CN102832433B - 集成带通滤波功能的非等分功率分配器 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了集成带通滤波功能的非等分功率分配器，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。每一个集成带通滤波功能的非等分功率分配器包括两个单频带通滤波电路以及连接在该两个单频带通滤波电路之间的隔离元件。非等分功率分配器的输入阻抗与输出阻抗相同，每一个单频带通滤波电路的输入输出阻抗可通过改变谐振器之间的耦合强度和端口位置进行调节以进行不同比率的功率分配并实现匹配。本发明可以省去传统威尔金森非等分功分器在输出端口处所需要的四分之一波长的阻抗变换段，有效减小了尺寸。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，特别涉及一种可应用于射频前端电路的集成单频带通滤波功能的非等分功率分配器。
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，所以在很多天线阵列和平衡电路中都要用到。而带通滤波电路是无线通信系统中另一种不可缺少的部分，因其可以分离出需要的频带。这两种元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。与此同时，带通滤波电路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电路是两个不同的研究方向。研究的焦点在于减小体积、提高频率选择性、灵活控制多个通带的工作频率及带宽、增加传输零点等方面。
在很多的射频子系统中，功率分配器以及滤波电路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电路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，但是这样尺寸会很大。
而具有双重功能的单一器件能同时具有两种功能，可以满足小型化的要求。同时具备分离/组合功率信号以及频率选择的双功能器件已经有一些学者研究过。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，文章中只是用Π-型传输线，其滤波功能有待提高。
此外，在射频电路中,经常会有射频功率不平衡分配的需求,因此非等分微带功分器在实际射频电路中有着重要的应用价值。相对于等分功分器,非等分微带功分器的设计要更复杂一些，在实现功率不平衡分配的同时要求功分器的体积尽量小，易集成。在文献D. Hawatmeh，K.A. Shamaileh and N. Dib, “Design and Analysis of Compact Unequal-Split Wilkinson Power Divider Using Non-Uniform Transmission Lines，” Applied Electrical Engineering and Computing Technologies, pp.1-6, Dec, 2011.中作者用非均匀输线路代替传统的均匀传输线，有效减少了尺寸，但是这种结构仍然需要在输出端口位置加一段四分之一波长阻抗变换段，尺寸没能进一步减小，而且没有滤波功能。
考虑到小尺寸和射频功率不平衡分配的需求，本发明提出了一种新型的集成带通滤波功能的非等分功率分配器。相对于传统的威尔金森功分器需要在输出端口处加入四分之一波长阻抗变换段，本发明提出的设计可以省去该四分之一波长阻抗变换段，有效减小了尺寸，同时实现了功率的不平衡分配。
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，提出了集成带通滤波功能的非等分功率分配器。本发明中，单频带通滤波电路用作阻抗转换器以代替传统的四分之一波长传输线。位于上方的单频带通滤波电路和位于下方的单频带通滤波电路的输入阻抗不同，从而可以实现不等分的功率分配。且两个单频带通滤波电路的输入输出阻抗可通过改变谐振器之间的耦合强度和端口位置进行调节以进行不同比率的功率分配并实现匹配，相比于滤波电路与非等分功分器的级联结构, 这种结构可以省去传统威尔金森非等分功分器在输出端口处所需要的四分之一波长的阻抗变换段，有效减小了尺寸。电阻，电容或电感作为隔离元件连接于两个单频带通滤波电路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，能提高电路的集成度。因为功率分配器中集成了单频带通滤波电路，且两个单频带通滤波电路的输入阻抗不同，所以可以同时实现频率选择和非等分的功率分配的功能。
为实现本发明目的，本发明所采用的技术方案如下：
集成带通滤波功能的非等分功率分配器，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单频带通滤波电路，两个单频带通滤波电路输入阻抗不同，以实现功率的不等分配，两个单频带通滤波电路共用一个输入端口作为集成带通滤波功能的非等分功率分配器的输入端口I/P, 两个单频带通滤波电路的输出端口作为集成带通滤波功能的非等分功率分配器的第一输出端口O/P1和第二输出端口O/P2。
上述集成带通滤波功能的非等分功率分配器，位于上方的单频带通滤波电路由三个四分之一波长谐振器耦合组成，分别为第一谐振器、第二谐振器和第三谐振器；其中第一谐振器为依次连接的第一微带线、第二微带线、第三微带线和第四微带线构成的始端开路，末端接地的微带线；第二谐振器为依次连接的第五微带线、第六微带线、第七微带线、第八微带线、第九微带线和第十微带线构成的始端接地，末端开路的微带线；第三谐振器为依次连接的第十一微带线、第十二微带线、 第十三微带线、第十四微带线和第十五微带线构成的始端接地，末端开路的微带线；其中第二微带线和第十三微带线耦合，第三微带线和第十二微带线耦合，第四微带线和第五微带线耦合，第五微带线的一端和第十一微带线的一端耦合；第一谐振器的开路端与输入端口I/P相连接，第三谐振器的第十三微带线与第一输出端口O/P相连接；位于下方的单频带通滤波电路由三个四分之一波长谐振器耦合组成，分别为第四谐振器、第五谐振器和第六谐振器；其中第四谐振器为依次连接的第十六微带线、第十七微带线、第十八微带线和第十九微带线构成的始端开路，末端接地的微带线；第五谐振器为依次连接的第二十微带线、第二十一微带线、第二十二微带线、第二十三微带线、第二十四微带线和第二十五微带线构成的始端接地，末端开路的微带线；第六谐振器为依次连接的第二十六微带线、第二十七微带线、 第二十八微带线、第二十九微带线和第三十微带线构成的始端接地，末端开路的微带线；其中第十七微带线和第二十九微带线耦合，第十八微带线和第二十八微带线耦合，第十九微带线和第二十微带线耦合，第二十微带线的一端和第二十七微带线的一端耦合；第四谐振器的开路端与输入端口I/P相连接，第六谐振器的第二十八微带线与第二输出端口O/P相连接；隔离元件的一端与位于上方的第二谐振器的开路端连接，另一端与位于下方的第五谐振器的开路端连接。
上述集成带通滤波功能的非等分功率分配器，位于上方的单频带通滤波电路和位于下方的单频带通滤波电路的输入阻抗不同，从而可以实现不等分的功率分配。每一个单频带通滤波电路的输入输出阻抗可通过改变谐振器之间的耦合强度和端口位置进行调节以进行不同比率的功率分配和实现匹配，并且相比于滤波电路与非等分功分器的级联结构, 这种结构可以省去传统威尔金森非等分功分器在输出端口处所需要的四分之一波长的阻抗变换段，有效减小了尺寸。
上述集成带通滤波功能的非等分功率分配器，四分之一波长谐振器的长度L为所述单频带通滤波电路的谐振频率f对应的波长λ的四分之一；其中，L为实际微带线长度。
上述集成带通滤波功能的非等分功率分配器，单频带通滤波电路通带左右传输零点由谐振器间的交叉耦合产生。
上述集成带通滤波功能的非等分功率分配器，隔离元件36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带通滤波功能，可以同时实现功率分配和过滤信号的功能。
（2）可通过改变谐振器之间的耦合强度和端口位置改变单频滤波电路的输入阻抗以获得不同比率的功率分配，并且相比于滤波电路与非等分功分器的级联结构, 这种结构可以省去传统威尔金森非等分功分器在输出端口处所需要的四分之一波长的阻抗变换段，尺寸有较大减小，有利于射频前端系统的集成化以及小型化。
（3）集成带通滤波功能的非等分功率分配器有比传统的分立的功率分配器和滤波器组合而成的系统有更低的插入损耗。
附图说明
图1是2:1的集成带通滤波功能的非等分功率分配器的结构图；
图2是单频带通滤波电路的传输特性曲线图；
图3是4:1的集成带通滤波功能的非等分功率分配器的结构图；
图4a是2:1的集成带通滤波功能的非等分功率分配器的传输特性曲线图；
图4b是2:1的集成带通滤波功能的非等分功率分配器的输出回波损耗和隔离系数；
图5a是4:1的集成带通滤波功能的非等分功率分配器的传输特性曲线图；
图5b是4:1的集成带通滤波功能的非等分功率分配器的输出回波损耗和隔离系数。
具体实施方式
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单频带通滤波电路，两个单频带通滤波电路输入阻抗不同，以实现功率的不等分配，两个单频带通滤波电路共用一个输入端口作为集成带通滤波功能的非等分功率分配器的输入端口I/P, 两个单频带通滤波电路的输出端口作为集成带通滤波功能的非等分功率分配器的第一输出端口O/P1和第二输出端口O/P2；第一隔离元件36的一端与位于上方的第二谐振器2的开路端连接，另一端与位于下方的第五谐振器5的开路端连接。其中，第一隔离元件36可以是电阻，电容或电感。
如图1所示，每个单频带通滤波电路由三个四分之一波长谐振器耦合组成；四分之一波长谐振器的长度L为所述单频带通滤波电路的谐振频率f对应的波长λ的四分之一；其中，L为实际微带线长度。
如图1所示，位于上方的单频带通滤波电路由三个四分之一波长谐振器耦合组成，分别为第一谐振器1、第二谐振器2和第三谐振器3；其中第一谐振器1为依次连接的第一微带线7、第二微带线8、第三微带线9和第四微带线10构成的始端开路，末端接地的微带线；第二谐振器2为依次连接的第五微带线11、第六微带线12、第七微带线13、第八微带线14、第九微带线15和第十微带线16构成的始端接地，末端开路的微带线；第三谐振器3为依次连接的第十一微带线17、第十二微带线18、 第十三微带线19、第十四微带线20和第十五微带线21构成的始端接地，末端开路的微带线；其中第二微带线8和第十三微带线19耦合，第三微带线9和第十二微带线18耦合，第四微带线10和第五微带线11耦合，第五微带线11的一端和第十一微带线17的一端耦合；第一谐振器1的开路端与输入端口I/P相连接，第三谐振器3的第十三微带线19与第一输出端口O/P1相连接；位于下方的单频带通滤波电路由三个四分之一波长谐振器耦合组成，分别为第四谐振器4、第五谐振器5和第六谐振器6；其中第四谐振器4为依次连接的第十六微带线22、第十七微带线23、第十八微带线24和第十九微带线25构成的始端开路，末端接地的微带线；第五谐振器5为依次连接的第二十微带线26、第二十一微带线27、第二十二微带线28、第二十三微带线29、第二十四微带线30和第二十五微带线31构成的始端接地，末端开路的微带线；第六谐振器6为依次连接的第二十六微带线31、第二十七微带线32、 第二十八微带线33、第二十九微带线34和第三十微带线35构成的始端接地，末端开路的微带线；其中第十七微带线23和第二十九微带线34耦合，第十八微带线24和第二十八微带线33耦合，第十九微带线25和第二十微带线26耦合，第二十微带线26的一端和第二十七微带线32的一端耦合；第四谐振器4的开路端与输入端口I/P相连接，第六谐振器6的第二十八微带线与第二输出端口O/P2相连接。
如图1所示，位于上方的方框内的单频带通滤波电路输入阻抗为150欧姆，输出阻抗为50欧姆。图2是这个单频带通滤波电路的幅度仿真响应。
每一个单频带通滤波电路的输入输出阻抗可通过改变谐振器之间的耦合强度和端口位置进行调节以进行不同比率的功率分配并实现匹配，并且相比于滤波电路与非等分功分器的级联结构, 这种结构可以省去传统威尔金森非等分功分器在输出端口处所需要的四分之一波长的阻抗变换段。如图1中所示的位于上方的单频带通滤波电路，其输入阻抗为75欧姆，输出阻抗为50欧姆；位于下方的单频带通滤波电路，其输入阻抗为150欧姆，输出阻抗为50欧姆。这两个单频带通滤波电路相当于并联，那么并联后的电路输入阻抗刚好与50欧姆匹配，功率分配比率为2:1。又如图3中所示位于上方的单频带通滤波电路（其输入、输出端口与图1对应），其输入阻抗为62.5欧姆，输出阻抗为50欧姆；位于下方的单频带通滤波电路，其输入阻抗为250欧姆，输出阻抗为50欧姆，功率分配比率为4:1。正是因为单频带通滤波电路的输入输出阻抗可通过改变谐振器之间的耦合强度和端口位置进行调节以获得不同比率的功率分配并实现匹配，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，并且仅通过调节输入输出阻抗便可以达到匹配状态，可以省去传统威尔金森非等分功分器在输出端口处所需要的四分之一波长的阻抗变换段。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，并联两个单频带通滤波电路，且在两个电路间并接一个隔离电阻，即构成一个典型的威尔金森功率分配器。
实施例
功率分配比率为2:1的集成带通滤波功能的非等分功率分配器的结构如图1所示，介质基板的厚度为0.81mm，相对介电常数为3.38。连接在单频带通滤波电路之间的隔离元件36采用5.1k欧姆的电阻，以增强隔离度。功率分配比率为4:1的集成带通滤波功能的非等分功率分配器的结构如图3所示，介质基板的厚度为0.81mm，相对介电常数为3.38。连接在单频带通滤波电路之间的第二隔离元件37采用12k欧姆的电阻，以增强隔离度。按照图1和图3设计功率分配器，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是按照上述图1设计出来的一个集成带通滤波功能的非等分功率分配器的传输特性的仿真结果；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表示集成带通滤波功能的非等分功率分配器的回波损耗，S21表示从输入端口I/P到第一输出端口O/P1的插入损耗，S31表示从输入端口I/P到第二输出端口O/P2的插入损耗；由仿真结果可见，通带的中心频率在2GHz，在中心频点的插入损耗S21为-2.7dB，S31为-5.7dB。由于集成了单频带通滤波电路的缘故，集成带通滤波功能的非等分功率分配器的插入损耗要稍大于标准的功率分配器。在中心频点，集成带通滤波功能的非等分功率分配器的回波损耗S11为 -44dB，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是按照上述图1设计出来的一个集成带通滤波功能的非等分功率分配器的输出回波损耗S22，S33和隔离系数S23 的仿真结果。在中心频点上的输出回波损耗S22为-17dB，S33为-25dB,端口2与端口3的隔离系数S23为-20dB。
图5a是按照上述图3设计出来的一个集成带通滤波功能的非等分功率分配器的传输特性的仿真结果；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表示集成带通滤波功能的非等分功率分配器的回波损耗，S21表示输入端口匹配时，从第一输出端口到输入端口的插入损耗，S31表示输入端口匹配时，从第二输出端口到输入端口的插入损耗；由仿真结果可见，通带的中心频率在2GHz，在中心频点的插入损耗S21为-2.2dB，S31为-8.2dB。由于集成了单频带通滤波电路的缘故，集成带通滤波功能的非等分功率分配器的插入损耗要稍大于标准的功率分配器。在中心频点，集成带通滤波功能的非等分功率分配器的回波损耗S11为 -36dB，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5b是按照上述图3设计出来的一个集成带通滤波功能的非等分功率分配器的输出回波损耗S22，S33和隔离系数S23 的仿真结果。在中心频点上的输出回波损耗S22为-13dB，S33为-27dB,端口2与端口3的隔离系数S23为-21dB。
实施例的仿真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 (5)
1.集成带通滤波功能的非等分功率分配器，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单频带通滤波电路，两个单频带通滤波电路输入阻抗不同，以实现功率的不等分配，两个单频带通滤波电路共用一个输入端口作为集成带通滤波功能的非等分功率分配器的输入端口(I/P),两个单频带通滤波电路的输出端口作为集成带通滤波功能的非等分功率分配器的第一输出端口(O/P1)和第二输出端口(O/P2)；位于上方的单频带通滤波电路由三个四分之一波长谐振器耦合组成，分别为第一谐振器(1)、第二谐振器(2)和第三谐振器(3)；其中第一谐振器(1)为依次连接的第一微带线(7)、第二微带线(8)、第三微带线(9)和第四微带线(10)构成的始端开路，末端接地的微带线；第二谐振器(2)为依次连接的第五微带线(11)、第六微带线(12)、第七微带线(13)、第八微带线(14)、第九微带线(15)和第十微带线(16)构成的始端接地，末端开路的微带线；第三谐振器(3)为依次连接的第十一微带线(17)、第十二微带线(18)、第十三微带线(19)、第十四微带线(20)和第十五微带线(21)构成的始端接地，末端开路的微带线；其中第二微带线(8)和第十三微带线(19)耦合，第三微带线(9)和第十二微带线(18)耦合，第四微带线(10)和第五微带线(11)耦合，第五微带线(11)的一端和第十一微带线(17)的一端耦合；第一谐振器(1)的开路端与输入端口(I/P)相连接，第三谐振器(3)的第十三微带线(19)与第一输出端口(O/P1)相连接；位于下方的单频带通滤波电路由三个四分之一波长谐振器耦合组成，分别为第四谐振器(4)、第五谐振器(5)和第六谐振器(6)；其中第四谐振器(4)为依次连接的第十六微带线(22)、第十七微带线(23)、第十八微带线(24)和第十九微带线(25)构成的始端开路，末端接地的微带线；第五谐振器(5)为依次连接的第二十微带线(26)、第二十一微带线(27)、第二十二微带线(28)、第二十三微带线(29)、第二十四微带线(30)和第二十五微带线(31)构成的始端接地，末端开路的微带线；第六谐振器(6)为依次连接的第二十七微带线(32)、 第二十八微带线(33)、第二十九微带线(34)和第三十微带线(35)构成的始端接地，末端开路的微带线；其中第十七微带线(23)和第二十九微带线(34)耦合，第十八微带线(24)和第二十八微带线(33)耦合，第十九微带线(25)和第二十微带线(26)耦合，第二十微带线(26)的一端和第二十七微带线(32)的一端耦合；第四谐振器(4)的开路端与输入端口(I/P)相连接，第六谐振器(6)的第二十八微带线与第二输出端口(O/P2)相连接；隔离元件的一端与位于上方的第二谐振器(2)的开路端连接，另一端与位于下方的第五谐振器(5)的开路端连接。
2.根据权利要求1所述集成带通滤波功能的非等分功率分配器，其特征在于位于上方的单频带通滤波电路和位于下方的单频带通滤波电路的输入阻抗不同，从而实现不等分的功率分配；每一个单频带通滤波电路的输入输出阻抗可通过改变谐振器之间的耦合强度和端口位置进行调节以进行不同比率的功率分配和实现匹配。
3.根据权利要求1所述集成带通滤波功能的非等分功率分配器，其特征在于四分之一波长谐振器的长度L为所述单频带通滤波电路的谐振频率f对应的波长λ的四分之一；其中，L为实际微带线长度。
4.根据权利要求1所述集成带通滤波功能的非等分功率分配器，其特征在于单频带通滤波电路通带左右传输零点由谐振器间的交叉耦合产生。
5.根据权利要求1~4任一项所述的集成带通滤波功能的非等分功率分配器，其特征在于隔离元件(36)为电阻、电容或电感。
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