一种EOC专用双工滤波器的仿真设计与实现

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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。


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    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。

 

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    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。