浅谈双工器的原理

  • 简 介

双工器, 又称天线共用器, 可以把它看作一个比较特殊的双向三端滤波器。双工器在手机主板上主要用在 FDD ( 频分双工 )制式的通路, 其作用是将发射和接收信号相隔离, 保证接收和发射都能同时正常工作。双工器可以叫做“Duplexer”, 也可以叫做“Diplexer”, 只不过前者代表着收发隔离的功能, 而后者代表多频段的频带切换功能。

 

  • 双工器的结构

通常双工器由六个带阻滤波器组成,各谐振于发射和接收频率。接收端滤波器谐振于发射频率,并防止发射功率串入接收机,发射端滤波器谐振于接收频率。常见的双工器都包含一个螺旋腔,由于其较高的工作频率和对分配参数的较大影响,通常将其制成密封套体, 并且所有信号馈线都必须使用具有良好屏蔽效果的同轴电缆腔体。为了促进散热, 双工器外观通常为黑色,并且三个信号端子通常使用标准的高频连接器 Q9 或 L16 型高频插座在双工器上进行无线通信。

 

  • 双工器的指标
  1. 工作频率

双工器的工作频率范围应当不窄于无线电话机本身的工作频率范围。双工器在整机联调前应确认双工器的工作频率与无线电话机的工作频率是否一致, 如相差较大时, 应重新调整, 以避免烧坏输入高放回路。

 

  1. 带宽

一般而言, 我们所指的带宽是无线电话配备双工器后接收机的输入带宽和发射机的输出带宽。对于双工器, 它是两个等效带阻滤波器的阻带带宽, 而不是通带带宽。从其频率响应曲线来看, 它是一定衰减下两个阻带的频率范围。众所周知, 无线电话本身的高频输入和输出带宽比较宽, 所以双工器的带宽也应该是一定的宽度, 以克服用户申报频率时带宽问题所引起的麻烦。

 

  1. 隔离度

双工器的隔离度是指两个等效带阻滤波器的阻带衰减量,除一些特定的场合外,一般双工器的接收通道和发射通道中的阻带的衰减量,也即双工器的接收端和发射端至天线端的隔离度相当的。隔离度是双工器一个非常重要的指标。

 

  1. 插入损耗

双工器的插入损耗是指对应于通道中, 通带频点对有用信号的损耗。可用以下公式来表示:

其中Pi、Ui表示进入双工器的信号功率或电平;Po、Uo表示从双工器出来的信号功率或电平。

显而易见, 对于双工器来讲, 插入损耗越小越好, 特别是对 TX而言, 插入损耗小, 有利于提高整机的输出功率。插损变小了, 还能进一步提高工作效率, 减少整机射频功放的发热。

 

 

  1. 稳定度

双工器的稳定度应包括两个含义: 一是本身结构的稳定性, 使其分布参数具有一定的稳定度;二是其温度稳定性。

一般来说, 我们要求移动通信中使用的双工器应在 -25℃-55℃ 这个温度范围内具有一定的频率稳定度, 才不会影响无线电话机的通话效果。

 

  1. 其他指标

双工器除以上讨论的指标外, 还有最大输入功率、 特性阻抗和驻波比等。 最大输入功率是一个双工器所能承受的最大的输入功率, 同时也是双工器的一个使用安全性指标。无线电话机的天线输入阻抗和发射机的输出阻抗均为50Ω, 因而要求双工器的阻抗也应为50Ω。为保证整机的安全性和通信效果, 通常双工器的驻波比在1.4以下。

 

  • 简谈双工器工作原理

当前常见的两种双工制式分别是频分双工和时分双工, 根据 3GPP 协议划分的 LTE 频段, Band 33 之前的频段所用的双工制式都是频分双工 (FDD)。 并且手机主板上的通路如果通的是 FDD 的频段, 那么必定会使用到双工器对收发进行隔离, 否则接收性能会变得非常差。

上面在介绍双工器时有提到, 可以将双工器看作一个三端口的SAW, 分别是TX SAW、 RX SAW、 ANT, 这样便于我们分析信号通过双工器的过程。如下图所示:



 

众所周知, FDD 指的是收发同时工作, 但是采用两个分开的频率工作, 且工作在对称的频带上。TX 信号本身就很强大, 而在最大功率的条件下, 经过 PA 的放大, TX 的信号会变得更为强大, 通过上图左边的小图展示, TX 的信号除了经过 “TX SAW”后流向 ANT, 还会有一部分泄漏到 “RX SAW”, 进而流向 RX, 变为 RX通路上的干扰信号, 即为 TX leakage, 会影响 RX 的性能。

实际上 RX 信号也会泄漏到 TX。如上图右边小图所示, 信号从 ANT 端经过双工器, 分为两路分别通过 TX PORT和 RX PORT, 但是本身就很微弱的 RX 信号会被 TX SAW 当做是带外干扰, 很大概率会被过滤掉, 所以 RX 信号基本上不会对 TX 产生太大的干扰。因此我们更多的要考虑的是 TX 信号对 RX 的干扰。

我们假设双工器由 TX SAW 和 RX SAW 两个 SAW 组成, 那么就会有两个频率响应, 如下图所示:

 

前文提到了 TX leakage, 即从 TX SAW 流出, 然后经过 RX SAW 流向 RX 的那部分 TX 信号。如果我们将两个频率响应合成在一起, 就是隔离度, 如下图所示:

 

由上图可知, 在 TX SAW 跟 Rx SAW 的频率响应曲线交叉处,其 Isolation 在数值上最小,故以 SAW Filter 的角度而言,想要 Isolation 大,那当然就是 TX SAW 跟 Rx SAW 带外的频率响应曲线越陡峭越好,最好是陡峭到 其曲线完全不要交叉。

 

实际上, 上图有一点混淆视听, 隔离度并不能和插损画上等号, 隔离度可以理解为信号的抑制作用, 隔离度越大, 说明抑制作用越强, TX leakage 就会被削弱, 这样对 RX 的影响也会变小。

★博文内容均由个人提供,与平台无关,如有违法或侵权,请与网站管理员联系。

★文明上网,请理性发言。内容一周内被举报5次,发文人进小黑屋喔~

评论