一种新结构用于正交接收机的功分器设计

孙 涛,林华杰,包 涛

(西北工业大学 电子信息学院,陕西 西安 710100)

一种新结构用于正交接收机的功分器设计

孙 涛,林华杰,包 涛

(西北工业大学 电子信息学院,陕西 西安 710100)

随着技术及工艺的进步,接收机越来越趋于小型化.功分器作为接收机中必不可少的部件之一,其小型化设计也越来越重要.本文分析了对称和反对称源激励(奇偶模分析技术),给出了设计方法,并设计出了一种新结构432MHz的90°相移功分器,通过频率特性分析,该结构功分器内部直接集成LC滤波器,减小了整体的集总元件数量及整体体积体.借助于ADS仿真软件对设计结果进行仿真,仿真结果与理论计算符合并满足指标要求.

功分器;集总元件;奇偶模;滤波器

接收机是无线通信系统必不可少的部分,小型化和高集成度是当今接收机的发展趋势,功分器作为接收机中的一个重要模块,其作用是将一路信号分成多路多路相等或者不想等的信号,目前常用的功分器类型有分支线定向耦合器、wilkinson功分器[1]和双线二分器[2],其结构几乎全部用微带形式.文中根据信号频率的特点,提出了内部集成特定频率滤波器的新结构功分器的设计方法,该结构功分器全部由集总原件组成,减小了整体的体积.

1 设计需求

在所从事的接收机研制项目中,采用正交变换接收机结构.正交变换接收机具有体积小、集成度高和低成本等优点,已经渐渐发展为接收机中的主流结构[3](图1).在该结构中为了减少镜像干扰,要求两路本振信号完全正交,故功分器的好坏直接影响整个接收机性能.项目要求在工作频率(432 MHz)附近滤除一个强干扰信号(380 MHz).

设计指标如下:

工作频率 432 MHz;

90°相移功分器380 MHz隔离度S(2.1)≤-30 dB;S(3.1)≤-30 dB;

输入端口回波损耗S(1.1)≤-30 dB;

输出端口隔离度S(2.3)≤-30 dB;

插入损耗S(2.1)≤-3.1 dB;S(3.1)≤-3.1 dB;

相位误差≤2°.

图1 正交接收机结构图Fig. 1 Structure chart of the quadrature receiver

2 理论分析

功分器典型的分析法是奇偶模分析法[6],奇偶模分析法是基于线性网络叠加原理,将线性网络的散射参数用偶模和奇模情况下的反射系数(和投射系数)来表示,例如如果在网络的两个端口上,同时分别以入射波a1和a2激励,则响应b1、b2是偶模(两个端口以幅度、相位都相同的电压波激励, ae和ae)和奇模(两个端口以幅度相同、相位相反的电压波激励,ao和-ao)分别响应下的叠加,如图2所示.

其中:

图2 奇偶模分析法图解Fig. 2 Chart even-odd mode analysis

当为偶模激励时,中心对称平面相当于一个磁壁(开路),当为奇模激励时,中心对称平面相当于一个电壁(短路).

图3(a)为普通集总原件功分器与LC滤波器的结构原理图,图3(b)为集成了LC滤波器的90°相移功分器结构原理图[1],图3(c)为集成了LC滤波器的0°功分器原理图.项目要求功分器工作在432 MHz,而在380 MHz处有一个强干扰信号.由于功分器的工作带宽以及干扰信号的带宽都很窄,根据LC电路的谐振特性,可以使L2与C3的串联谐振频率为380 MHz,这样对于380 MHz频率信号而言相当于与地短路,从而滤除了380 MHz的强干扰信号.为了使图3(b)结构的功分器与图3(a)的特性相同,必须保证L2与C3的总阻抗与L1相同.这样相当于该功分器集成了LC滤波器,减少了电容与电感的数量,从而减小了整体的体积.

奇偶模分析法的核心是解耦,由于激发的对称性与反对称性,一个四端口的网络可以等效于4个解耦的一端口网络 ,图4是图3(a)的4种激励解耦图.

图3 原理图Fig. 3 Power drivider

图4 90°普通功分器解耦图Fig. 4 Decomposition of the proposed 90-degree power divider into forur excitations

L2与C3的阻抗Zf由下式给出:

L2与C1的总阻抗与L1相同,其中L2与C1与构成谐振频率为380 MHz谐振回路.

各端口的波振幅为:

其中Bi为端口i的波振幅, 表示j端口到i端口的散射参量,Γa、Γb、Γc和 Γd为图4(a)、(b)、(c)、(d)的散射系数.另:

S11=0(端口1匹配)(一半功率,从端口1到端口2相移90°)(一半功率,从端口1到端口3相移-180°)

S41=0(端口四无功率输出)

再由式(2)可得各个端口的反射系数:

3 仿 真

利用ADS软件对上述结论进行频率点与相位点的仿真[5].

S参数频率点仿真如图5所示,从结果中可以看出频率在432 MHz的时候,传输损耗S(3.1)为-2.790 dB,S(2.1)为-2.781 dB,输出端口隔离度S(2.3)=-30.63 dB,端口的反射系数为:S(1.1)=-30.201 dB、S(2.2)=-30.975 dB=S(3.3),频率在380 MHz的时候S(2.1)=-61.154 dB、S(3.1)=-60.580 dB.满足设计要求.

S参数相位点仿真如图5所示,相位差别在432 MHz, Phase(S(2.1))为89.534,Phase(S(3.1))为179.559°.误差为0.025°,满足设计要求.

图5 仿真Fig. 5 Simulation

4 结束语

小型化与低成本是接收机发展的趋势,功分器作为接收机中必不可少的模块其性能、大小以及成本直接关系到接收机的整体.文中应用奇偶模分析技术并采用集总元件给出432 MHz的90°相移功分器设计方法,并根据项目要求提出功分器内部直接集成LC滤波器新型结构,免除了外部LC滤波器,减小了整体的体积,最后借助ADS对该模型进行仿真,仿真结果满足设计指标要求.

[1] 徐兴福. ADS2008射频电路设计与仿真实例[M].北京:电子工业出版社,2009.

[2] Noriega F, Gonzalez P J. Designing of LC Wilkinson power splitters [J].RF interconnects/interfaces ,2002,18-24.

[3] 李智群, 王志功. 零中频射频接收机技术[J]. 通信与计算机, 2004,30(5): 69-72. LI Zhi-qun,WANG Zhi-gong.Technology of zero-IF receiver[J],C ommunication&Computer,2004,30(50):69-72.

[4] TSENG ChaoH-siung,CHANG Chih -Lin.A broadband quadrature power splitter using metamaterial transmission line[J]. Microwave and Wireless Components Letters,IEEE,2008,18(1):25-27.

[5] 赫崇骏, 韩永宁, 袁乃昌. 微波电路[M]. 长沙:国防科技大学出版社,2000.

[6] Richard,Chi-Hsi,Li.RF circuit design[M].北京:电子工业出版社, 2011.

Design of a new type power divider used in quadrature receiver

SUN Tao, LIN Hua-jie, BAO Tao
(School of Electronics And Information, Northwestern Polytechnical University, Xi'an 710100, China)

As the progress of technology and process , the RF receiver is going smaller and smaller. power divider as one of the most important parts of the receiver and it's becoming smaller and smaller, with this purpose,this paper describes a new type power divider on the basis of even-odd mode analysis using lumped element in 432MHz,to analyze the working frequency, this type of the power divider includes LC filter ,so it has fewer lumped elements and the size is smaller than usual. the simulated result is pleased by ADS.

power divider; lumped element; even and odd mode; filter

TN73

A

1674-6236(2014)07-0137-03

2013-07-27稿件编号:201307201

孙 涛(1987-),男,陕西渭南人,硕士研究生.研究方向:微波通信.