一種EOC專用雙工濾波器的仿真設(shè)計與實現(xiàn)

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行實驗微調(diào)，產(chǎn)品匹配性良好，各項指標達到國家標準。
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)劃標準，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。
    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，標準值為4.6?；搴穸? mm；覆銅厚度0．03 mm。金屬電導率：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)學模型計算并采用計算機仿真進行多次驗證，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，其重點和難點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)學模型進行仿真，驗證濾波器的理論分析是否正確，其中重點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。
    按照圖2的電路結(jié)構(gòu)進行數(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，通過分析曲線驗證了數(shù)學模型的正確性，且各項指標均符合預(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，可以看到M2點的頻率為32 MHz，正好是低通和帶阻之間的拐點，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點以上的頻帶曲線中，有一點M3是這段曲線的最高點傳輸指標為-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，所以這點就成為帶外抑制的取值點，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頻點上，傳輸值為-56 dB，此最高點被稱為隔離度的取值點，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)學模型建立正確，各個元器件的取值適當，由此進入樣品試制，以驗證產(chǎn)品的實際性能。


3 實際產(chǎn)品測試
    實際產(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負載?？梢钥闯龆丝诜瓷渚?20 dB以下，高端部分略有升高是由于接口的寄生電容引起，實際值均在-20 dB以下。

    因此，根據(jù)測試結(jié)果，實物測試與仿真分析符合良好，實現(xiàn)了預(yù)期的設(shè)定目標。

4 結(jié)束語
    當前，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)與實物模型有一定偏差，表現(xiàn)為實際的反射、傳輸指標比仿真結(jié)果要差，這主要是實物模型中一些寄生參量產(chǎn)生的影響。在實物樣品的批量生產(chǎn)中，各個端口的反射指標均可達到-22 dB以下，傳輸損耗可以控制在1 dB以內(nèi)，帶外抑制能達到-50 dB以下，濾波器量產(chǎn)指標滿足國家廣電技術(shù)標準，目前已批量生產(chǎn)。