jì)過程更加完整，本文給出設(shè)計(jì)公式。由奇、偶模特性阻抗計(jì)算微帶線實(shí)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；s為耦合微帶線間距，其余參數(shù)同單根微帶線。設(shè)耦合微帶線的奇模阻抗為z，偶模阻抗為z。由z'z,求根據(jù)下面兩式計(jì)算耦合微帶線中每一分支線的特性阻抗:(z)是耦合計(jì)算出&)、(z0)=Z0/2 (z0)=(z)是耦合計(jì)算出&)、、其中，z0，z0是耦合微帶線的奇、偶模特性阻抗，(z0)、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，、(z)和對(duì)應(yīng)尺寸接著利用下面兩式計(jì)算出耦合微帶尺寸邕r和

cosh,兀7_2fw〉—"hJ'」「兀+cosh|—L2fw、—"hJ1se」—2<coshL2fw「"hJ'sO」「兀—cosh—L2fw「"hJse」卜+2s2—=—coshh兀cosh!；h"」cosh兀fcosh!；h"」cosh兀fw)'12"hJ」- so-+coshf；h卜1_"2hj」、—2' 2w1—=—coshh兀(3-17)其中fw]"hJ0.78+0.1sose各級(jí)諧振器長(zhǎng)度的計(jì)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(yīng)的奇、偶模有效介電常數(shù)(e)、G)，用下式可求得各級(jí)諧振器的長(zhǎng)

reo ree度。c「c「0.78 0.22're0/=一I 7——S4fMre)(3-18)式中c=3X108件"f為帶通濾波器的中心頻率，0.78和0.22是經(jīng)驗(yàn)數(shù)據(jù)。對(duì)諧振器長(zhǎng)度的縮短修正A/，考慮到微帶線開路的終端電容效應(yīng)，實(shí)際制作電路時(shí)應(yīng)將諧振器長(zhǎng)度l縮短A/，其值可按下式計(jì)算:Al=0.412(Al=0.412(8re/w+0.3)—+0.264"h(8re/w、-0.258)—+0.8"h(3-19)其中，8=^re)0+(lre}*，諧振器的實(shí)際長(zhǎng)度為l=I-Al。

第四章WCDMA第四章WCDMA雙工器的設(shè)計(jì)4.1雙工器理論分析雙工器是兩個(gè)帶通濾波器以匹配電路相連接而成，其中帶通濾波器的設(shè)計(jì)是雙工器設(shè)計(jì)中的重點(diǎn)。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(gè)三端口網(wǎng)絡(luò)。它能使收發(fā)信道同時(shí)工作，共用一個(gè)天線。最簡(jiǎn)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(hào)送至天線端口，而端口無任何輸出從天線口接收來的信號(hào)也只能進(jìn)入端口，不會(huì)進(jìn)入端口，從而滿足收發(fā)信機(jī)之間的隔離度。從理論上說，這種雙工器可以實(shí)現(xiàn)收發(fā)同頻，進(jìn)而大大節(jié)約頻率資源，但是目前這類方向性極強(qiáng)的部件還難以實(shí)現(xiàn)。圖4-10dB耦合器和理想環(huán)形器雙工器的設(shè)計(jì)方案之二是采用頻率選擇性部件來完成收發(fā)信道的分、合路功能，如圖4-2所示。它的分支接頭采用簡(jiǎn)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(dāng)其中一路作為發(fā)射信道時(shí)，在另一端口收到該頻率信號(hào)的強(qiáng)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(hào)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。

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(dāng)弱的，雙工器的這項(xiàng)指標(biāo)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加簡(jiǎn)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(kuò)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(jiǎn)潔、整齊、成本低，但其收發(fā)頻率間隔保護(hù)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(yīng)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(shí)際工程設(shè)計(jì)中，當(dāng)增加濾波器級(jí)數(shù)而選擇性無明顯改變，同時(shí)時(shí)延指標(biāo)和插入損耗指標(biāo)受到限制時(shí)，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(jìn)一步提高系統(tǒng)損耗指標(biāo)，可將發(fā)射濾波器的級(jí)數(shù)減小到合適的數(shù)值。圖4-3典型雙工器

4.2平行耦合線雙工器的設(shè)計(jì)與仿真4.2.1上下行帶通濾波器的設(shè)計(jì)與仿真據(jù)設(shè)計(jì)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(duì)帶寬為3%。將①=2.04GHz帶入公式中可得SO'=2.941。取契比雪夫?yàn)V波器的帶內(nèi)波紋為0.01dB，帶外衰減為35dB，查契比雪夫?yàn)V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：g=1,g=0.7563,g=1.3049,g=1.5773,g=1.3049,g=0.7563,g=1°選取傳輸線特性導(dǎo)納Y0為0.02s，將以上數(shù)據(jù)代入式4-1，計(jì)算出各個(gè)導(dǎo)納倒置變換器的特性導(dǎo)納，結(jié)果為J=J=5.056x10-3J=9.732x10-4J=6.739x10-4J56=5.056J56=5.056x10-3Z（01）=65.8360eZ （01）=40.5550oZ（34）=51.7410eZ （34）=48.3720oZ （12）=52.551Z （12）=47.685Z（45）=52.5510eZ（45）=47.6850o將奇、偶模特性阻抗代入到式4-10和式4-11，Z（23）=52.7410eZ（23）=48.3720oZ（56）=65.8360eZ （56）=40.5550o計(jì)算出單支路的奇、偶模阻抗。然J=6.739x10-4J=9.732x10-4再將以上的倒置變換器特性導(dǎo)納代入到式4-2，計(jì)算出奇偶模特性阻抗、so后分別把結(jié)果代入式生=刊"，計(jì)算出(z)、(Z)對(duì)應(yīng)的尺寸的hexp(2A)-2 0os0、so(yh)。選用介電常數(shù)e，為4-65，厚度h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(jì)算出諧振器的寬度w和耦合間隙s。將分別代入式Z0re60lnwZ0re60lnw+0.25—h，計(jì)算出與奇、偶模特性阻抗相應(yīng)的奇偶模有效介電常數(shù)(e)、G)，將它們代入到式4-17，計(jì)算出諧振器的長(zhǎng)度，最reo ree通過式4-15進(jìn)行修正。通過以上的計(jì)算，最終得到如表1所示的計(jì)算結(jié)果。表4-11950MHz平行耦合線帶通濾波器尺寸的計(jì)算數(shù)據(jù)(mm)123寬度w5.3774-7424-727間隙s0.2384-8631.907長(zhǎng)度l10.610.610.6OPTIMGOALGOALGOALGOALGoal,血航 OptimGbalf■■■■Dphml ExpF=,,dB(S21)"???.QpHmType=Randpm . UseAIIGoals=yes. SimlmtanceNeme^'SP1'.'Maxlters=250 SaveCurrentEF=no^jOPTIMGOALGOALGOALGOALGoal,血航 OptimGbalf■■■■Dphml ExpF=,,dB(S21)"???.QpHmType=Randpm . UseAIIGoals=yes. SimlmtanceNeme^'SP1'.'Maxlters=250 SaveCurrentEF=no^jn_DesiredErr6r=0.0 Max=-20''StatusLevel=4 Wei^ht='. FinalAnalysis="None,- RangeVar[1]=ufreq"--NormalizeGoals=no RangeMin[1]=2040MHz-.SetBestValues=yes RangeMax[1]=2100MHzSeed=OptimGoal2??SimlnstanceName="SP1Max=:20 Wieight= RangeVarllH'freq"-RangeMin[1]=1800.MHzRangeMax[1>1850MHzGoal OptimGoal3????E"d蕾T...SimlnstanceName="SP1"Goal OptimGoal4----E忡日應(yīng).SimlnstanceName="SP1"Min=-2Max=-14 Weight^ RangeVarnh'-'freq11-.RangeMin[l]=192DMHz.Ran^eMaxp>1980MHzMax= Weight= RangeVarllH'freq11- RangeMin[1>1920MH2....RangeMax[1J=1980MHz將以上計(jì)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。SaveAIIIterations=noUseAIIOptVars=yesIarm'I 'Terml,MLINNum=T■Till?Z=500hniSub$f="MSub1,r,W-tw1mm,,■■■■L=tl1mm-■IDMCFILCLin7Subst="MSubTrmm■,S=s1mm---L=I1mm...□ZFMCFILCLin8Subst=riMSub1W=w2mnrS=s2mm-SaveAIIIterations=noUseAIIOptVars=yesIarm'I 'Terml,MLINNum=T■Till?Z=500hniSub$f="MSub1,r,W-tw1mm,,■■■■L=tl1mm-■IDMCFILCLin7Subst="MSubTrmm■,S=s1mm---L=I1mm...□ZFMCFILCLin8Subst=riMSub1W=w2mnrS=s2mm-.L=I2mm..MCFILCLin9Subst^MSubT'W=w3rmrS=s3mm■-L=I3mm..MCFIL■MSub-MSUBMSubl H=T.5mm''' Er=2.65?-? Mur=1■■■■ Cond=1.0E+50.Hu=1.0e+033mmt=0.035mmTanD=O[Hj?'''■一■*娜1''''tw1=0.612083{□}s1=U.100343{□}.s2=0.102506{□}s3=0.100411{□}■tw2=2.37586{□}'.tl2=1.18453{o}.tl1-3.58204{o}?.?2.40873{o}.w2=2.43553{□}CLinWSubsf="MSub1,W-w3mm,S=s3mm-■.L=d3mm..CZFMCFILCLin14Subst=nMSub1W=w2S=s2mm,L=I2mra..IfjgjllS-PABAMETERS|w3=0.747606{o}S_ParamCZFMCFILMLINCLin13 TL2Subst-"MSub1"'Subsf-"MSub1,rW=w1mrrr■■W=tw2mm?S=slmm■■■L=H2mm-.L=I1.mra 」mm 11=9.60456{□} SP1 圖4-4ADS中1950MHz微帶平行耦合線帶通濾波器原理圖TjermTerm2Num=2Z=50Ohm■SaveSolns=yesSaveGoals^yes■SaveOptimVars=noUpdateDataset=;JesSaveNominal=no對(duì)上圖的電路進(jìn)行仿真"得到下圖4-5所示的計(jì)算結(jié)果。■從圖上可以看出濾波器的中心頻率和預(yù)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(yàn)公式、計(jì)算誤差等諸多原因外，理論計(jì)算本身也會(huì)和實(shí)際情況存在一定的差距。3.43E3.84.04.85.0圖4-51950MHz平行耦合線帶通濾波器S11與S21參數(shù)仿真曲線為了達(dá)到設(shè)計(jì)參數(shù)要求，需要對(duì)以上的結(jié)果進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)。在優(yōu)化過程中，因諧振器的長(zhǎng)度決定了濾波器的中心頻率位置，所以先對(duì)濾波器的各諧振器長(zhǎng)度進(jìn)行優(yōu)化，以使濾波器的中心頻率回到設(shè)計(jì)頻率上來。然后再對(duì)濾波器的間隙進(jìn)行優(yōu)化，因?yàn)殚g隙的大小可以影響耦合線節(jié)之間的耦合度大小，對(duì)濾波器的傳輸特性有很大的影響，因而對(duì)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(duì)濾波器的影響不是非常明顯。但調(diào)整寬度會(huì)改變耦合線節(jié)的特性阻抗，因此在濾波器設(shè)計(jì)完成后，需要在前端加一段傳輸線以實(shí)現(xiàn)阻抗匹配。

經(jīng)過反復(fù)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(dá)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(biāo)準(zhǔn)，故這兩項(xiàng)結(jié)果均高于設(shè)計(jì)指標(biāo)。這為后面的雙工器設(shè)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(jì)算數(shù)據(jù)(mm)123寬度W1.5084-2504-079間隙S0.6694-7854-702長(zhǎng)度l18.03717.63517.727(a)原理圖 (b)板圖圖4-61950MHz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4-71950MHz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(duì)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(duì)雙工器的上行信道濾波器的計(jì)算、設(shè)計(jì)并仿真，接下來進(jìn)行下

行信道濾波器的設(shè)計(jì)。與前面的設(shè)計(jì)過程相仿，首先進(jìn)行數(shù)據(jù)計(jì)算。所不同的是，下行信道的相對(duì)帶寬為4-8%，各個(gè)導(dǎo)納倒置變換器的特性導(dǎo)納為：J=J=4.827x10-3J=8.867x10-4J=6.140x10-4J=J=6.140x10-4 J=8.867x10-4再將以上白的到置變換器特性導(dǎo)納代入到式4-2,J=4.827x10-3

計(jì)算出奇、偶模特性阻抗.Z（01）Z（01）=64.9780eZ（01）=40.8450oZ（34）=51.5820eZ （34）=48.5120oZ（12）=52.315Z （12）=47.881Z（45）=52.3150eZ（45）=47.8810o仍然按照1950MHz濾波器的計(jì)算過程，利用奇、Z（23）=51.5820eZ（23）=48.5120oZ（56）=65.9780eZ （56）=40.8450o偶模特性阻抗來計(jì)算2140MHz帶通濾波器尺寸。因篇幅所限，此處省略計(jì)算過程。計(jì)算結(jié)果如下表3所示。表4-32140MHz平行耦合線帶通濾波器尺寸的計(jì)算數(shù)據(jù)(mm)123寬度w5.3154-7334-729間隙S0.2664-8631.795長(zhǎng)度l9.3639.3639.363同樣按照上行濾波器的方法來處理，將結(jié)果輸入軟件，進(jìn)行仿真，并對(duì)結(jié)果進(jìn)行優(yōu)化。由于在設(shè)計(jì)程序上兩個(gè)濾波器只有在中心頻率位置上存在不同，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4-72140MHz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(duì)應(yīng)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(jì)算數(shù)據(jù)(mm)123寬度w1.6381.8611.948間隙S0.6254-1984-994長(zhǎng)度l16.31716.16616.1314.2.2雙工器的設(shè)計(jì)與仿真在完成了雙通道濾波器的設(shè)計(jì)與仿真后，接下來就可以設(shè)計(jì)雙工器了。下圖4-8給出了雙工器的設(shè)計(jì)原理圖。圖4-8ADS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(gè)濾波器不能直接相連，以免引入電納，干擾對(duì)方的濾波特性。因此，兩個(gè)濾波器需要各加一段傳輸線后再進(jìn)行連接，如下圖4-9所示。然而，由于濾波器的輸入導(dǎo)納不能事先確定，因此傳輸線的長(zhǎng)度也是一個(gè)未知參數(shù)。此時(shí)，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(dǎo)納不確定，因此可以先給定一個(gè)長(zhǎng)度，然后使用仿真軟件對(duì)電磁環(huán)境進(jìn)行仿真，查看S參數(shù)以判斷給定的長(zhǎng)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(zhǎng)度的最小值，不超過另一支路中心頻率對(duì)應(yīng)波長(zhǎng)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(zhǎng)度的設(shè)計(jì)過程，現(xiàn)定義L1和L2如上圖所示.本文選用介電常數(shù)為4-65的介質(zhì)基板，由式入捉可知，1950MHz頻re率的電磁波對(duì)應(yīng)波長(zhǎng)為94.5mm,2140MHz電磁波對(duì)應(yīng)波長(zhǎng)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(shè)計(jì)方便，首先給出L1與L2的初始值L1=4mm,l2=9mm。對(duì)原理圖進(jìn)行仿真，得到下圖4-10(a)所示的結(jié)果?？梢钥闯?，下行通道的濾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(shí)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(gè)濾波器在彼此的通帶內(nèi)都引入了較大的電納成分，在兩個(gè)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。mlfreq=t930GHzdB(S(2.n)=.Z041m3時(shí)q=1?980GHz3.856m2freq=2.170GHzdB(S(3,1)J=-3.7321711frsq=1.950GHzdBj留2,1))=-1.393m3freq-1.950GHz1))-25.041m2freq=2.140GHzdB(S(3J))=-1.459(a)優(yōu)化前 (b)優(yōu)化后圖4-10對(duì)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(diǎn)，將L1和L2設(shè)為變量，對(duì)其進(jìn)行優(yōu)化，根據(jù)分析L1和L2的優(yōu)化范圍分別為0?44-06mm和0?47.25mm。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(dá)到了設(shè)計(jì)要求的技術(shù)指標(biāo)。經(jīng)優(yōu)化后的L1和L2值為L(zhǎng)1=14.5702mm,L2=15.1772mm。此時(shí)頻率為2140MHz的入射波，在L1的輸入端呈現(xiàn)開路狀態(tài)，消除了對(duì)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(duì)上行濾波器的影響。為驗(yàn)證該理論的正確性，保持L2=15.1772mm不變，單獨(dú)改變L1的值。由理論分析可知，對(duì)應(yīng)下行通道2140MHz濾波器的性能將會(huì)

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。mlfrwq=1.950GHzdB(S(2J))=-1.397m3.950GHzd8(S(1,1))-24,839m2frw]=2.1?GHzmlfrwq=1.950GHzdB(S(2J))=-1.397m3.950GHzd8(S(1,1))-24,839m2frw]=2.1?GHzdB(S(3」))=-1.8D3[rnllfreq=1.950GHzGB(S(2用聲1.41S6n3時(shí)q=1做GHzm2freq=2J4OGHzdB(S(3」)j=-1.470free.GHz freq.GHz(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呈周期分布，其周期為波長(zhǎng)的一半，如圖所示。因此，對(duì)于濾波器前的傳輸線而言，其內(nèi)部的電磁場(chǎng)分布也應(yīng)呈現(xiàn)周期性，即如果繼續(xù)加長(zhǎng)L1的值，在某一點(diǎn)處，L1的輸入端又會(huì)對(duì)2140MHz的入射波呈現(xiàn)開路狀態(tài)。為驗(yàn)證，將L1的值增加2140MHz對(duì)應(yīng)波長(zhǎng)的一半，即令L1=57.6302mm，再次進(jìn)行仿真，并對(duì)結(jié)果進(jìn)行一定的優(yōu)化，得到圖4-11(b)所示的結(jié)果。可以看到，L1的輸入端再次對(duì)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(fù)。此時(shí)的L1長(zhǎng)為64-2516mm，比理論值稍長(zhǎng)一點(diǎn)。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.

mlfreq=1.950GHzdB(S(2,1))=1666| 1)戶-16.&64||dBm3freq=1.956GHznvTm2freq-2.140GHz^S(3J))=-1742asmmipppmlfreq=1.950GHzdB(S(2,1))=1666| 1)戶-16.&64||dBm3freq=1.956GHznvTm2freq-2.140GHz^S(3J))=-1742freqGHz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(duì)應(yīng)曲線有所惡化，這是由于版圖的仿真采用了矩量法，直接對(duì)電磁環(huán)境進(jìn)行仿真的原因，但該曲線會(huì)與真實(shí)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(dá)到了設(shè)計(jì)要求的技術(shù)指標(biāo)，阻帶衰減基本達(dá)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(dá)到了設(shè)計(jì)目標(biāo)。全此，平行耦合線結(jié)構(gòu)雙工器設(shè)計(jì)完成。第五章總結(jié)與展望第五章總結(jié)與展望隨著移動(dòng)通信的迅猛發(fā)展，3G技術(shù)己經(jīng)成為勢(shì)不可擋的主流，并在一步步改變著人們的生活。計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)技術(shù)和電磁數(shù)值計(jì)算技術(shù)的發(fā)展，打破了傳統(tǒng)的微波器件設(shè)計(jì)方法。本論文即是在這樣的時(shí)代背景中，根據(jù)實(shí)際科研項(xiàng)目提出的。本文針對(duì)FDD雙工模式的WCDMA系統(tǒng)，主要設(shè)計(jì)了平行耦合線微帶雙工器。首先對(duì)微帶傳輸線理論、濾波器理論以及微帶雙工器實(shí)現(xiàn)方法進(jìn)行了分析與討論，在此基礎(chǔ)之上，對(duì)雙工器分別進(jìn)行了設(shè)計(jì)，并給出了計(jì)算過程與尺寸數(shù)據(jù)，進(jìn)行了計(jì)算機(jī)仿真與優(yōu)化。對(duì)雙工器的實(shí)現(xiàn)方案進(jìn)行了仿真驗(yàn)證，并設(shè)計(jì)和分析了優(yōu)缺點(diǎn)。實(shí)際制作了雙工器，并用微波矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀進(jìn)行測(cè)試，與仿真軟件的結(jié)果進(jìn)行了比較和分析。從整體的設(shè)計(jì)過程和最后的仿真和測(cè)試結(jié)果來看，本設(shè)計(jì)基本達(dá)到了預(yù)期的技術(shù)指標(biāo)要求。滿足了WCDMA系統(tǒng)要求。但同時(shí)雙工器也有一些需要改進(jìn)的地方，如雙工器沒有加屏蔽盒，這也是性能下降的一個(gè)原因，還有傳輸線L1與L2還需要進(jìn)一步調(diào)整。從實(shí)際應(yīng)用的角度來看，該雙工器可以滿足要求，但在實(shí)現(xiàn)上還需要進(jìn)一步的改進(jìn)。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(jìn)一步增強(qiáng)。26致謝致謝本論文是XXXX的悉心指導(dǎo)下完成的XXXXX嚴(yán)謹(jǐn)?shù)闹螌W(xué)態(tài)度，精益求精的工作作風(fēng)，誨人不倦的高尚師德，嚴(yán)以律己、寬以待人的崇高風(fēng)范，樸實(shí)無華、平易近人的人格魅力對(duì)我影響深遠(yuǎn)。本論文從選題到完成，每一步都是在導(dǎo)師的指導(dǎo)下完成的，傾注了導(dǎo)師大量的心血。XXX多次詢問研究進(jìn)程，并為我指點(diǎn)迷津，幫助我開拓研究思路，精心點(diǎn)撥、熱忱鼓勵(lì)。在此，謹(jǐn)向?qū)煴硎境绺叩木匆夂椭孕牡母兄x！漫漫三年求學(xué)路上，得到過信息學(xué)院許多老師和同