引 言

随着通信技术的发展,通信技术的应用范围越来越广. 在各个微波频段中,系统的频率拥挤且多信道实时双向通信要求收、发信道必须同时使用同一副天线,且接收和发送信道不相互影响,因此设备的射频前端必须要有信号合成和分离的器件,即双工器.

为了防止发射端的高功率信号泄露影响接收端低功率信号的接收,在此背景下,两个通道之间的隔离度成了双工器设计的关键因素,为此,研究者一直在探索如何来提高隔离度[1-6]. 文献[1-2]中都是采用两个独立工作在不同频带的带通滤波器通过一个三端口阻抗匹配网络连接成双工器. 另外一种方法是利用一个双通带滤波器代替匹配网络[3-4],但是这样会导致隔离度的降低. 另外,研究者也通过电磁耦合或者不对称耦合方式来改变传输零点位置来达到高隔离度的效果[5-6]. 到目前为止,研究者能达到的隔离度约为40 dB. 2016年,KONPANG J提出了一种四端口双工器来提高隔离度[7]. 文献[7]中论述的四端口双工器由两个双工器和移相器构成,该结构能将双工器隔离度提高到60 dB,但没有实验验证.

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本论文改进的方法是由两组带相位差的滤波器组合成一个四端口双工器,与文献[7]中不同的是,本文四端口双工器所需的180°移相由两组不同输出端口的滤波器产生,不需要额外采用移相器电路,因而可进一步简化电路设计. 信号经过两路传输和反相后,最终两路相位相差180°信号相互抵消而提高隔离度.

1 双工器的理论分析与设计

近年来,我国4G正在如火如荼的发展,为了更好体现本论文的实践应用性,本设计中的双工器工作在4G LTE频段,选取f1=1.8 GHz和f2=2.1 GHz.

1.1 隔离度提升原理

图1给出了本文所要设计的四端口双工器原理结构,其中端口1用作天线端口,端口4作为负载端口,端口2和3可分别作为接收和发送端口.四端口双工器由两组滤波器构成, 第1组中滤波器1和滤波器3工作在频率f1,滤波器1和滤波器3的输出之间有180°的相位差;第2组中滤波器2和滤波器4工作在频率f2,滤波器2和滤波器4的输出之间也有180°的相位差. 从发送端口3到接收端口2存在两条信号传输路径I和II. 若天线和负载完全匹配,当信号从端口3到端口2沿着路径I和路径II传输时,因为两组滤波器相位相差180°,所以在路径I和路径II上对信号f1和f2的相位都呈现反相特性. 同时,若两条传输路径上信号幅度相等,且忽略同组滤波器中信号插损不相等的情况,则两路信号在端口2处为等幅反相,进而相互抵消提升双工器的隔离度[7],其理论分析如下:

当双工器工作在发送频率时定义:

5.统计学处理：采用SPSS 23.0统计软件进行分析，计量资料以均数±标准差表示，组间比较采用t检验；资料非正态分布组间比较采用Mann-Whitney U检验，以P<0.05表示差异有统计学意义。

(1)

根据文献[7]中的分析方法,可以解得系统工作在发送频率时的散射参数矩阵为

If (A is a) and (B is b) then (C is c) and (D is d) and (E is e) and (F is f)

(2)

同理,当双工器工作在接收频率时定义:

S12=α≅1,S13=β≪1,S24=χ≪1,S14=0.

(3)

从式(2)和(4)得知:工作在发送频率时,S13=-S24;工作在接收频率时,S12=-S34. 保持四端口双工器电路的对称性,可获得较好的幅度平衡,因此相位误差成为影响双工器隔离度的直接原因[8]. 由于双工器收发工作频率是分开的,当工作频率的频率比增大时,为保证在收发频率上都呈现反相特性[7],对移相器提出了较高的要求. 本设计中利用滤波器本身相位特性来实现反相,从而避免了四端口双工器电路中的移相器,使得整体电路更加简洁、紧凑.

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(4)

图1 4端口双工器示意图 Fig.1 Schematic diagram of the 4-port diplexer

解得系统工作在接收频率时的散射参数矩阵为

1.2 滤波器的幅相特性分析

本文中滤波器采用的是基于半波长折叠开环谐振器结构设计的滤波器[9-10],电路结构如图2所示.

S12=α≪1,S13=β≅1,S34=χ≪1,S14=0,

图2 滤波器结构 Fig.2 Proposed filtering structure

滤波器由开路谐振器1和谐振器2通过电耦合的方式构成. 从端口1输入的信号通过传输路径I和传输路径II传送到端口2或者端口2′. 由电路分析可知[11-12],信号在传输路径的电长度不一样的路径上传播时,会导致端口1与端口2和端口2′的相位不一致. 所以,通过选择合适的输出端口位置即可实现输出信号180°的相位差.

图3(a)给出了本论文中第1 组中心频率f1=1.8 GHz的滤波器幅度和相位响应. 当端口为1和2时,中心频率处相位为90°;端口为1和2′时,中心频率的相位为-90°. 由于谐振器长度固定, 所以不论采用端口2还是端口2′,都会在幅度响应上呈现同样的滤波特性. 图(b)表示了端口2和端口2′的相位差在1.8 GHz带内呈现在173°和188°之间浮动,符合本设计的要求. 同理,可以确定在2.1 GHz处也能设计出相应符合要求的电路.

(a) 滤波器幅度和相位响应 (a) Simulated amplitude and phase responses

(b) 滤波器相位差响应 (b) Phase differences between ports 2 and 2′ 图3 图2中滤波器结构的响应特性 Fig.3 Responses of the filtering structure shown in Fig. 2

1.3 双工器电路设计

四端口双工器加工产品如图5(a)所示,整体尺寸为90 mm×90 mm×0.8 mm. 使用安捷伦矢量网络分析仪 E8361C进行测量. 四端口双工器S参数的电磁仿真和测试结果的数据如图6所示,双工器在1.76～1.84 GHz插损小于1.6 dB, 回波损耗小于-11 dB;在2.06～2.14 GHz插损小于1.9 dB,回波损耗小于-10 dB. 由于存在加工公差,所以实测和仿真数据之间有一定的误差,但是测试结果和仿真数据在整体趋势上还是能够较好地吻合.

当信号从端口2输入时,信号分别沿着路径I和路径II传播. 在路径I上传播的信号会形成90°的相位偏移,在路径II上传播的信号会形成-90°的相位偏移. 在端口3处看,两路信号形成的相位相差180°,最后相互抵消使得隔离度得到提高.

图4 四端口双工器结构图 Fig.4 The structure of 4-port diplexer

目前，我国高校教师的创新意识不强，难以适应培养创新人才的需要。学术社团作为一种自发组织的团体，带有一定的自发性、盲目性[5]。因此，高校教师要加以适当干预和引导。比如，由于学术型社团本身的特殊性，需要挑选具有一定学术水平和创新才能的指导教师来引导学术社团。但由于指导教师的学术水平有限，再加上受到传统就业观的影响，多数教师把主要精力放在了就业教育方面，导致有些学生具有创新创业意识，却无法得到家长和教师的有力支持，对学生创新创业意识和能力的培养造成负面影响[6]。

本次使用厚度为0.762 mm的介质板Rogers 4350B,介电常数3.66. 经电磁仿真软件Ansoft HFSS优化后的四端口双工器实际尺寸如表1所示.

表1 四端口双工器尺寸 Tab.1 Parameters of the 4-port diplexer mm

参数取值参数取值l113 00l70 90l24 20l82 70l30 79l99 44l42 36l1010 50l514 44w11 00l62 40w21 720

2 仿真和测量结果

基于上述分析和滤波器结构,图4给出了四端口双工器的整体结构. 端口1为输入端,端口2和3分别为双工器的接收和发送端,端口4接一个50 Ω的负载. 为了减小电路的尺寸,连接处的T型结构均采用折叠线结构.

(a) 四端口双工器 (b) 三端口双工器 (a) 4-port diplexer (b) 3-port diplexer 图5 加工的实物图 Fig.5 Photograph of fabricated diplexers

图6 四端口双工器仿真和测试结果 Fig.6 Simulated and measured results of the 4-port diplexer

为了更加直观地对比本双工器的优点,本次还加工了传统型双工器,由两个带通滤波器和一个T型枝节组成,即图4中的三端口双工器,如图5(b)所示. 通过矢量网络分析仪测试,测试数据如图7所示. 从数据中可以得到四端口双工器输入端回波损耗|S11|在两个频段中均小于-10 dB,插入损耗在带内分别为1.1 dB 和 1.5 dB. 两个双工器实测和仿真|S23|数据如图8所示,在1.8 GHz和2.1 GHz处, 四端口的隔离度分别为50.9 dB和43.5 dB,而三端口的隔离度只有41.2 dB和30.7 dB;从图中明显可以得出在1.8 GHz到2.1 GHz带内,本文设计的四端口双工器在隔离度方面比传统的三端口效果好,在1.8 GHz和2.1 GHz处隔离度分别提高了9.7 dB和12.8 dB.

图7 三端口双工器仿真和测试结果 Fig.7 Simulated and measured results of the 3-port diplexer

图8 两种双工器结构测试和仿真|S23|对比 Fig.8 Comparison of isolation between the 3 -and 4-port diplexers

表2列出了本论文的四端口双工器与其他双工器一些性能的对比.从数据可以看出:四端口双工器在带内的性能优于其他三端口双工器.带内插入损耗有少量的上升,这是由于四端口双工器采用的两组传输路径带来的影响.

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表2 本文设计的四端口双工器与其他三端口双工器性能对比 Tab.2 Comparison between our design and other diplexers

文献频率/GHz频率比值插入损耗/dB隔离度/dB端口数[3]1．95/2．141．101．2/1．540．0/35．03[4]1．80/2．401．331．1/1．2>40．03[5]2．44/3．521．441．4/1．6>42．03本文1．80/2．101．171．6/1．950．9/43．54

3 结 论

本文设计了一种高隔离的新型四端口双工器,该结构由两组带相位差(±90°)的带通滤波器构成. 利用收发端口之间的两路具有反相特性的传输路径,使得发射端口泄漏到接收通路上的信号相互叠加抵消,进而改善整个四端口双工器的隔离度. 相对于传统三端口双工器设计,采用该方法实现的四端口双工器具有隔离度高、结构简单等优点,这为无线通信系统射频前端电路中双工器的设计提供了一种新方法.

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恒山景区要加强生态工程建设，提高森林覆盖率和景区绿化覆盖率。通过生态保护林来美化环境、涵养水源、保持生物多样性。同时加强生态环境保护。立足林业生态建设，着力抓好森林资源管护。另外要大力发展生态旅游。抓好旅游规划的实施，加快推进旅游资源整合，全力打造“花泉林歌，悠然恒山”旅游品牌。严厉打击景区周围的乱采乱挖的行为，严格规范开采的流程和相关评判标准，真正做到资源保护。提高景区群众和游客的环保意识。政府首先要起到主导作用，对民众进行素质教育，为保护当地的生态环境和拥有新鲜的空气，带动县城经济发展等多方面来告诉保护生态的重要性，其次民众也要相互监督积极参与。