CN102403562A - 集成了双频带通滤波器的功率分配器 - Google Patents
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Abstract
Description
技术领域
本发明涉及一种具有滤波功能的功率分配器,特别涉及一种基于集成了双频带通滤波器的功率分配器,可应用于射频前端电路的带滤波功能的功率分配器。
背景技术
功率分配器是微波电路中一个基础的部分,因为其有分离和组合信号的功能,所以几乎在所有天线阵列和平衡电路中都要用到。因为可以分离出需要的频带,带通滤波器是无线通信系统中另一种不可缺少的器件。功率分配器和带通滤波器这两种器件在许多微波系统中同时存在。
在过去的几十年,有大量关于功率分配器的研究。研究的焦点在于拓宽频带,减小面积,双频响应以及谐波抑制。
另一方面,带通滤波器也是无源电路设计中重要的研究领域。单通带和多通带滤波器是两个不同的研究方向。一方面,超宽带,谐波抑制以及可调滤波器是单通带带通滤波器设计要着重考虑的。另一方面,阶梯阻抗滤波器广泛应用于多通带带通滤波器的设计。最近,又有研究表明多频响应可由开路支节加载到谐振器中心位置得到。
在很多的系统中,功率分配器以及滤波器通常需要连接在一起以实现分离和滤除信号的功能。然而,所有上面提到的功率分配器以及滤波器的研究都只是注重他们本身的特性,很少有考虑两者结合的可能性,传统的系统中通常应用离散器件实现这两个功能。但是,用离散器件会使得模块的尺寸很大。因此,为了减小尺寸,双功能器件是有需求的。同时具有分离功率信号以及频率选择功能的双功能器件已经有一些学者研究过。在K. J. Song, and Q. Xue, “Novel Ultra-Wideband (UWB) Multilayer Slotline Power Divider With Bandpass Response,” IEEE Microw. Wireless Compon. Lett., vol. 20, no. 1, pp. 13-15, Jan, 2010.中,作者完成了一个具有带通响应的超宽带功率分配器。多层微带开槽线耦合用于分离信号以及阻隔无用频率带。此外,一种兼具带通响应和谐波抑制的威尔金森功率分配器设计在文献P. Cheong, K. Lai, and K. Tam, “Compact Wilkinson Power Divider with Simultaneous Bandpass Response and Harmonic Suppression,” in 2010 IEEE MTT-S International Microwave Symposium Digest, Snaheim, USA, 2010.中被提出,在这个设计中,交叉指阶梯阻抗耦合线被用于实现所需功能。另外,在文献X. Y. Tang, and K. Mouthaan, “Filter Integrated Wilkinson Power Dividers,” Microwave and Optical Technology Letters, vol. 52, no. 12, pp. 2830-2833, Dec, 2010.中提到,Π-型传输线可以被集成到功率分配器中,然而,文章中只是提出可以用Π-型传输线而不是真正的滤波器用于实现特性。到目前为止,尚未出现真正滤波器集成到功率分配器中的器件,尤其是有双频带通特性的集成了滤波器功能的功率分配器,为了填补这一空白,本发明提出了一种新型的集成了双频带通滤波器的功率分配器。
发明内容
在本发明中,提出了一种新型的集成了双频带通滤波器的功率分配器。本设计中,滤波器用作阻抗转换器以代替传统的四分之一波长传输线。电阻,电容或电感作为隔离元件连接于两个滤波器的开路端以得到良好的隔离效果。因为隔离元件摆放的特殊位置,所提出的结构有较小的尺寸和增强的电路集成度。因为功率分配器中集成了双频带通滤波器,所以可以同时实现功率分配和频率选择的功能。
为实现本发明目的,本发明所采用的技术方案如下:
集成了双频带通滤波器的功率分配器。包括上层微带结构、隔离元件、中间层介质基板和下层接地金属板,上层微带结构和隔离元件附着在中间层介质板上表面,中间层介质板下表面为接地金属;其特征在于:上层微带结构包括两个支节线中心加载带通滤波器,两个支节线中心加载带通滤波器结构相同,排布成上下对称的结构,两个支节线中心加载带通滤波器共用一个输入端口作为集成了双频带通滤波器的功率分配器的输入端口,两个支节线中心加载带通滤波器的输出端口作为集成了双频带通滤波器的功率分配器的两个输出端口。
上述集成了双频带通滤波器的功率分配器,位于上方的支节线中心加载带通滤波器由两个开路支节线加载谐振器耦合组成,两个开路支节线加载谐振器的结构完全相同;其中与输入端口连接的开路支节线加载谐振器由第一微带线、第二微带线、第三微带线和第四微带线组成,其中第一微带线、第二微带线和第三微带线依次连接,第四微带线连接在第二微带线的中心位置形成E型结构,第二微带线和第三微带线的相交处连接到输入端口;与第一输出端口连接的开路支节线加载谐振器由第五微带线、第六微带线、第七微带线和第八微带线组成,其中第五微带线、第六微带线和第七微带线依次连接,第八微带线连接在第六微带线的中心位置形成与E型结构,第五微带线和第六微带线的相交处连接到第一输出端口;隔离元件的一端与位于上方的支节线中心加载带通滤波器第七微带线的开路端连接,另一端与位于下方的支节线中心加载带通滤波器相应微带线的开路端连接。
上述集成了双频带通滤波器的功率分配器,开路支节线加载谐振器包括一个普通的半波长谐振器以及一根加载在该普通的半波长谐振器中心位置的开路支节线,其中长度L为所述普通的半波长谐振器的谐振频率f对应的波长λ的二分之一;其中,L为实际微带线长度;实际微带线长度L为第一微带线、第二微带线、第三微带线的长度之和。
上述集成了双频带通滤波器的功率分配器,每个支节线中心加载带通滤波器有两条耦合路径,第一耦合路径为第一微带线和第五微带线上下平行的耦合部分;第二耦合路径为第三微带线和第七微带线上下平行的耦合部分。
上述集成了双频带通滤波器的功率分配器,当开路支节线加载谐振器谐振时,支节线中心加载带通滤波器的输入端信号与输出端信号有-90°的相位偏移。
上述集成了双频带通滤波器的功率分配器,集成了双频带通滤波器的功率分配器的输入阻抗与输出阻抗相同,每一个支节线中心加载带通滤波器的输入输出阻抗为集成了双频带通滤波器的功率分配器的输入阻抗或输出阻抗的 倍。
上述集成了双频带通滤波器的功率分配器,隔离元件为电阻、电容或电感。
相对于现有技术,本发明具有如下优点:
(1)在传统的功率分配器中集成了双频带通滤波器,可以同时实现功率分配和过滤信号的功能,而且尺寸比由分立的的功率分配器和滤波器组成的模块有较大的减小,有利于射频前端系统的集成化以及小型化。
(2)集成了双频带通滤波器的功率分配器有比传统的由分立的功率分配器和滤波器组成的模块更低的插入损耗。
(3)集成了双频带通滤波器的功率分配器由于集成了支节线中心加载带通滤波器,可以获得双频带通相应。
附图说明
图1是集成了双频带通滤波器的功率分配器的结构图;
图2是集成了双频带通滤波器的功率分配器的结构示意图;
图3a是集成了双频带通滤波器的功率分配器的传输特性曲线图;
图3b是集成了双频带通滤波器的功率分配器的输出回波损耗和隔离系数曲线图。
具体实施方案
下面结合附图对本发明作进一步详细的说明,但本发明要求保护的范围并不局限于下例表述的范围。
如图1所示,包括上层微带结构,隔离元件,中间层介质基板和下层接地金属板,上层微带结构和隔离元件附着在中间层介质板上表面,中间层介质板下表面为接地金属;其特征在于:上层微带结构包括两个支节线中心加载带通滤波器,两个支节线中心加载带通滤波器结构相同,排布成上下对称的结构,两个支节线中心加载带通滤波器共用一个输入端口作为集成了双频带通滤波器的功率分配器的输入端口,两个支节线中心加载带通滤波器的输出端口作为集成了双频带通滤波器的功率分配器的两个输出端口;隔离元件的一端与位于上方的支节线中心加载带通滤波器第七微带线的开路端连接,另一端与位于下方的支节线中心加载带通滤波器相应微带线的开路端连接以增强隔离度。其中,隔离元件可以是电阻,电容或电感。每个支节线中心加载带通滤波器由两个开路支节线加载谐振器耦合组成;每个开路支节线加载谐振器结构相同,由微带线连接构成;其中与输入端口连接的开路支节线加载谐振器由第一微带线1、第二微带线2、第三微带线3和第四微带线4组成,其中第一微带线1、第二微带线2和第三微带线3依次连接,第四微带线4连接在第二微带线2的中心位置形成E型结构,第二微带线2和第三微带线3的相交处连接到输入端口;与第一输出端口连接的开路支节线加载谐振器由第五微带线5、第六微带线6、第七微带线7和第八微带线8组成,其中第五微带线5、第六微带线6和第七微带线7依次连接,第八微带线8连接在第六微带线6的中心位置形成与E型结构,第五微带线5和第六微带线6的相交处连接到第一输出端口;开路支节线加载谐振器包括一个普通的半波长谐振器以及一根加载在该普通半波长谐振器中心位置的开路支节线,其中长度L为所述普通的半波长谐振器的谐振频率f对应的波长λ的二分之一;其中,L为实际微带线长度;实际微带线长度L为第一微带线1、第二微带线2、第三微带线3的长度之和;每个支节线中心加载带通滤波器有两条耦合路径,其中第一耦合路径为第一微带线1和第五微带线5上下平行的耦合部分;第二耦合路径为第三微带线3和第七微带线7上下平行的耦合部分。
实施例
集成了双频带通滤波器的功率分配器的结构如图1所示,有关尺寸规格如下图2 所示。介质基板的厚度为0.63mm,相对介电常数为6.15。连接在两个支节线中心加载带通滤波器开路端之间的隔离元件采用400欧姆的电阻,以增强隔离度。如图2所示,滤波器的各微带线尺寸参数如下:第三微带线3的电长度θ 1 为71°,第三微带线3与第七微带线7之间的耦合区间电长度θ 2 为42°,第三微带线3的开路端与第六带线6之间的间隔电长度θ 3 为28°,第六微带线6的电长度θ 4 为41°,第四微带线4的电长度θ 5 为26°。选择这些微带线各自的电长度,以获得所需的输入、输出阻抗特性、频带内传输特性和频带外衰减特性。
图3a是按照上述参数设计出来的一个集成了双频带通滤波器的功率分配器的传输特性曲线的实际测量结果;传输特性曲线图中的横轴表示频率,纵轴表示传输特性,其中S11表示集成了双频带通滤波器的功率分配器输入端口的回波损耗,S21表示当输入端口匹配时,从第一输出端口到输入端口的插入损耗,S31表示当输入端口匹配时,从第二输出端口到输入端口的插入损耗;实际测量是使用E5071C网络分析仪来完成的,由实际测量结果可见,实际测量得到的插入损耗曲线S21和S31基本重合,两个通带的中心频率分别在1.8GHz和2.96GHz上,测量到的1dB相对带宽分别是8.3%和5.9%;在1.8GHz频点上测量到的包含了SMA连接器的插入损耗S21和S31均为-3.8dB,在2.96GHz频点上测量到的包含了SMA连接器的插入损耗S21和S31均为-3.9dB。由于集成了滤波器的缘故,集成了双频带通滤波器的功率分配器的插入损耗要稍大于标准的功率分配器。在两个通频带内,实际测量到的集成了双频带通滤波器的功率分配器输入端口的回波损耗S11都高于-10dB。并且在每个通带两边各有一个传输零点,大大的改善了功率分配器中滤波功能的滚降特性。图3b是按照上述参数设计出来的一个集成了双频带通滤波器的功率分配器的传输特性曲线的实际测量结果;传输特性曲线图中的横轴表示频率,纵轴表示传输特性,其中,S22表示第一输出端口的回波损耗曲线,S23表示第一输出端口与第二输出端口的隔离系数。其中实际测量到的两个通带内的第一输出端口的回波损耗S22都高于-10dB;在1.8GHz频点上,测量到的第一输出端口与第二输出端口的隔离系数S23为-26dB,在2.96GHz频点上,测量到的第一输出端口与第二输出端口的隔离系数S23为-20dB。
实施例的仿真和实测结果表明本发明器件有两个功能,不但可以平均分配输入能量,还可以筛选出所需要的频段。
以上所述仅为本发明的较佳实例而已,并不用以限制本发明,凡在本发明的精神和原则之内,所作的任何修改、等同替换、改进等,均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (7)
1.集成了双频带通滤波器的功率分配器,包括上层微带结构、隔离元件、中间层介质基板和下层接地金属板,上层微带结构和隔离元件附着在中间层介质板上表面,中间层介质板下表面为接地金属;其特征在于:上层微带结构包括两个支节线中心加载带通滤波器,两个支节线中心加载带通滤波器结构相同,排布成上下对称的结构,两个支节线中心加载带通滤波器共用一个输入端口作为集成了双频带通滤波器的功率分配器的输入端口,两个支节线中心加载带通滤波器的输出端口作为集成了双频带通滤波器的功率分配器的两个输出端口。
2.根据权利要求1所述集成了双频带通滤波器的功率分配器,其特征在于位于上方的支节线中心加载带通滤波器由两个开路支节线加载谐振器耦合组成,两个开路支节线加载谐振器的结构完全相同;其中与输入端口连接的开路支节线加载谐振器由第一微带线、第二微带线、第三微带线和第四微带线组成,其中第一微带线、第二微带线和第三微带线依次连接,第四微带线连接在第二微带线的中心位置形成E型结构,第二微带线和第三微带线的相交处连接到输入端口;与第一输出端口连接的开路支节线加载谐振器由第五微带线、第六微带线、第七微带线和第八微带线组成,其中第五微带线、第六微带线和第七微带线依次连接,第八微带线连接在第六微带线的中心位置形成与E型结构,第五微带线和第六微带线的相交处连接到第一输出端口;隔离元件的一端与位于上方的支节线中心加载带通滤波器的第七微带线的开路端连接,另一端与位于下方的支节线中心加载带通滤波器相应微带线的开路端连接。
3.根据权利要求2所述集成了双频带通滤波器的功率分配器,其特征在于开路支节线加载谐振器包括一个普通的半波长谐振器以及一根加载在该普通的半波长谐振器中心位置的开路支节线,其中长度L为所述普通的半波长谐振器的谐振频率f对应的波长λ的二分之一;其中,L为实际微带线长度;实际微带线长度L为第一微带线、第二微带线、第三微带线的长度之和。
4.根据权利要求2所述集成了双频带通滤波器的功率分配器,其特征在于每个支节线中心加载带通滤波器有两条耦合路径,第一耦合路径为第一微带线和第五微带线上下平行的耦合部分;第二耦合路径为第三微带线和第七微带线上下平行的耦合部分。
5.根据权利要求2所述集成了双频带通滤波器的功率分配器,其特征在于当开路支节线加载谐振器谐振时,支节线中心加载带通滤波器的输入端信号与输出端信号有-90°的相位偏移。
7.根据权利要求2所述的集成了双频带通滤波器的功率分配器,其特征在于隔离元件为电阻、电容或电感。
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