小型化POI组件设计

李惊生，容荣，欧阳兆桉

（1.广州杰赛科技股份有限公司，广东 广州 510310；2.澳门大学 科技学院，澳门特别行政区 519000）

0 引 言

室内覆盖是现代无线通信系统部署的重中之重，随着移动通信技术的深化发展，多种标准和制式的系统同时存在，增加了室分系统的资源消耗以及布设难度。为同时满足不同运营商的需求，实现复杂室内环境的信号全覆盖并且达到良好的系统指标，有效解决解决杂散干扰、及互调干扰等问题就显得十分重要。多系统接入平台（Point of Interface, POI）可以实现多系统多个频段的信号合路接入，在干扰抑制以及减少功率损耗方面效果显著，是目前主流的室分解决方案之一。以POI 为核心部件，可灵活搭建出各种室分系统共建方案，如主要考虑节约成本的单缆室分方案，兼容MIMO 系统的双缆方案等。除传统的三大运营商及铁塔公司以外，多频高性能POI 组件也是各城市地铁沿线以及城市间轨道交通无线网络覆盖解决方案的关键器件之一，从市场规模来看，各大城市地铁公司以及铁路公司对高性能POI 组件的需求量并不亚于传统的运营商，产品具有非常广阔的市场前景。

从图1结构上看，POI 内部由两个多频合路器组成，多个通信系统的频段信号从输入端口进入对应的合路器，通过信号合路，最后输出到天线系统实现室内覆盖。目前常见的POI产品包括9 频和12 频两种，POI 内部的合路器设计的核心是滤波器的设计，滤波器的体积决定着整个POI 产品的体积，因此如何在实现各项电性能指标的同时使滤波器尽量小型化，是工程上需要解决的关键技术问题。本文的主要贡献是提出了一种基于多模谐振技术来实现滤波器模块小型化的方案。

图1 POI 系统结构框图

与传统的方案对比，本方案具有以下优点：

（1）腔体内部无需相邻金属壁，通过多模谐振来有效减少腔体数量，实现滤波器的小型化；

（2）金属耗材的减少，有利于提高腔体的无载Q 值，减少通带的插入损耗；

（3）圆柱形谐振内导体可以进一步加工成片状同轴，更方便一次加工和安装。

1 小型化POI 组件设计

1.1 相关研究

如前所述，在站址资源紧缺以及室内施工难度大的前提下，希望在完成运营商性能要求下，尽可能实现电路的小型化，这点对室分解决方案尤其重要，近年来很多科研团队都致力于在更小的体积下实现更好的指标。POI 组件的核心技术是滤波器和多工器，近年来，国内外相关的研究呈现上升趋势。2010年来自意大利米兰的团队提出了一套星型节点多工器的综合设计方法，并按照该方法设计了三路多工器，为了提升多工器的滤波性能，利用多阶谐振器级联来提高带外抑制，同时采用交叉耦合引入一对零点提高通带选择性。2013年加拿大Ming Yu 教授发表的三路多工器设计，此3 路多工器应用在Ku 波段，采用介质谐振器的技术，体积大幅减小，并且有高功率容量和良好的温度稳定性。通带两边各有一个传输零点，在工作范围内提供良好的频率选择性。2013年吴克利教授在MTT 上公布了一款17 路多工器。其谐振器为阶梯型单腔双模波导谐振器，采用两个单腔级联的方式作为一路，两单腔之间靠十字形的缝隙控制耦合，每路通带均有4 个模，S11 都在-20 dB 以下，并且在通带两边各产生一个传输零点提高通带选择性。整体结构的排列方式是鱼骨型，各路相互之间的干扰小，并节省空间。Ming Yu 教授在2015年提出的多工器。此多工器工作在Ka 频段，同样是采用单腔双模谐振器并且拥有高Q 值和高功率容量。每路也是采用双腔缝隙耦合的方式级联，产生4 阶滤波特性，带外抑制有-60 dB 以下，带内插入损耗小于1 dB，经测试表明温度对其性能影响小，热稳定性好，适合大功率环境。学者S. Cogollos 在2015年提出的一种波导多工器设计方法，可实现频带连续的多工器。该款多工器采用混合折叠矩形波导谐振器，在18 GHz 到24 GHz 实现了5 个连续相同带宽分路通带和一个高频宽带分路通带，每路通带内的插损小并且较好的带外抑制，但是该款多工器体积较大，通带两边并无零点，选择性比上述介绍的多工器稍差。

1.2 基于多模谐振技术的小型化滤波器模块

POI 组件小型化要求多工器小型化，而多工器小型化要求滤波器具有更小的尺寸，更轻的重量，更低的成本。采用多模谐振器构成多模滤波器是减小滤波器尺寸最有效的方法之一。在一个谐振腔内有多个可资利用的谐振模式，利用一个谐振腔中前个模式的耦合，可以用单腔实现阶滤波器，使得滤波器所用的谐振腔数目减少-1 个，从而减小了滤波器体积，减轻了重量。基于该原理，本节提出一种多模谐振方案来实现滤波器模块的小型化，腔体谐振器采用经典的同轴腔谐振器，由于同轴内导体金属柱和腔体上表面之间开路存在电容加载效应，改变金属同轴长度能改变加载电容值的大小，从而可控制同轴腔的谐振频率。在双阶腔体滤波器设计中，利用同轴金属柱之间的距离作为控制参数，可以控制两个模式之间的耦合系数，如图2所示。

图2给出了传统单腔单模的双阶结构和基于多模谐振技术的单腔双模结构。可以看出后者尺寸在谐振柱耦合方向上明显较前者更小。通过同样响应下的六阶单模结构和单腔六模结构来对比具体的尺寸，图3（a）和（b）分别给出了六阶单模结构和单腔六模结构设计。

图2 传统双阶结构和单腔双模结构对比图

图3 六阶单模结构和单腔六模结构对比图

六阶单模结构的尺寸为90×135.4×30 mm，在中心频率2.85 GHz 对应波长下，电尺寸为0.855×1.286× 0.285，而单腔六模结构的尺寸为28.8×97.25×29.8 mm，在中心频率2.85 GHz 对应波长下，电尺寸为0.274× 0.924×0.283，即除了在高度上相近外，后者在宽度和长度均比前者要减少约3/4 和1/4。两者的性能仿真对比将在下一节给出。

图4给出了单腔六模结构内部的电场分布和磁场分布，可以看出在单个金属谐振腔中，通过同轴内导体的加载，可以利用多个谐振模以构建所需通带的响应。

图4 单腔六模结构电场和磁场分布

2 仿真验证

为验证上一节给出的单腔多模小型化滤波器设计方法的有效性，本节先给出了单腔多模与多阶单模的仿真性能对比，然后对单腔双模、单腔四模、单腔六模的滤波器参数，矩形度等指标做出对比验证。

图5给出单腔六模结构和六阶单模结构的频率响应的仿真结果和电路综合结果对比，如图所示，两者具有相近的频率响应。然而由上节给出的体积来看，对于中心频率2.85 GHz 的滤波器来说，单腔六模结构的体积仅为六阶单模结构体积的22.8%。图6和表1给出单腔双模、单腔四模和单腔六模的参数仿真结果对比。

表1 单腔双模、四模和六模详细指标对比

图5 单腔六模仿真、六阶单模仿真和电路综合结果对比图

图6 单腔双模、四模和六模仿真结果对比图

从仿真结果可以看出随着阶数的增多，带外抑制及矩形度也越好。当单腔六模谐振时，其带外抑制已超过90 dB，完全可以满足运营商级的POI 组件设计要求。

3 结 论

室内覆盖是当前移动通信产业发展的重点，采用POI 进行多系统合路接入是目前室分系统的主流解决方案之一，而POI的小型化是迫切要解决的问题。POI 组件的核心是滤波器，其体积大小决定了POI 的体积，本文提出了一种基于多模谐振技术的滤波器模块小型化方案。通过仿真验证，提出的方案能够有效减小滤波器体积，在中心频率为2.85 GHz时，单腔六模情况下，体积仅约为传统六阶单模滤波器方案的22%，并且带外抑制能够达到94.7 dB，能够满足运营商级别的POI 组件设计要求。