缩小双工器对多频带无线的设计方案
作者：Bill Schweber
随着必须支持不同频段的多频段智能手机变得越来越普遍，双工器成为越来越重要的无源元件。这种多频带带通滤波器放置在天线和无线单元的电子设备之间，允许多个发射功率放大器和接收器前端支持不同的频带，同时共享一个公共天线路径。
在接收器端，双工器从天线接收两个信号（通常称为高频带和低频带信号）并将它们引导到适当的接收器前端；在发射端，它将来自不同频段的两个输出功率放大器的信号组合起来，然后再到达天线（图 1）。现代双工器的技术和相关实施与 SAW 滤波器和其他单片固态滤波器密切相关。
图 1：基本双工器由共同封装的低频段和高频段带通滤波器组成，
用于拆分/合并两个相邻频段，以便它们可以共享单个天线。
一些双工器架构基于低通滤波器和高通滤波器的简单配对来分离两个感兴趣的频段。这些实现通常需要额外的带通滤波，以进一步衰减感兴趣信号频谱之外的信号（图 2）。虽然组合的低通加带通滤波器方法比仅带通拓扑具有更多的功能块，但这种配对可以缓解设计满足总体要求的滤波器的挑战，因此可以降低成本并提供更好的性能，具体取决于情况的具体情况。
图 2：一些双工器将低通和高通滤波器与带通滤波器结合使用，
这增加了内部复杂性，但实际上可能会简化设计并提高性能。
双工器是一个三端口无源器件，可以为接收器或发射器路径插入相同的器件。双工器必须为前端、功率放大器和天线提供定义的输入或输出阻抗，以实现适当的级间匹配。
另请注意，术语双工器和分离器有时在随意的谈话中可以互换使用，但它们通常是不同的。真正的分路器将单个信号沿两条路径平均分配（每条腿的功率是原始信号强度的一半），因此源可以馈送多个接收器；一个示例是连接到两台独立电视的电缆馈送。
然而，一些分离器实际上充当双工器，例如那些将单个广播电视天线信号分离成 VHF 和 UHF 频段的分离器。互补也是正确的：一个组合器接收两个相同频率的信号并将它们馈送到一个公共输出，但一些组合器实际上是双工器，例如那些从 VHF 和 UHF 天线获取输出并将它们组合到一个单根电缆。因此，在谈论双工器、分离器和组合器时，最好澄清这些术语。
虽然两频段双工器是最常见的组合/分路配置，但也有三频段三工器甚至四频段四工器；虽然这些往往比双工器具有更低的性能规格和更高的成本，但它们可能是最具成本效益、节省空间的方法。
双工器与双工器
请注意，双工器与双工器不同。与双工器一样，双工器放置在系统天线及其电子设备（接收路径输入放大器和发射路径功率放大器）之间。但是，双工器的作用是将占用同一频段的发射和接收信号相互分离；在全双工甚至半双工操作期间需要这种分离。通过控制输入和输出能量的流动，使相对高功率的输出不会到达、过载甚至可能损坏敏感的接收器侧输入，双工器将发射器和接收器耦合到天线，同时在发射器和接收器之间提供隔离。
尽管将发射器和接收器功能分离为频谱的不同部分似乎更简单，但这通常是不可能的。例如，雷达系统发射相对较高功率的信号，然后切换到接收器模式以捕捉微弱的回波反射；两个信号的频率相同（如果有的话，多普勒频移除外）。如果在发射阶段接收器与天线保持连接，则发射器信号将使接收器前端过载并使其进入饱和状态，从而使其无法正常工作，直到前端恢复。根据功率水平，发射信号的功率可能会永久损坏接收器的敏感前端。与双工器相比，双工器是一个多频带单元，
双工器设计和参数
在较低频率下使用的低功率双工器（约 500 MHz）是使用 PC 板上的分立元件构建的。用于更高频率和更高功率水平的双工器，大约 1 GHz/10 W 及以上，通常使用更高性能的射频组件构建为模块或混合设备。然而，对于 1 GHz 以上的低功耗便携式设备应用，例如 Wi-Fi、智能手机和 GPS 接收器，其功率水平低于几瓦，设计人员使用基于 SAW（表面声波）和 FBAR（薄膜体声谐振器）技术。
用于将 UHF 和 VHF 广播电视信号合并到单根电缆上的低成本标准双工器；在电缆的另一端使用相同的单元将它们拆分到电视机输入端的各个调谐器。
由于双工器是特殊形式的滤波器，因此使用传统的滤波器参数来表征它们。这些包括众所周知的滤波器因素，例如中心频率、带宽、插入损耗、衰减、功率处理和温度稳定性。
双工器还有一个额外的关键性能参数：低频带和高频带之间的最终隔离。这个数字超出了通带外滤波器滚降的特性；相反，它是那些低通带和高通带的滚降以及两个通带彼此接近程度的函数。因此，它定义了一个频段中的信号相对于另一频段衰减多少。一些供应商明确指定隔离；对于那些他们不知道的情况，设计人员可以通过重叠高频带和低频带的带宽和插入损耗图来确定它。
具有代表性的双工器是TDK DPX165950DT-8126A1，它是一种用于 2.4 GHz 和 5.0 GHz 无线 LAN （WLAN） 频段的多层芯片单元。低频段和高频段之间的隔离度优于 30 dB（图 4）。低频段插入损耗（2400至2496 MHz）为0.6 dB（最大值），对应的高频段插入损耗（4900至5950 MHz）为1.4 dB（最大值）；典型值约为这些数字的一半。低频段和高频段端口滤波器都有急剧滚降，分别如图 5 和图 6 所示。该设备非常小巧，只有 1.6 × 0.8 × 0.6 mm 高。
图 4：用于 2.4/5.0 GHz 频段的 TDK DPX165950DT-8126A1 双工器在低频段和高频段之间提供至少 30 dB 的隔离。
图 5：对于 TDK 组件，通带中的低频段插入损耗约为 1 dB，而高频段插入损耗略高于 1 dB（典型值）。
图 6：对于 TDK 双工器，每个带通滤波器的通带外衰减至少为 10 到 15 dB。
另一个有趣的部件是Johanson Technology的2450DM40A1575系列，它是 2.5 × 2.5 × 1.2 mm 高的组件。该双工器设计用于将用于蓝牙、802.11 （Wi-Fi）、ZigBee 或该频段中专有 WLAN 的标称 2.4 GHz ISM（工业、科学和医疗）频段与标称 1.5 GHz GPS 信号分开，如需要在基于 LAN 的组合产品中，该产品还必须使用独立的 GPS 功能进行地理定位。
为了提高性能，该器件除了前置双工器模块外，还包括 SAW 和 LC 带通滤波器（图 7）。 GPS 部分的带宽约为 100 MHz，在通带外的插入损耗超过 40 dB（图 8）。相比之下，WLAN 部分具有数百 MHz 的较宽带宽，具有更平缓的插入损耗滚降（图 9）和大约 40 dB 的最大插入损耗。
图 7：Johanson Technology 的 2450DM40A1575E 将 2.4 GHz 无线 LAN 频段与 GPS 载波频率分开。
图 8：GPS 频段需要一个具有急剧滚降的窄通带来选择 GPS 信号，同时衰减附近的潜在干扰信号。
图 9：对于频谱的无线 LAN 部分，2450DM40A1575E 通带更宽，滚降更平缓。
这些只是众多可用单元中的两个示例，每个单元都针对频谱和应用配对的不同部分量身定制。
概括
无线设备（例如 2.4/5 GHz 智能手机）或包含 GPS 接收器等辅助功能的无线 LAN 中的多频带操作需要双工器。通过带通滤波器将输入信号分离为两个（或更多）组成频带，或将多个频带组合成一个信号，一个天线可以满足多个前端/功率放大器的需求。对于低功率器件，可以使用单片 SAW 或 FBAR 技术制造双工器，这些技术在微型、低成本封装中提供了非常好的性能。
