游金凤 王书新 朱江
【摘 要】设计并制作了工作在20MHz～100MHz的大功率LC双工器，两通带分别为20MHz～57.8MHz和57.8MHz～100MHz的椭圆型滤波器，并通过ADS进行仿真。由仿真结果可知，在20MHz～57.8MHz通带内输入端口的驻波小于1.2，插损小于0.2dB;57.8MHz～100MHz通带内输入端口的驻波小于1.2，插损小于0.2dB;交接点57.8MHz处驻波小于1.3，插损小于4.6dB。为解决大功率散热问题，本设计采用陶瓷板代替聚四氟乙烯印制板，极大地改善了双工器散热性能。实测值与仿真结果吻合较好，产品已大量应用。
【关键词】大功率;连续通带;双工器
中图分类号： TN722.75文献标识码： A文章编号： 2095-2457（2019）17-0023-002
DOI：10.19694/j.cnki.issn2095-2457.2019.17.009
0 引言
双工器是用来将一个宽带信号分开成两个频率范围的信号或者把两个频率范围的信号合成为一个宽带信号的部件。因此双工器一般用于射频前端实现收发共用一副天线。
随着通信技术的发展，频谱资源愈加紧张。为了更好更高效地利用频率资源，提高信号选择性，各信道之间的频率间隔需要越来越小，且各信道之间隔离要求越来越大。本文设计的双工器为连续通道双工器，可以最大限度利用频谱资源，且可承受大功率信号。
1 理论及仿真设计
1.1 设计原理
本设计采用一个高通和一个低通滤波器加一定的匹配元件组成三端口的双工器。根据设计指标的插损和隔离度要求，并留一定余量，通过ADS的集总参数滤波器设计向导，滤波器采用椭圆函数形式，得到一个高通和一个低通滤波器的基本电路模型。考虑射频信号为交流信号，电感具有隔交通直的作用，且安装、调试方便，则通过一个电感将这两个滤波器的输出端跨接在一起，构成了一个三端口的基本电路。
本设计的特点是：频率范围较宽、两通道为连续频段、插入损耗较小、承受功率大。因此，在设计与制作时针对以上特点予以考虑。
1.2 设计指标
大功率连续通道设计指标如下：
（1）通带频率：20MHz～57.8MHz、57.8MHz～100MHz;
（2）插入损耗：≤0.2dB、交叉点：≤5dB;
（3）驻波：≤1.25、交叉点：≤1.5;
（4）两通道隔离度：≥15dB;
（5）最大承受功率：300W。
1.3 元件参数设计
为提高仿真结果与实际结果的吻合程度，在仿真设计时，均考虑电容和电感的Q值。通过查阅电容手册，并根据实际工作频段，仿真时电容的Q值取500～800，电感的Q值取300。
为能承受300W大功率，选用700C系列陶瓷电容，封装较大（约为6mm×6mm），散热性能好。但安装需要较大焊盘，为提高仿真精度，在仿真时均带入焊盘参数进行仿真。
1.4 仿真设计
根据上述设计原理和元器件参数设计，搭建仿真电路。仿真时，将所有电容和电感元件值均设为可优化、可调谐的，并设置适当的优化、调谐范围。优化设计时综合电容型号容值和电感绕制加工可实现性等因素。优化仿真后的电路如图1所示，仿真结果如图2所示。
2 工程设计及装配调试
本设计是一种大功率双工器设计，因此设计时需考虑器件散热、调试等多方因素，保证设计产品即方便加工调试，又能满足技术指标要求。
2.1 原料选型设计
2.1.1 元器件的选用
由于电容的寄生特性，及双工器承受高功率的要求，电容需选择高Q值、高射频功率、低等效串联电阻、超高稳定性的陶瓷高射频功率多层电容700C系列，其温度特性可满足宽温度范围、高稳定的需求。
电感采用漆包线绕制的空心线圈。高频电感线匝间的电容、趋肤效应导致导线电阻增加而造成Q值降低。为使线圈在高频情况下使用，应尽量减少分布参量，线圈尺寸尽可能做得小些，当然，线圈过小也容易造成Q值降低。为达到一个平衡点，通常将线圈直径定为与线圈长度相当。漆包线的直径大小虽然不影响感量，但线径越细，线圈的等效串联电阻就越大，Q值就越低，线圈的性能也会越差，综合考虑电感Q值、承受功率、制作难易等因素，线径大小选为1.1mm左右。
2.1.2 印制板的选用
由于双工器承受功率要求较高，用一般的聚四氟乙烯板或FR4板难以良好散热，散热较差将会使元器件的使用寿命大大降低，因而考虑选用散热良好的陶瓷覆铜板或覆银板，而覆铜板的加工成本较覆银板更高，且装配难度高于覆银板。综合考虑承受功率、电性能指标、成本、装配等因素，选用陶瓷（Er=9.6）覆银板作为印制板。
2.1.3 盒体的选用
盒体采用铝基材、再镀铜、最后镀银的方式，保证良好散热的同时，提高腔体的Q值，降低损耗。
2.1.4 电路的调试
由于该双工器由一个低通和一个高通滤波器组成，实际调试时可先调其中一个，然后再合在一起调试。调试时主要调整电感的大小，可通过调整单个线圈内部的间距来改变电感大小，間距变大，电感减小，反之电感增大。由于线圈较多，线圈与线圈之间相互耦合相互影响，还可适当调整线圈的朝向和两个线圈之间的距离，以达到设计指标。
3 双工器测试
双工器实物如图3所示，内部如图4所示。通过图4可见陶瓷覆银板结构，陶瓷覆银板底部黄色的为铜板，二者通过焊膏焊接在一起，最大限度提高双工器散热量，确保承受300W大功率信号。
大功率连续通道双工器实测指标如图5和表1所示。分析测试数据可知，实际制作的双工器在性能上与仿真结果接近，且完全满足技术指标的要求。因采用了多项散热措施，保证能满足承受300W大功率的要求。
4 结论
本文设计了一款大功率连续通道双工器，给出了仿真和实测结果。本设计特定是采用陶瓷覆银板代替聚四氟乙烯板材，极大提高散热性能，提高功率容量。综合考虑电感电容Q值，合理选型，降低双工器插损。
【参考文献】
[1]森荣二.LC滤波器的设计与制作[M].北京：科学出版社，2005.
[2]Reinhold Ludwig，Pavel Bretchko.射频电路设计：理论与应用[M].北京：电子工业出版社，2002.
[3]黄玉兰.ADS射频电路设计基础与典型应用[M].北京：人民邮电出版社，2010.
