一种EOC专用双工滤波器的仿真设计与实现

摘要 阐述了EOC设备上双工滤波器的设计方法。滤波器由LC低通滤波器和LC高通滤波器组合而成，通过ADS2005仿真计算，研究了贴片电容和空心线圈电感，在FR-4板材上实现高性能滤波器的可行性。通过优化设计，提高了隔离度和带外抑制性能，对研制的滤波器电感线圈匝间距进行实验微调，产品匹配性良好，各项指标达到国家标准。
关键词 滤波器；FR-4板材；电感；电容

    目前市场上的双工滤波器是由低通滤波器和高通滤波器组合在PCB上的三端口微波器件，分别为混合频率输入端、低频输出端、高频输出端。根据目前中国国内广电市场的网络规划标准，双工器的频率范围为0～30MHz，47～1 GHz；O～65MHz，87～1GHz等，以适应不同地域的频带划分。在国家规划广电、电信等网络三网合一工程中，双工滤波器目前成为其中基带EOC以及调制EOC等主要设备上应用最多并且关键的微波元件，其中的反射、传输、隔离度、带外抑制都是影响网络信号优劣的关键指标。
    文中介绍的双工滤波器频段为0～30MHz，47～1GHz，业内称作30／47双工，射频阻抗75Ω，指标要求为各个端口反射<-20 dB，传输损耗在1 dB以内，带外抑制<-50 dB，频带间隔离度<-50 dB。其基本结构，如图1所示。


    该双工器采用模块化结构，可批量生产，并且测试、安装、调试方便。双工器的PCB材质采用FR-4板材，介电常数ε值约为4.3～4．9，标准值为4.6。基板厚度1 mm；覆铜厚度0．03 mm。金属电导率：5．78e+7。双面敷铜，正为空心线圈电感，背面为贴片电容，外部加装金属屏蔽壳并接地。
    电感和电容值采用数学模型计算并采用计算机仿真进行多次验证，通过逐步改变电容和电感的值，使仿真结果符合预定设计要求，在生成实物样品后在通过微调电感线圈的匝间距完善双工器的指标，其重点和难点在于电容电感值不易选取，壳体过小使电感之间的影响较大，批量生产一致性不好等问题，文中将系统阐述如何解决。

1 滤波器设计
    30／47双工采用椭圆函数滤波器模型，如图2所示。根据椭圆函数滤波器的设计原理可计算出其中的电容、电感参数值，如表1所示。其中低通部分3组LC回路参数为对称参数，元件值相同。电路采用分立电感、电容元件的设计方案，主要是调试方便，带外抑制、隔离度较好。

    计算出电感电容值后，还需考虑PCB布线、元件排列、电感之间的互感等因素，其中PCB布线能够增加电路的寄生电容和寄生电感，寄生电容占主要部分，这就需要在调试过程中对元件的取值进行二次修正。

2 仿真分析
    仿真分析采用安捷伦公司的ADS2005射频仿真软件，本次仿真主要是对数学模型进行仿真，验证滤波器的理论分析是否正确，其中重点评估各个端口之间的传输状况，以及评估高低通带之间的隔离度和各频带的带外抑制指标。
    按照图2的电路结构进行数据建模，其中左半部分为低通滤波电路，右半部分为高通滤波电路。各个元件的参数按照表1选取，term1为混合输入端口、term2为低通输出端口、term3为高通输出端口，特性阻抗均选用75 Ω。
    经过软件仿真后获得各个端口的曲线，通过分析曲线验证了数学模型的正确性，且各项指标均符合预定要求。如图3所示，dB(S(1，2))曲线图反映混合口到低通输出口之间的传输指标，可以看到M2点的频率为32 MHz，正好是低通和带阻之间的拐点，在0～32 MHz频带内传输损耗约为0 dB，说明30 MHz以前的信号频率均能无损通过，在M2以外有一条斜率大、近乎垂直的线，称为边带抑制线，这条线越陡说明通带一阻带的阶越性越好，低通滤波器的性能越好。


    另外M2点以上的频带曲线中，有一点M3是这段曲线的最高点传输指标为-60 dB、频率为76 MHz，这反映出在32 MHz以上的频带中最高的传输值为-60dB，所以这点就成为带外抑制的取值点，换言之就是低通部分的带外抑制为-60dB，符合设计要求。由此再看图4 的dB(S(1，3)，同dB(S(1，2))曲线类似，它是混合口与高通输出口之间的传输曲线，可以看出高通和带阻之间的拐点在47 MHz，且阶越性好，高通传输损耗小，带外抑制为-56 dB，峰值在19 MHz。


    图5为高通端口与低通端口之间的传输曲线，传输峰值在19 MHz频点上，传输值为-56 dB，此最高点被称为隔离度的取值点，即说明双工器的端口隔离度为-56 dB。有以上3幅曲线图可以得出结论，数学模型建立正确，各个元器件的取值适当，由此进入样品试制，以验证产品的实际性能。


3 实际产品测试
    实际产品测试是关键的部分，直接影响到该双工的成功与否，PCB的板材采用FR-4板材，厚度1 mm的双面板，电容采用0805、0603封装的贴片高精度电容，电感为空心绕制线圈，方便调试，外壳为金属且接地。器件的选取上，电容不可能根据计算结果选用定值电容，只能使用通用的相近电容，容值如表3所示。
    电感的选取方便一些，可以根据空心电感的计算公式确定各个电感的匝数，计算公式如式(1)所示。
  
    电感的单位为μH，D为线圈的直径，N为线圈匝数，L为电感长度。根据PCB的尺寸以及屏蔽壳的内部空间，选取电感的直径为O．23c绕线为0．25 mm的康铜漆包线。电感的长度L=D×N。由此确定出电感的匝数如表2所示。


    根据电感电容的选取，生成产品实物如图6所示。


    测试仪器采用安捷伦公司的8712网络分析仪，扫描频带设定为1 GHz，步长为1 MHz，阻抗75 Ω。以下为测试结果的说明：
    图7为高通端口的传输曲线，可以看出频带的拐点出现在47 MHz，带外抑制在-50 dB以下，传输损耗在1 dB以内，边带抑制良好。


    图8为低通端口的传输曲线，拐点约为32 MHz，带外抑制在-45 dB以下，其中高频部分带外抑制略有上升是由于内部器件距离较近引起，传输损耗在1 dB以内，边带抑制良好。


    图9为高低通隔离度，全频带均在-45 dB以下，实现预期值。


    图10，图11和图12为低通端口、高通端口、混合口反射，测试时另两端口带75 Ω负载。可以看出端口反射均在-20 dB以下，高端部分略有升高是由于接口的寄生电容引起，实际值均在-20 dB以下。

    因此，根据测试结果，实物测试与仿真分析符合良好，实现了预期的设定目标。

4 结束语
    当前，双工滤波器在广电行业内的EOC设备上有着广泛应用，文中采用ADS仿真模型为理论模型，其仿真所得参数与实物模型有一定偏差，表现为实际的反射、传输指标比仿真结果要差，这主要是实物模型中一些寄生参量产生的影响。在实物样品的批量生产中，各个端口的反射指标均可达到-22 dB以下，传输损耗可以控制在1 dB以内，带外抑制能达到-50 dB以下，滤波器量产指标满足国家广电技术标准，目前已批量生产。