CN102403563A - 集成了单频带通滤波器的功率分配器 - Google Patents
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Abstract
本发明公开一种集成了单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。每一个集成了单频带通滤波器的功率分配器包括两个终端开路单频带通环形滤波器以及连接在该两个终端开路单频带通环形滤波器之间的隔离元件。集成了单频带通滤波器的功率分配器的输入阻抗与输出阻抗相同，每一个终端开路单频带通环形滤波器的输入输出阻抗为集成了单频带通滤波器的功率分配器的输入阻抗或输出阻抗的
倍。每一个终端开路单频带通环形滤波器由两个结构相同的U型半波长谐振器组成。隔离元件可以是电阻，电容或电感。本发明可用于各类射频前端系统中，同时具有功率分配和频率选择的功能，有利于器件的集成化与小型化。
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单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，为了填补这一空白，本发明提出了一种新型的集成了单频带通滤波器的功率分配器。
发明内容
本发明的目的在于克服现有技术存在的上述不足，提供集成了单频带通滤波器的功率分配器。本发明中，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。因为隔离器件摆放的特殊位置，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单频带通滤波器，所以本发明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：
集成了单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终端开路单频带通环形滤波器，两个终端开路单频带通环形滤波器结构相同，排布成上下对称的结构，两个终端开路单频带通环形滤波器共用一个输入端口作为集成了单频带通滤波器的功率分配器的输入端口,两个终端开路单频带通环形滤波器的输出端口作为集成了单频带通滤波器的功率分配器的两个输出端口。
上述集成了单频带通滤波器的功率分配器中，位于上方的终端开路单频带通环形滤波器由两个U型半波长谐振器耦合组成；两个U型半波长谐振器的结构完全相同，其中与输入端口连接的U型半波长谐振器由第二微带线、第一微带线和第三微带线依次连接组成，第一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U型半波长谐振器由第五微带线、第四微带线和第六微带线依次连接组成，第四微带线和第五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终端开路单频带通环形滤波器的第六微带线的开路端连接，另一端与位于下方的终端开路单频带通环形滤波器相应微带线的开路端连接。
上述集成了单频带通滤波器的功率分配器中，U型半波长谐振器的长度L为所述终端开路单频带通环形滤波器的谐振频率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。
上述集成了单频带通滤波器的功率分配器中，每个终端开路单频带通环形滤波器有两条耦合路径，其中，第一耦合路径为第二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六微带线上下平行的耦合部分。
上述集成了单频带通滤波器的功率分配器，当U型半波长谐振器谐振时，终端开路单频带通环形滤波器的输入端信号与输出端信号有-90°的相位偏移。
上述集成了单频带通滤波器的功率分配器中，集成了单频带通滤波器的功率分配器的输入阻抗与输出阻抗相同，每一个终端开路单频带通环形滤波器的输入输出阻抗为集成了单频带通滤波器的功率分配器的输入阻抗或输出阻抗的 
倍。
上述集成了单频带通滤波器的功率分配器中，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河技术效果：
（1）在传统的功率分配器中集成了单频带通滤波器，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功率分配器和滤波器所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）集成了单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。
附图说明
图1是集成了单频带通滤波器的功率分配器的结构图。
图2a是终端开路带通滤波器示意图。
图2b是终端开路带通滤波器的传输特性曲线图。
图3是集成了单频带通滤波器的功率分配器的结构示意图。
图4a是集成了单频带通滤波器的功率分配器的传输特性曲线图。
图4b是集成了单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，集成了单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；上层微带结构包括两个终端开路单频带通环形滤波器，两个终端开路单频带通环形滤波器结构相同，排布成上下对称的结构，两个终端开路单频带通环形滤波器共用一个输入端口作为集成了单频带通滤波器的功率分配器的输入端口,两个终端开路单频带通环形滤波器的输出端口作为集成了单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终端开路单频带通环形滤波器的第六微带线的开路端连接，另一端与位于下方的终端开路单频带通环形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。
如图2a所示，每个终端开路单频带通环形滤波器由两个U型半波长谐振器耦合组成；每个U型半波长谐振器结构相同，由微带线连接构成；与输入端口连接的U型半波长谐振器由第二微带线2、第一微带线1和第三微带3线依次连接组成，第一微带线1和第三微带线3的相交处连接到输入端口，与输出端口连接的U型半波长谐振器由第五微带线5、第四微带线4和第六微带线6依次连接组成，第四微带线4和第五微带线5的相交点连接到输出端口；U型半波长谐振器的长度L为所述终端开路单频带通环形滤波器的谐振频率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；每个终端开路单频带通环形滤波器有两条耦合路径，其中，第一耦合路径为第二微带线2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和第六微带线6上下平行的耦合部分。
集成了单频带通滤波器的功率分配器在U型半波长谐振器谐振时，终端开路单频带通环形滤波器的输入端信号与输出端信号有大约-90°的相位偏移。如图2a中所示的终端开路单频带通环形滤波器由两个U型半波长谐振器组成。当U型半波长谐振器谐振时，U型半波长谐振器上存在驻波。当驻波传播通过一个电压波腹时，相位偏移-180°。在每两个波腹之间，相位保持不变。如图2a中所示的两条耦合路径，分别标记为第一耦合路径和第二耦合路径。字母A到E按顺序标示出第一耦合路径从输入端口到输出端口的相应节点。在第一耦合路径中，B点是电压波腹点，有-180°相位偏移。因为在B点和C点之间没有电压节点，故在C点的相位偏移也是-180°。接下来，考虑到开路耦合线上信号的相位偏移是-270°，则D点信号的相位偏移是-90°。那么，E点信号的相位偏移也是-90°。第二耦合路径与第一耦合路径有完全相同的分析。其中A’到E’点为第二耦合路径的节点。E与E’节点信号的相位偏移是一样的。因此，输出端口信号相对于输入端口信号大约有-90°的相位偏移。图2b是一个带通滤波器的传输特性和相位仿真曲线。可以看出，在信号中心频率1.8GHz上有-91°的相位偏移，这体现了滤波器的-90°相位偏移特性。正是因为滤波器有-90°的相位偏移特性，因此可以用来代替传统功率分配器中用到的四分之一波长传输线，实现阻抗变换的功能。所以，当集成了单频带通滤波器的功率分配器的输入阻抗与输出阻抗相同时，每一个终端开路单频带通环形滤波器的输入输出阻抗为集成了单频带通滤波器的功率分配器的输入阻抗或输出阻抗的
倍。即构成一个典型的威尔金森功率分配器。
实施例
集成了单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3所示。介质基板的厚度为0.63mm，相对介电常数为6.15。连接在两个终端开路单频带通环形滤波器开路端之间的隔离元件由500欧姆的电阻和39纳亨的电感元件构成，以增强隔离度。如图3所示，终端开路单频带通环形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61.3°，第三微带线3的开路端与第六微带线6之间间隔的电长度θ 2 为54°，第四微带线4电长度θ 3 为45°。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4a是按照上述参数设计出来的一个集成了单频带通滤波器的功率分配器的传输特性的实际测量结果；传输特性曲线图中的横轴表示频率，纵轴表示传输特性幅度，其中S11表示集成了单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，通带的中心频率在1.78GHz上，测量到的1dB相对带宽是10.1%，测量到的在中心频点1.78GHz上包含了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，集成了单频带通滤波器的功率的插入损耗要稍大于标准的功率分配器。在通频带内，集成了单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-14dB，并且在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4b是按照上述参数设计出来的一个集成了单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。其中实际测量到的第一输出端的回波损耗S22高于-15dB；在工作频率点上，实际测量得到的第一输出端口与第二输出端口的隔离系数为-37dB。
实施例的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.集成了单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终端开路单频带通环形滤波器，两个终端开路单频带通环形滤波器的结构相同，排布成上下对称的结构，两个终端开路单频带通环形滤波器共用一个输入端口作为集成了单频带通滤波器的功率分配器的输入端口,两个终端开路单频带通环形滤波器的输出端口作为集成了单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所述集成了单频带通滤波器的功率分配器，其特征在于位于上方的终端开路单频带通环形滤波器由两个U型半波长谐振器耦合组成；两个U型半波长谐振器的结构完全相同，其中与输入端口连接的U型半波长谐振器由第二微带线、第一微带线和第三微带线依次连接组成，第一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U型半波长谐振器由第五微带线、第四微带线和第六微带线依次连接组成，第四微带线和第五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终端开路单频带通环形滤波器的第六微带线的开路端连接，另一端与位于下方的终端开路单频带通环形滤波器相应微带线的开路端连接。
3.根据权利要求2所述集成了单频带通滤波器的功率分配器，其特征在于U型半波长谐振器的长度L为所述终端开路单频带通环形滤波器的谐振频率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、第二微带线和第三微带线的长度之和。
4.根据权利要求2所述集成了单频带通滤波器的功率分配器，其特征在于每个终端开路单频带通环形滤波器有两条耦合路径，其中，第一耦合路径为第二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六微带线上下平行的耦合部分。
5.根据权利要求2所述集成了单频带通滤波器的功率分配器，其特征在于当U型半波长谐振器谐振时，终端开路单频带通环形滤波器的输入端信号与输出端信号有-90°的相位偏移。
6.根据权利要求2所述集成了单频带通滤波器的功率分配器，其特征在于集成了单频带通滤波器的功率分配器的输入阻抗与输出阻抗相同，每一个终端开路单频带通环形滤波器的输入输出阻抗为集成了单频带通滤波器的功率分配器的输入阻抗或输出阻抗的 
倍。
7.根据权利要求2~6任一项所述的集成了单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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