四端口双模双工器的高信号隔离

抽象

提出了一种易于实现高信号隔离的四端口双模双工器。一个紧凑的双模双工器与高信号隔离之间的Rx和Tx模块是可以实现的，只需使用一个谐振滤波器拓扑。两个背靠背双模双工器在一个支路上有180度的相移。采用振幅相消技术可以实现高隔离。通过移相器可以很容易地实现延迟传输线。仿真和实测的四口双模双工器分别在Rx/Tx的中心频率为1.95 GHz和2.14 GHz下设计。给出了47.1 dB Rx/Tx隔离的Rx/Tx双模双工器件的测量结果。该四端口双模双工器实现了隔离(小号₃₂）of more than 24.1 dB when compared with the conventional three-port dual-mode diplexer structure.

1.简介

在一些通信系统的射频前端，双工器通常用于在共用一个天线时区分两个不同的信号频带用于发射(Tx)和接收(Rx)通道。双工器结构是由两个不同通频带频率的带通滤波器组成。在多频带通信中，滤波器和双工器的设计要求体积小、重量轻、信号隔离度高。微带带通滤波器可轻易地安装在介电基板上，并可提供更灵活的电路布局设计[1]。为了保证电路的小尺寸和轻重量，滤波器和双工器设计采用了普通微带谐振器。微带开环谐振器滤波器具有紧凑和高性能，在无线通信系统中非常受欢迎[2]。许多研究已在紧凑型谐波滤波器和双工器进行诸如阶梯阻抗开环谐振器[3]，紧凑开环谐振器滤波器的结构[4]，和微带方开环与阶梯阻抗谐振器滤波器和双工器[五]。

此外，由于耦合面积受到共腔和高阶滤波器尺寸的限制，高隔离技术难以应用于多频带应用。因此，设计信号隔离度高、电路尺寸小的双工电路具有很大的挑战性。当双工器的信号发射功率过高时，发射通道的高信号功率泄漏会增加。Tx/Rx端口之间的通道干扰会破坏Rx组件，从而导致高传输信号。Tx/Rx端口之间的高信号隔离可以通过使用简单的结构设计来增加;为了提高双工器的信号隔离性能，已经有很多论文进行了研究。为了增加双工器频带内外的信号隔离，在设计滤波器和双工器方面做了大量的工作[6-11]。为了实现高的Tx / Rx隔离信号，公共双工器设计需要高阶滤波器。作为一个非常复杂的滤波器的设计和制造过程的结果是，在过滤器和双工器的插入损耗会增加。此外，另一种技术来设计双工器具有成本低，高信号隔离，并且易于制造工艺的是通过使用四端口网络[引入12，13]。所实现的滤波器微带原型小的电路尺寸可以通过该技术来实现。为减小尺寸，并通过使用一个双模式谐振器滤波器和双工器的高隔离信号的技术在[呈现14，15]。

在本文中，一个易于具有高信号隔离的四端口双模双工器被呈现。通过使用U形谐振器的开路短截线的双模式结构实现紧凑和便于设计。Tx和Rx模块之间的高信号隔离通过仅使用一个谐振器滤波器的拓扑结构是可以实现的。两个背靠背三端口双模式双工器和180°移相器很容易用于构造所提出的装置，其被组合以形成一个四端口双模双工器。高信号分离可通过振幅和相位消除技术来实现。为了消除同振幅的信号，但不同相在发射器和接收器，延迟微带传输线可以被用来实现在一个支路中的180°相移。

1.1。双模谐振滤波器分析

四端口双模双工器的概念是基于双模谐振器滤波器的设计。四端口双模双工器的拓扑由两个传统三端口双模双工器背靠背连接和一个180度移相器组成，如图所示1。

要验证的概念思想和实验的验证，微带双模谐振器结构可以被引入，例如，双模谐振腔滤波器的设计是基于单模开环谐振器[16，17]其中仅着眼于奇数模式的谐振。实际上，单模共振器的偶数模式的谐振是在两倍基本共振频率大约存在，而偶数模式是单频带谐振滤波器合成没有多大用处。偶模式将成为这降低了过滤性能第一杂散响应。在另一方面，双模式滤波器的偶数模式也可以被用作一个双调谐电路[18]。

出于这个原因，一个开放的环路滤波器可以被调整以充当一个双调谐滤波器。根据拟议的结构[18，19]，偶数模式的谐振可以被调谐以关闭工作频带（奇数模式）。因此，二阶响应滤波器可以通过将这些两极被创建。双模滤波器的示意性电路图中描绘了2。开路短截线设置在U形谐振滤波器的中心添加到降低偶数模式的谐振频率。所示的伸出存根对奇模式没有影响[18]。因此，在两种模式（奇数和偶数模式）可以被独立地调整。

在谐振模式的偶数和奇数模式的等效电路显示在图3。一个开路的半波长谐振器型示出了偶数模式谐振器，如图图3（a）而短路四分之一波长型谐振器示出了奇数模式如图图3（b）。

通过使用双模式谐振器ü具有开尾的形谐振器可以作为设计示例说明。开路的存根可用于调优双模式的偶模式[19]。双模式谐振器由相同的阻抗的两个部分组成，如图所示2。尺寸用以下公式计算：

开路短线（ž₂）连接到所述谐振器的中间（ž₁）。αZ₂表示与阻抗部分的偶模阻抗等效ž₂。的电气长度（θ₂的开路的存根)可能被定义 哪里θ_X（X= 1,2,3)对应图中截面的电长度1和C是光在真空中的速度。

为了证明所提出的双模微带线滤波器，谐振器是ü形状，其由前端开路短截线加载。该过滤器被设计具有一定厚度的RT /的Duroid基板上H = 1.27 mm with a relative dielectric constantε_[R = 6.15. The filters were simulated by IE3D full-wave EM simulations. The input and output coupled-feed lines are used to couple the signal to the dual-mode resonator having a line width (cf) and coupling spacing ( ）。奇数和偶数模式被称为前两个谐振模式。这两种模式可以具有依赖于开路短截线的长度相同或不同的模态频率。一个双模式谐振器的微带的基本结构在图被描绘4。

相比于第一寄生模式的工作频率通过调谐开路短截线的长度一直使用IE3D全波EM仿真研究。双模式谐振器被设计为通过固定的长度以实现期望的共振频率ü形谐振器(a和c)。Even-mode特征可以通过调整开路存根加载(b)的长度。两个输入/输出与50Ω微带线特性阻抗与open-stub用来喂养提出的双模谐振器加载谐振器。如图所示五，开短装载长度，不影响小号₂₁响应在奇数模式的谐振频率，而偶数模式的谐振频率通过改变开路短截线（B）的长度被灵活控制。固有的传输零点（TZ）可以容易地调节，以优化的响应。的TZ导致不对称的响应。当谐振器被耦合到与一耦合馈电结构的输入和输出端口，前两个谐振模被称为奇数和偶数模式。这两种模式可以具有相同的或不同的模态频率取决于在谐振器的尺寸。此外，当两个模式分割，有限传输零点是在两种模式中的高侧时产生的偶数模式的频率是比奇数模式频率高。此属性的主要成果是滤波器实现具有非对称的频率响应（滤波器的上阻带）。

1.2。四端口双模双工器的设计

所提出的四端口微带双模双工器的布局结构呈现于图图6（a）。Tx / Rx过滤器是相互关联的适当设计的匹配电路的丁字路口的宽度50Ω线。双工器的几何形状在t结被优化，以更好的返回损失性能在两个通道。指出,使用端口1的阻抗50Ω随着给水管路的优势获得更好的天线共用器插入损耗和拒绝演出。这里，t结的长度经过优化，使得双工器中的每个滤波器在其中心频率处看起来都像一个开路电路。

四端口双模双工器布局两个常规三端口双模式双工器形成接合后端到背部和一个180°移相器。基于两个双工器的设计技术接合后端到回以形成四端口双工器。A 180°移相器是在端口2和端口4之间的信道滤波器为了实现这种移相器中的一个添加，半波长延迟线被采用。180°的相移°±2°横跨Tx和Rx频带得以实现。从3端口至一个4端口型隔离的显著变化是，如果我们允许天线阻抗的变化，我们可以调整负载阻抗（端口4），以补偿天线失配并再次返回回收隔离。因此，一个不匹配的天线端口的影响被认为，通过使用4端口型恢复。的四端口双模式原型中的照片显示于图图6（b）。研磨机可用于制造电路图案。四端口微带双模双工器的尺寸在表中详细说明1。

测量进行使用Agilent矢量网络分析仪。四端口双模双工器的测量和模拟的结果示于图图7（a）。ŤHe measured in-band return loss is better than 25 dB in the first bandpass (1.95 GHz) and 24 dB in the second bandpass (2.14 GHz), respectively. The insertion losses are approximately 1.1/1.16 dB at the two bandpasses. The simulation and measurement results are in good agreement. The comparison of signal isolation,小号₃₂的Rx和Tx频带之间的四端口双模双工器和三端口双模式双工器隔离的示于图图7（b）。ŤHe measured signal isolation of the conventional three-port dual-mode diplexer is 23 dB, and it is 47.1 dB for the four-port dual-mode diplexer. The excess losses in the measurements are believed to be due to the SMA connectors and fabrication errors.

为比较建议的四端口双模双工器的大小，传统的四端口双工器[13]通过使用单模微带开环谐振器模拟。可以通过半为双模式谐振器可以减少在单模式带通滤波器所要求程度的总数。Tx和Rx模块之间的高信号隔离通过仅使用一个谐振器滤波器的拓扑结构是可以实现的。此外，四端口微带双模双工器仍然降低了与相对于现有国家的本领域双工器[相同或更好的隔离总体信号损失13]。

2.结论

具有高信号隔离的四端口双模双工器基于振幅和相位消除技术被呈现。用Tx和Rx模块之间的高信号隔离的小型双模式带通滤波器仅通过使用一个谐振器滤波器的拓扑结构是可以实现的。两个背靠背双模双工器在一个支路上有180度的相移。采用振幅相消技术可以实现高隔离。通过移相器可以很容易地实现延迟传输线。四端口微带双模双工器可以提升隔离（小号₃₂）Ťo more than 24.1 dB from the conventional three-port diplexer. Finally, the low complexity design and ease of fabrication process are proposed by using a four-port dual-mode diplexer which can be used in wireless communications.

数据可用性

支持这一研究结果的数据都包括在项目中。

利益冲突

作者宣称，他们没有利益冲突。

致谢

作者感谢电子科技Phranakhon的Rajamangala大学科技迪空谭普的Rajamangala大学部与通信工程学院工程学院，电子系与通信工程学院，工程学院，成功地支持了研究。

参考

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