雙工器組合寬頻功率放大器

頻率多路複用器用於將頻譜劃分（解複用）為多個子頻段，或執行頻率多路複用的互補功能，其中兩個或多個子頻段組合在一起以形成更寬的頻譜。雖然雙工器是 3 埠元件，但它們的後綴正確地暗示它們由 2 個埠組成，用於各個子帶，第三個埠定義為全帶輸入或輸出，具體取決於它應用的方向。雖然頻率多路複用器在無源濾波和通道化中有很多應用，但也可以（而且通常是有利的）將它們用作功率放大器的分路器和合路器。與傳統的功率分路器和合路器相比，多路複用器以頻率選擇性方式進行分路和再組合 ，這通常提供更低的損耗以及功率分路/合路器所不具備的濾波。本文討論了多路復用器的基礎知識，並展示了兩種不同類型的放大器設計，它們使用與分路器和合路器相同的雙工器。最後，討論了每種類型的雙工器組合功率放大器的應用。

多路複用器有各種形狀和尺寸，其製造的最常見架構之一由懸浮襯底帶狀線技術組成，如 Mini-Circuits 於 2022 年 4 月 26 日發佈的《瞭解懸浮襯底帶狀線濾波器》中所述。¹ 通過將濾波器與低通、高通和帶通濾波器特性相結合，可以實現許多多路複用器配置。如開頭所述，最簡單的多路複用器配置是雙工器，最簡單的雙工器是圖 1 所示的低通高通實現。

要完全定義最簡單的 diplexer，還需要幾個 trait。阻帶的性質很重要，因為它可能是反射性的或吸收性的。此外，全頻段輸出可以是連續的，如圖 1 所示，也可以是非連續的，在低通和高通輸出之間引入間隙。最後，高通部分通常是開放式的，延伸到工作頻率上限之外，但可以是封閉的或包括一個清理低通濾波器，從技術上講，使上部成為帶通。

更複雜的 N 路多路複用器通常在低通和高通部分之間插入多個帶通部分。這些帶通部分可以是窄頻或寬頻，為了便於討論，我們假設窄頻和寬頻之間的拐點是倍頻程頻寬。

多年來，Mini-Circuits 已經設計和生產了數十種雙工器，其中許多採用懸浮式底板帶狀線技術。ZDSS-3G4G-S+ 是 ZDSS-3G4G-S+ 的一個版本，專為處理每個埠 25W 射頻輸入功率而設計，是一款低通高通、反射式連續寬带雙工器，分頻頻率約為 3.45 GHz。每個埠 25W 是堅固的合路器，但該雙工器也可以用作分路器，並在分路和重組時進行背靠背調諧。然而，通常情況下，分路器會做得更小、功耗更低，以滿足 SWAP-C 要求。

ZDSS-3G4G-3+ 雙工器每個埠的頻率回應特性如圖 2 所示。請注意雙工器全帶回應是如何連續的。略低於 3.5 GHz 的分頻區域也表現得非常好，低通和高通部分的下降幅度都略高於 3 dB。

雖然圖 2 僅繪製到 8 GHz，但高通部分的開放式特性使雙工器能夠在更高的頻率下工作。下面的表 1 列出了埠 3 至 15 GHz 的插入損耗，其中測量本身被截斷。

在頻率上組合兩個放大器的雙工器優於使用功率分配器和合成器的頻率組合，因為功率分配和組合會產生 3 dB 的理論損耗，再加上額外的插入損耗。此外，功率分配器和合路器本身很難實現寬頻性能，肯定不能接近通過多路複用所能實現的性能。對於 ZDSS-3G4G-3+ 雙工器，低通部分的中頻插入損耗在 1.75 GHz 時僅為 0.17 dB，高通部分在 6 GHz 時僅為 0.24 dB。

用於組合放大器的高階 n 路多路複用器可以由窄帶通部分組成，以過濾諧波，如果部分是亞倍頻程，甚至可以過濾二次諧波。此外，低階放大器互調失真 （IMD） 本身可以由窄帶多路複用器過濾，特別是 2 階和 3 階，具體取決於通道分離。

圖 3 顯示了雙工器組合放大器的一個例子。低通功率放大器是 25W、20 MHz 至 2700 MHz ZHL-25W-272X+。請注意，該放大器在 2700 MHz 以上滾降，遠早於連續雙工器達到 3.45 GHz。在高通側，ZHL-20W-83X-S+ 處理放大並將 20W 從 4000 推到 8000 MHz。與低通側類似，該放大器也沒有達到 3.45 GHz 的分頻頻率。因此，由於放大器的選擇，這種設計將被視為非連續的。

為了打造交越頻率為 3.45 GHz 的連續雙工器組合放大器，我們換掉了圖 3 中的放大器，在高通截面放大器設計上執行功率合併以提高功率，並得到圖 4 所示的設計。在這種配置中，15W、600 至 4200 MHz ZHL-15W-422X-S+ 支援低通部分，高通側由 PMA5-83-LV+ MMIC 管理，驅動一對 6W、2000 至 8000 MHz ZVE-6W-83+ 放大器與 25W、3000 至 14500 MHz QCH-153+ 帶状線四通道正交。在此設計中，放大器的頻率性能存在大量重疊，以實現連續作。通常對雙工器進行背靠背調諧，以便在分頻區域實現最佳頻率回應，並進行放大器插入相位匹配以確保相同。

這種連續放大器的潛在應用範例之一是商用無線領域。想像一下，一家主要的電信網路運營商想要傳輸他們的 5G LTE 頻段。該電信網路運營商使用的 sub-6 GHz 頻段是 n2 （1900 MHz）、n5 （850 MHz）、n66 （1700/2100 MHz） 和 n77 （3.7-3.98 GHz）。除了 n77 之外，所有這些頻段都會在低通部分被放大，並且由於雙工器埠之間的隔離，它們的二次諧波（在 n5 的情況下為 4 次諧波）將在一定程度上衰減。這家特定電信網路運營商使用的 n3.7-3.98 GHz 部分的 n77 部分將通過高通部分順利放大，整個傳輸將包括他們所有的 5G LTE 頻段在一個水龍頭中，並將它們引導到一個天線。

• 僅振幅，表示最佳情況
• 優點是放大器不需要如此寬廣、效率低下、充滿諧波和分散式，本質上成本高昂
• 相位異常可以是建設性的或破壞性的
• 背靠背調整雙工器是最好的方法
  • 然後，您只需均衡分頻區域中PA的插入損耗
  • 可以最小幾 dB 的下降

圖 5 顯示了連續雙工器組合放大器在小信號 （放大器增益） 和飽和 （Psat） 條件下性能的理想估計。請注意，此寬頻性能是理想的，因為在計算中僅使用了幅度項，因此應考慮用於資訊目的。實際上，交越區域的相位差異並不總是導致信號幅度的建設性增加。

使用這種雙工器組合的連續寬頻放大器的另一個示例是在電子戰應用中。大多數情況下，放大器諧波和 IMD 的重要性不如全頻段頻率覆蓋。順便說一句，請注意，我們的連續設計從 500 MHz 左右開始，這對於電子戰和干擾應用來說是一個很好的起點，因為低於 500 MHz 的頻率通常會以不同的方式處理，並使用不同的輻射元件。

對於 500 MHz 以上的電子戰應用，您希望通過各種對策暫態控制整個頻譜，連續的雙工器組合放大器是一個很好的起點。

我們的重點是使用 ZDSS-3G4G-3+ 雙工器，每個埠可處理 25W 的功率。Mini-Circuits 定製產品系列中的懸掛式襯底帶狀線多路複用器當然可以處理比這更高的功率水準，但確實存在限制。當銅走線上尖角處的場強增強時，就會發生空氣的介電擊穿（電弧）。一般來說，電暈在電弧發生之前就可以看到。與局部電壓最大值相關的諧振也會導致電弧。

在本文中，我們介紹了多路複用器，並將它們歸結為最簡單的實現，即雙工器。詳細討論了 ZDSS-3G4G-3+ 雙工器，並繪製了其傳輸特性的大小與頻率的關係圖。展示了兩種獨立的雙工器放大器設計，一種是非連續的，一種是連續的。對於連續版本，描述了商用無線和 EW 領域的應用。最後，討論了懸浮襯底帶狀線多路複用器的功率限制。

1. Understanding Suspended Substrate Stripline Filters – Mini-Circuits Blog, April 26, 2022

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