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摘 要：目前2G和3G移动通信网络均使用820MHz-960MHz和1710MHz-2145MHz两个频段，其分路器为微波三端口网络，该电路在设计上有一定的难度，本文利用分路器S参数的特点，将微波三端口网络转化为了两个微波二端口网络，利用我们熟悉的低通滤波器和高通滤波器完成了该电路的设计，设计指标完全符合要求，该方法具有一定的参考价值。
关键词：S参数；分路器；滤波器
1 引言
目前2G和3G移动通信网络均使用820MHz-960MHz和1710MHz-2145MHz两个频段，由于受到后端放大器带宽的限制，在基站设备中必须采用分路器将这两个频段进行分离后分别处理。由此可见，分路器是移动基站和直放站的重要组成部分，其质量直接决定了通信信号的质量[1]。
由于该两个频段相距较远，可以采用低通滤波器和高通滤波器将这两个频段分离开。由于这两个频段的频率较高，所以在设计滤波器时应当采用分布参数的设计方法。该方法的核心就是需要考虑射频微波信号的入射波和反射波，在电路布线时需要考虑电路的特征阻抗和匹配，否则信号将会发生严重的反射，进而引起严重的码间干扰和失真[2]。目前，射频与微波电路的设计已经广泛的使用散射参数（S参数）的设计方法，该方法是一种基于端口入射波和反射波的方法，在设计时就能控制端口的反射波和反射系数，是一种有效的射频微波电路设计方法，本文也是采用该方法对移动基站和直放站中的分路器进行设计。
2 分路器的S参数模型
分路器可以看做一个典型的微波三端口网络，如图1所示的分路器结构示意图。图中①、②、③分别代表三个端口，即信号从①进，②、③出。①上的信号为820MHz-960MHz和1710MHz-2145MHz两个频段，②上的信号为820MHz-960MHz的频段，③上的信号为1710MHz-2145MHz频段。图中ai表示i号端口的入射波，bi表示i号端口的反射波。
根据三端口网络的S参数的定义，分路器所对应的S参数为式1：
式中Sjj的物理含义为：其他端口都接匹配负载时，即αi=0（i≠j）时，端口j自身的反射系数；式中Sij的物理含义为：其他端口都接匹配负载时，即αi=0（i≠j）时，端口j到端口i的传输系数[3]；据此，对于理想的分路器，其各端口的反射系数均为0，即S11=S22=S33=0，这样反射所引起的干扰和失真才会最小；并且2号端口和3号端口之间是隔离的，即S23=S32=0；最后，传输系数S12、S21、S31、S13应该在各自的通频带内为1，截止带内为0。综上所述，在820MHz-960MHz和1710MHz-2145MHz两个频带内可以将分路器的S参数分别改写为式2和式3：
根据网络理论[4，5]，消去式2和式3中全零的行和列后，2式和3式分别可以看做一个二端口网络，其S参数式4和式5：
显然，式4为一截止频率为960MHz的理想低通滤波器；式5为一截止频率为1710MHz的理想高通滤波器，故分路器可以认为是两个滤波器的组合[6]。
3 分路器的指标与设计
根据实际产品的需要，分路器的设计指标如下：
（1）工作频率范围：820MHz-960MHz和1710MHz-2145MHz
（2）插入损耗：≤0.6dB
（3）端口驻波：≤1.6
（4）通道隔离：≥40dB
由前面的分析可知，分路器可以看做两个滤波器，其设计指标为：隔离度应≥40dB，滤波器的带内波动应≤0.6dB；由驻波比与反射系数的关系可以等到端口的反射系数应≤-6.3dB[7]。据此我们分别设计低通滤波器和高通滤波器。
低通滤波器一般由电感和电容构成，设计指标决定了电感和电容的取值，其计算过程较为复杂，为了简化设计的难度，我们选择ADS2011作为辅助软件进行滤波器的设计，该软件具有一个强大的滤波器设计向导，该向导能够自动设计出符合指标的滤波器模型。如图2所示，只要在向导中填入通频带、滤波器原型、带内波动、阻带最大衰减以及端口特性阻抗，机会自动生成图3所示的电路原型。
图3所示的椭圆函数低通滤波器的端口阻抗为50Ω、通频带0～1.2GHz、带内波动0.5dB、阻带衰减70dB。
其高通滤波器的设计方法和低通滤波器完全一致，只不过在设计向导中修改对应的参数而已。将低通和高通滤波器进行并联，并且考虑到元件间的连接的传输线，就可以得到所需要的分路器原理图，如图4所示。
该电路采用的微带基片采用聚四氟乙烯，相对介电常数为2.08，厚度为0.5mm，据此可以计算特征阻抗为50Ω的微带宽度为1.6mm，可以绘制出PCB版图。电容采用ATC电容，电感采用自制的包漆线电感，图中的自制电感（如L1=R120030041）的含义如下：R表示右旋，与L（左旋）对应，120表示绕径为1.2mm，030表示圈数为3圈，041表示线径为0.41mm。装配好后的实物尺寸如图5所示。
其元件清单为表1所示：
4 测试结果
分路器组装完成后进入调试，调试所用仪器为矢量网络分析仪，利用矢量网络分析仪可以很方便地得到其S参数。调试时双端口矢量网络分析仪的两根电缆分别接双工器的其中两个端口，另一个端口接匹配负载。该双工器的调试主要针对自制的包漆线电感，通过调节电感线圈的紧密度等来改变电感值，从而得到满足设计指标的测试结果，测试结果如图5所示。
右图5可以看出，该电路的带内波动、阻带衰减以及端口的驻波比均满足设计指标要求，说明采用S参数的方法设计该功能电路是有效的。
5 结语
本文利用S参数方法对分路器设计，将分路器分解为两个二端口微波网络，简化了设计的难度。另一方面，将设计指标对应为相应的S参数，这有利于电路设计的准确性，能够很好的达到设计指标的要求，在一定程度上对其它电路的设计具有一定的指导意义。
[参考文献]
[1]张纪明，肖智，鄢泽洪.移动通信中微带双工器的设计与仿真[J].电子科技，2006，01：5-8.
[2]梁玭.基于ADS软件的卫星“动中通”收发系统微带双工器的设计仿真实验研究[A].中国电子学会（Chinese Institute of Electronics）.2009年全国微波毫米波会议论文集（上册）[C].中国电子学会（Chinese Institute of Electronics），2009：4.
[3]尤小泉，张玉平.一种X波段窄带信号源的低成本实现方法[J].成都电子机械高等专科学校学报，2012，04：18-21.
[4]王俊华，沙春芳，单国威，等.微波综合实验仪的设计[J].实验室研究与探索，2011，30（10）：44-46.
[5]Reinhold Ludwig，Pavel Bretchko.RF Circuit Design：Theory and Applications[M].London：Prentice Hall，2000
[6]Lucido， M..A New High-Efficient Spectral-Domain Analysis of Single and Multiple Coupled Microstrip Lines in Planarly Layered Media[J].Microwave Theory and Techniques，IEEE Transactions on，2012，60（7）：2025–2034.
[7]V.E.Lyubchenko，E.O.Yunevich，V.D.Kotov，V.I.Kalinin.Generation of microwave oscillations in a log-periodic antenna integrated with a field-effect transistor[J].Journal of Communications Technology and Electronics，2008，53（11）：1417–1419.
关键词：S参数；分路器；滤波器
1 引言
目前2G和3G移动通信网络均使用820MHz-960MHz和1710MHz-2145MHz两个频段，由于受到后端放大器带宽的限制，在基站设备中必须采用分路器将这两个频段进行分离后分别处理。由此可见，分路器是移动基站和直放站的重要组成部分，其质量直接决定了通信信号的质量[1]。
由于该两个频段相距较远，可以采用低通滤波器和高通滤波器将这两个频段分离开。由于这两个频段的频率较高，所以在设计滤波器时应当采用分布参数的设计方法。该方法的核心就是需要考虑射频微波信号的入射波和反射波，在电路布线时需要考虑电路的特征阻抗和匹配，否则信号将会发生严重的反射，进而引起严重的码间干扰和失真[2]。目前，射频与微波电路的设计已经广泛的使用散射参数（S参数）的设计方法，该方法是一种基于端口入射波和反射波的方法，在设计时就能控制端口的反射波和反射系数，是一种有效的射频微波电路设计方法，本文也是采用该方法对移动基站和直放站中的分路器进行设计。
2 分路器的S参数模型
分路器可以看做一个典型的微波三端口网络，如图1所示的分路器结构示意图。图中①、②、③分别代表三个端口，即信号从①进，②、③出。①上的信号为820MHz-960MHz和1710MHz-2145MHz两个频段，②上的信号为820MHz-960MHz的频段，③上的信号为1710MHz-2145MHz频段。图中ai表示i号端口的入射波，bi表示i号端口的反射波。
根据三端口网络的S参数的定义，分路器所对应的S参数为式1：
式中Sjj的物理含义为：其他端口都接匹配负载时，即αi=0（i≠j）时，端口j自身的反射系数；式中Sij的物理含义为：其他端口都接匹配负载时，即αi=0（i≠j）时，端口j到端口i的传输系数[3]；据此，对于理想的分路器，其各端口的反射系数均为0，即S11=S22=S33=0，这样反射所引起的干扰和失真才会最小；并且2号端口和3号端口之间是隔离的，即S23=S32=0；最后，传输系数S12、S21、S31、S13应该在各自的通频带内为1，截止带内为0。综上所述，在820MHz-960MHz和1710MHz-2145MHz两个频带内可以将分路器的S参数分别改写为式2和式3：
根据网络理论[4，5]，消去式2和式3中全零的行和列后，2式和3式分别可以看做一个二端口网络，其S参数式4和式5：
显然，式4为一截止频率为960MHz的理想低通滤波器；式5为一截止频率为1710MHz的理想高通滤波器，故分路器可以认为是两个滤波器的组合[6]。
3 分路器的指标与设计
根据实际产品的需要，分路器的设计指标如下：
（1）工作频率范围：820MHz-960MHz和1710MHz-2145MHz
（2）插入损耗：≤0.6dB
（3）端口驻波：≤1.6
（4）通道隔离：≥40dB
由前面的分析可知，分路器可以看做两个滤波器，其设计指标为：隔离度应≥40dB，滤波器的带内波动应≤0.6dB；由驻波比与反射系数的关系可以等到端口的反射系数应≤-6.3dB[7]。据此我们分别设计低通滤波器和高通滤波器。
低通滤波器一般由电感和电容构成，设计指标决定了电感和电容的取值，其计算过程较为复杂，为了简化设计的难度，我们选择ADS2011作为辅助软件进行滤波器的设计，该软件具有一个强大的滤波器设计向导，该向导能够自动设计出符合指标的滤波器模型。如图2所示，只要在向导中填入通频带、滤波器原型、带内波动、阻带最大衰减以及端口特性阻抗，机会自动生成图3所示的电路原型。
图3所示的椭圆函数低通滤波器的端口阻抗为50Ω、通频带0～1.2GHz、带内波动0.5dB、阻带衰减70dB。
其高通滤波器的设计方法和低通滤波器完全一致，只不过在设计向导中修改对应的参数而已。将低通和高通滤波器进行并联，并且考虑到元件间的连接的传输线，就可以得到所需要的分路器原理图，如图4所示。
该电路采用的微带基片采用聚四氟乙烯，相对介电常数为2.08，厚度为0.5mm，据此可以计算特征阻抗为50Ω的微带宽度为1.6mm，可以绘制出PCB版图。电容采用ATC电容，电感采用自制的包漆线电感，图中的自制电感（如L1=R120030041）的含义如下：R表示右旋，与L（左旋）对应，120表示绕径为1.2mm，030表示圈数为3圈，041表示线径为0.41mm。装配好后的实物尺寸如图5所示。
其元件清单为表1所示：
4 测试结果
分路器组装完成后进入调试，调试所用仪器为矢量网络分析仪，利用矢量网络分析仪可以很方便地得到其S参数。调试时双端口矢量网络分析仪的两根电缆分别接双工器的其中两个端口，另一个端口接匹配负载。该双工器的调试主要针对自制的包漆线电感，通过调节电感线圈的紧密度等来改变电感值，从而得到满足设计指标的测试结果，测试结果如图5所示。
右图5可以看出，该电路的带内波动、阻带衰减以及端口的驻波比均满足设计指标要求，说明采用S参数的方法设计该功能电路是有效的。
5 结语
本文利用S参数方法对分路器设计，将分路器分解为两个二端口微波网络，简化了设计的难度。另一方面，将设计指标对应为相应的S参数，这有利于电路设计的准确性，能够很好的达到设计指标的要求，在一定程度上对其它电路的设计具有一定的指导意义。
[参考文献]
[1]张纪明，肖智，鄢泽洪.移动通信中微带双工器的设计与仿真[J].电子科技，2006，01：5-8.
[2]梁玭.基于ADS软件的卫星“动中通”收发系统微带双工器的设计仿真实验研究[A].中国电子学会（Chinese Institute of Electronics）.2009年全国微波毫米波会议论文集（上册）[C].中国电子学会（Chinese Institute of Electronics），2009：4.
[3]尤小泉，张玉平.一种X波段窄带信号源的低成本实现方法[J].成都电子机械高等专科学校学报，2012，04：18-21.
[4]王俊华，沙春芳，单国威，等.微波综合实验仪的设计[J].实验室研究与探索，2011，30（10）：44-46.
[5]Reinhold Ludwig，Pavel Bretchko.RF Circuit Design：Theory and Applications[M].London：Prentice Hall，2000
[6]Lucido， M..A New High-Efficient Spectral-Domain Analysis of Single and Multiple Coupled Microstrip Lines in Planarly Layered Media[J].Microwave Theory and Techniques，IEEE Transactions on，2012，60（7）：2025–2034.
[7]V.E.Lyubchenko，E.O.Yunevich，V.D.Kotov，V.I.Kalinin.Generation of microwave oscillations in a log-periodic antenna integrated with a field-effect transistor[J].Journal of Communications Technology and Electronics，2008，53（11）：1417–1419.