CN103311613B - 一种无需匹配网络、高共模抑制的平衡微带双工器 - Google Patents
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Abstract
本发明提供一种无需匹配网络、高共模抑制的平衡微带双工器：由两个相互对称且相互连接的微带双工器构成，每个微带双工器是由第一带通滤波器和第二带通滤波器相互连接相互加载而成，分别工作在全球微波互联接入频道和无线局域网频道，其中两个带通滤波器均为采用源与负载耦合的二阶滤波器。本发明具有结构新颖、高共模抑制、低插损、高选择性、低成本的特点。
Description
技术领域
本发明涉及一种无需匹配网络、高共模抑制的平衡微带双工器，其运用于无线局域网系统和全球微波互联接入系统，属于通信领域。
背景技术
现代通信系统的集成度提高导致通信系统中的噪声增大，进而使得通信系统的信噪比降低，平衡微带双工器作为通信系统的终端元件，可以有效减小共模噪声对系统的影响，然而一般的平衡双工器共模抑制方面做的不够理想。而如果使用双边微带耦合带线结构，可以得到很高的共模抑制，但是由此带来的缺陷是电路尺寸的增大。
传统的双工器由两个带通滤波器和匹配电路构成，匹配电路通常用“T”型结或者“Y”型结，但是“T”型结和“Y”型结的存在却增大了微带双工器尺寸。如果采用共用谐振器技术，这样使得电路尺寸得以大大的减小，但是由于双工器的两个通带由共用谐振器的基频和它的二次谐波频率分别决定，这样就给共用谐振器的设计带来一定困难。如果将两个滤波器与公共端口相连接而未采用匹配网络，减小了电路尺寸，但是这类双工器都存在隔离度低、插损大等缺点。
实用新型内容
针对上述技术问题，本发明所要解决的技术问题是提供一种无需匹配网络、高共模抑制平衡微带双工器。
本发明为解决上述技术问题采用如下技术方案。
一种无需匹配网络、高共模抑制的平衡微带双工器，由形成于PCB板上的两个相互轴对称且相互连接在一起的微带双工器构成，其中每个微带双工器包括第一带通滤波器、第二带通滤波器、50欧姆公共输入馈线三，第一带通滤波器应用于全球微波互联接入（Wimax）频道，第二带通滤波器应用于无线局域网（WLAN）频道，第一带通滤波器包括50欧姆输出馈线一、50欧姆输入馈线一、谐振器一、谐振器二、短路分支线一、短路分支线二、短路分支线五，短路分支线一与50欧姆输出馈线一相连接，短路分支线二与50欧姆输入馈线一相连接，短路分支线五位于对称轴上且与谐振器二相连接，短路分支线一与短路分支线二互为镜像对称，谐振器一与谐振器二互为镜像对称，谐振器一与短路分支线一在L2长度上相耦合，谐振器二与短路分支线二在L2长度上相耦合，谐振器一与谐振器二相耦合，短路分支线一与短路分支线二在长度L1上相耦合；所述第二带通滤波器包括50欧姆输出馈线二、50欧姆输入馈线二、谐振器三、谐振器四、短路分支线三、短路分支线四、短路分支线六，短路分支线三与50欧姆输入馈线二相连接，短路分支线四与50欧姆输出馈线二相连接，短路分支线六位于对称轴上且与谐振器四相连接，短路分支线三与短路分支线四互为镜像对称，谐振器三与谐振器四互为镜像对称，谐振器三与短路分支线四在L6长度上相耦合，谐振器四与短路分支线三在L6长度上相耦合，谐振器三与谐振器四相耦合，短路分支线三与短路分支线四在长度L5上相耦合。50欧姆输入馈线一和50欧姆输入馈线二同时连接在50欧姆公共输入馈线三上，也就说第一带通滤波器和第二带通滤波器同时连接在50欧姆公共输入馈线三上，二个微带双工器共用短路分支线五22和短路分支线六23，短路分支线五的长度为L4，短路分支线六的长度为L8，L4和L8的长度是可以调节的。
谐振器一、谐振器二的总长度分别为L2+L3，谐振器三和谐振器四的总长度为L6+L7。谐振器一、谐振器二、谐振器三、谐振器四的下端位于对称轴上。当差模信号（如有用信号）通过两个输入端口P1进入平衡微带双工器系统时，如等效电路所示，平衡微带双工器在对称轴上的部分相当于短路接地，即谐振器一、谐振器二、谐振器三和谐振器四下端接地，此时谐振器一、谐振器二长度为L2+L3，谐振器三和谐振器四长度为L6+L7，均为工作波长的四分之一。当共模信号（如噪声信号）通过两个输入端口P1进入平衡微带双工器系统时，平衡微带双工器在对称轴上的部分相当于开路状态，即谐振器一、谐振器二、谐振器三和谐振器四下端均为开路，此时的谐振器一长度为L2+L3,谐振器三长度为L6+L7，均为工作波长的二分之一；谐振器二与短路分支线五连接总长度为L2+L3+L4，谐振器四与短路分支线六连接总长度为L6+L7+L8，谐振器二和谐振器四的长度均为工作波长的四分之一。两个带通滤波器均为采用源与负载耦合的二阶滤波器。第一带通滤波器中源与负载耦合的耦合长度为L1，第二带通滤波器中源与负载耦合的耦合长度为L5。本发明中短路分支一、短路分支二、短路分支三、短路分支四均采用直角形状，谐振器一、谐振器二、谐振器三、谐振器四均采用“之”形状，谐振器与短路分支相耦合，在保证耦合系数不变的情况下，谐振器与短路分支的形状谐振器可以为直线或者其他形状。
作为本发明的进一步改进：第一带通滤波器在保证耦合系数不变的情况下可以调节L1和L2长度和相应的耦合距离。
作为本发明的进一步改进：第二带通滤波器在保证耦合系数不变的情况下可以调节L5和L6长度和相应的耦合距离。
上述技术方案与现有技术相比，具有如下有益效果。
1、共膜抑制高：当共模信号（如噪声信号）通过两个输入端口P1进入平衡系统时，平衡微带双工器在对称轴上的部分相当于开路状态，即谐振器一、谐振器二、谐振器三和谐振器四下端均开路，此时的谐振器一长度为L2+L3,谐振器三长度为L6+L7，均为工作波长的二分之一，谐振器二与短路分支线五连接总长度为L2+L3+L4，谐振器四与短路分支线六连接总长度为L6+L7+L8，均为工作波长的四分之一，调整短路分支线五的长度L4，使得由谐振器二和短路分支线五连接后与短路分支线二耦合产生的传输零点恰好位于全球微波互联接入（Wimax）频道差模信号响应的通带内，调整短路分支线六的长度L8，使得由谐振器四和短路分支线六连接后与短路分支线三耦合产生的传输零点恰好位于无线局域网(WLAN)频道差模信号响应的通带内从而获得高的共模抑制，进而提高了通信系统内有用信号通带内的信噪比。
2、结构紧凑：由于相互对称的两个微带双工器均由两个带通滤波器直接用公共端口连接而不需要额外的例如“T”型结、“Y”型结或公共谐振器的匹配网络，所以能够大大减少这些匹配网络所带来的额外尺寸。当差模信号（如有用信号）通过两个输入端口P1进入平衡微带双工器系统时，第一带通滤波器对第二带通滤波器的影响相当于在第二带通滤波器的馈线上加载短路分支线二和谐振器二，将短路分支线二和谐振器二耦合产生的传输零点调整到第二带通滤波器的通带内部；同理于第二带通滤波器对第一带通滤波器的影响。所以直接将两个带通滤波器相连而不用任何匹配网络就可以实现两个滤波器的隔离，所以发明平衡微带双工器具有结构紧凑的特点。
3、频率选择性能高：第一带通滤波器和第二带通滤波器均采用源于负载耦合的二阶滤波器，通过源与负载耦合结构能够在各自的上通带附近产生一个传输零点，且各自的传输零点的位置可以通过L1、 L3分别调节，选择合适长度可以使两个频道获得陡峭的通带边缘，提高了平衡微带双工器通带内的频率选择性。
4、成本低：由于该滤波器结构仅由单层介质板外加上、下两层金属敷层构成，所以可采用目前非常成熟的单层印刷电路板（PCB）加工工艺来生产，再加上其小型化的特点，使得整个板材尺寸更小，加工成本十分低廉。
5、易于集成：由于该滤波器采用的是微带结构，体积小，重量轻，因此易于与其他电路集成。
附图说明
图1是单层印刷电路板的示意图。
图2是平衡双工器的示意图。
图3是金属化通孔的示意图。
图4 是差模信号传输时平衡双工器的等效图。
图5是共模信号传输时平衡双工器的等效图。
图6是平衡双工器的HFSS软件S参数仿真结果：Sdd21、Sdd31、Scc21、Scc31。
图7是平衡双工器的HFSS软件S参数仿真结果：Sdd11、Sdd32、SCC32。
图8是平衡双工器的通过矢量网络分析仪的S参数实测结果： Sdd21、Sdd31、Scc21、Scc31。
图9是平衡双工器的通过矢量网络分析仪的S参数实测结果： Sdd11、Sdd32、SCC32。
附图标记名称如下：1、第一带通滤波器；2、第二带通滤波器；3、50欧姆输出馈线一；4、50欧姆输入馈线一；5、谐振器一；6、谐振器二；7、短路分支线一；8、短路分支线二；9、50欧姆输出馈线二；10、50欧姆输入馈线二；11、谐振器三；12、谐振器四；13、短路分支线三；14、短路分支线四；15、50欧姆公共输入馈线三；16、金属化通孔；17、金属化通孔；18、金属化通孔；19、金属化通孔；20、金属化通孔；21、金属化通孔； 22、短路分支线五；23、短路分支线六；24、上金属贴片；25、介质基片；26、下金属贴片。
具体实施方案
为叙述方便，下文中所称的“上”、“下”与附图本身的上、下方向一致，但并不对本发明的结构起限定作用。
下面结合附图对技术方案的实施作进一步的详细描述。
本发明为一种无需匹配网络、高共模抑制的平衡微带双工器，平衡微带双工器的输出端口和输入端口分别用SMA头焊接，以便接入测试或者实用器件。
如图1所示：本发明采用相对介电常数为2.2，厚度为0.508mm的PCB板作为基板，也可以采用其他规格的PCB板作为基板。在PCB板的介质基片25的上、下表面分别包覆有上金属贴片24和下金属贴片26。
如图2所示，平衡微带双工器由形成于PCB板上的相互连接的两个微带双工器构成，二个微带双工器以AA`为对称轴对称。其中每个微带双工器包括第一带通滤波器1和第二带通滤波器2以及50欧姆公共输入馈线三15，第一带通滤波器1包括50欧姆输出馈线一3、50欧姆输入馈线一4、谐振器一5、谐振器二6、短路分支线一7、短路分支线二8、短路分支线五22，短路分支线五22位于对称轴AA`上且与谐振器二6的下端相连接，短路分支线一7与短路分支线二8互为镜像对称，谐振器一5与谐振器二6互为镜像对称，谐振器一5与短路分支线一7在L2长度上相耦合，谐振器二6与短路分支线二8在L2长度上相耦合，谐振器一5与谐振器二6相耦合，短路分支线一7与短路分支线二8在长度L1上相耦合；所述第二带通滤波器2包括50欧姆输出馈线二9、50欧姆输入馈线二10、谐振器三11、谐振器四12、短路分支线三13、短路分支线四14、短路分支线六23，其中短路分支线三13连接在50欧姆输入馈线二10上，短路分支线四14连接在50欧姆输出馈线二9上，短路分支线六23位于对称轴AA`上且与谐振器四12的下端相连接，短路分支线三13与短路分支线四14互为镜像对称，谐振器三11与谐振器四12互为镜像对称，谐振器三11与短路分支线四14在L6长度上相耦合，谐振器四12与短路分支线三13在L6长度上相耦合，谐振器三11与谐振器四12相耦合，短路分支线三13与短路分支线四14在长度L5上相耦合；谐振器一5、谐振器二6、谐振器三11和谐振器四12的下端分别位于称轴AA`上。50欧姆输入馈线一4和50欧姆输入馈线二10同时连接在50欧姆公共输入馈线三15上，短路分支线五22的长度为L4，短路分支线六23的长度为L8，L4和L8的长度是可以调节的。
如图3所示：金属化通孔16、金属化通孔17、金属化通孔18、金属化通孔19、金属化通孔20、金属化通孔21位于上金属贴片24上。与上金属贴片24相对应的，下金属贴片26上面也设置有相对应的金属化通孔，上金属贴片24与下金属贴片26通过金属化通孔相连接，且金属化通孔关于AA`轴对称。
如图4所示：差模信号传输时平衡双工器的等效图。当差模信号（如有用信号）通过两个输入端口P1进入平衡系统时，平衡微带双工器在对称轴AA`上的部分相当于短路接地，即谐振器一5、谐振器二6、谐振器三11和谐振器四12的下端接地，此时谐振器一5、谐振器二6的长度为L2+L3，谐振器三11和谐振器四12的长度为L6+L7，均为工作波长的四分之一。谐振器一5与短路分支线一7在L2长度上耦合，也就是说谐振器一5与短路分支线一7在相靠近的地方耦合；短路分支线一7与短路分支线二8在L1长度上相耦合，也就是说，短路分支线一7与短路分支线二8在谐振器一5和谐振器二6的上方相耦合。谐振器四12与短路分支线三13在L6长度上耦合，也就是说谐振器四12与短路分支线三13在相靠近的地方耦合；短路分支线三13与短路分支线四14在L5长度上相耦合，也就是说，短路分支线三13与短路分支线四14在谐振器三11和谐振器四12的上方相耦合。
如图5所示：共模信号传输时平衡双工器的等效图。当共模信号（如噪声信号）通过两个输入端口P1进入平衡系统时，平衡微带双工器在对称轴AA`上的部分相当于开路状态，即谐振器一5、谐振器二6、谐振器三11、谐振器四12在对称轴AA`上的部分均相当于开路，此时的谐振器一5长度为L2+L3，谐振器三11长度为L6+L7，均为工作波长的二分之一，谐振器二6与短路分支线五22连接总长度为L2+L3+L4，谐振器四12与短路分支线六23连接总长度为L6+L7+L8，均为工作波长的四分之一。谐振器一5和谐振器二6在L9长度上相耦合，也就是说谐振器一5和谐振器二6在相靠近的地方相耦合；谐振器三11和谐振器四12在L10长度上相耦合，也就是说谐振器三11和谐振器四12在相靠近的地方相耦合。
如图6所示：平衡双工器S参数的HFSS软件仿真结果，包括WLAN频道的差模信号插入损耗曲线Sdd21、Wimax频道的差模信号插入损耗曲线Sdd31、WLAN频道的共模信号插入损耗曲线Scc21、Wimax频道的共模信号插入损耗曲线Scc31。由图中可见，WLAN频道的差模信号插入损耗曲线的1dB相对带宽为6%，Wimax频道的差模信号插入损耗曲线的1dB相对带宽为3%；差模信号下，分别位于(2.14GHz, 3.61GHz) 和(3.39GHz, 4.53GHz)，即两个频道通带边缘的四个传输零点均小于-45dB，使得通带边缘陡峭，因此本发明平衡微带双工器具有高频率选择特性；共模信号下，分别位于2.43GHz 和 3.63GHz的传输零点都小于-62dB，并且在对应的差模信号通带内，共模响应曲线都在-43dB以下，因此本发明平衡微带双工器具有高共模抑制特性。
如图7所示：平衡双工器S参数的HFSS软件仿真结果，包括差模信号回波损耗曲线Sdd11、差模信号隔离度曲线Sdd32、共模信号隔离度曲线SCC32。
如图8所示：平衡双工器S参数通过矢量网络分析仪的实测结果，包括WLAN频道的差模信号插入损耗曲线Sdd21、Wimax频道的差模信号插入损耗曲线Sdd31、WLAN频道的共模信号插入损耗曲线Scc21、Wimax频道的共模信号插入损耗曲线Scc31。由图中可见，WLAN频道的差模信号插入损耗曲线的最小插损为1.3dB、1dB相对带宽约为6%，Wimax频道的差模信号插入损耗曲线的最小插损为1.8dB、1dB相对带宽约为3%；差模信号下，分别位于(2.18GHz, 3.69GHz) 和(3.41GHz, 4.59GHz)，即两个频道通带边缘的四个传输零点均小与-47dB，使得通带边缘陡峭，因此本发明平衡微带双工器具有高频率选择特性；共模信号下，分别位于2.45GHz 和 3.63GHz的传输零点都小于-56dB，并且在对应的差模信号通带内，共模响应曲线都在-38dB以下。实测结果和仿真结果基本吻合，进一步说明了本实用新型平衡微带双工器具有高选择性、高共模抑制特性。
如图9所示：平衡双工器S参数通过矢量网络分析仪的实测结果，包括差模信号回波损耗曲线Sdd11、差模信号隔离度曲线Sdd32、共模信号隔离度曲线SCC32。实测结果和仿真结果基本吻合。
Claims (3)
1.一种无需匹配网络、高共模抑制的平衡微带双工器，其特征在于：由形成于PCB板上的两个相互轴对称且相互连接在一起的微带双工器构成，其中每个微带双工器包括第一带通滤波器（1）、第二带通滤波器（2）、50欧姆公共输入馈线三（15），50欧姆公共输入馈线三（15）位于第一带通滤波器（1）和第二带通滤波器之间（2）之间，第一带通滤波器（1）包括50欧姆输出馈线一（3）、50欧姆输入馈线一（4）、谐振器一（5）、谐振器二（6）、短路分支线一（7）、短路分支线二（8）、短路分支线五（22），短路分支线一（7）与50欧姆输出馈线一（3）相连接，短路分支线二（8）与50欧姆输入馈线一（4）相连接，短路分支线五（22）位于对称轴上且与谐振器二（6）相连接，短路分支线一（7）与短路分支线二（8）互为镜像对称，短路分支线一(7)和短路分支线二(8)分别位于谐振器一(5)和谐振器二(6)的外侧，谐振器一（5）与谐振器二（6）互为镜像对称，谐振器一（5）与短路分支线一（7）在L2长度上相耦合，谐振器二（6）与短路分支线二（8）在L2长度上相耦合，谐振器一（5）与谐振器二（6）相耦合，短路分支线一（7）与短路分支线二（8）在长度L1上相耦合，长度L1所处的区域位于临接长度L2所处区域上方且长度L1和长度L2相互不重叠；所述第二带通滤波器（2）包括50欧姆输出馈线二（9）、50欧姆输入馈线二（10）、谐振器三（11）、谐振器四（12）、短路分支线三（13）、短路分支线四（14）、短路分支线六（23），短路分支线三（13）与50欧姆输入馈线二（10）相连接，短路分支线四（14）与50欧姆输出馈线二（9）相连接，短路分支线六（23）位于对称轴上且与谐振器四（12）相连接，短路分支线三（13）与短路分支线四（14）互为镜像对称，谐振器三（11）与谐振器四（12）互为镜像对称，短路分支线三(13)和短路分支线四(14)分别位于谐振器三(11)和谐振器四(12)的外侧，谐振器三（11）与短路分支线四（14）在L6长度上相耦合，谐振器四（12）与短路分支线三（13）在L6长度上相耦合，谐振器三（11）与谐振器四（12）相耦合，短路分支线三（13）与短路分支线四（14）在长度L5上相耦合，长度L5所处的区域位于临接长度L6所处区域上方且长度L5和长度L6相互不重叠；谐振器一（5）、谐振器二（6）、谐振器三（11）、谐振器四（12）的长度均为1/4波长，50欧姆输入馈线一（4）和50欧姆输入馈线二（10）同时连接在50欧姆公共输入馈线三（15）上，二个微带双工器共用短路分支线五（22）和短路分支线六（23），短路分支线五（22）的长度为L4，短路分支线六（23）的长度为L8，L4和L8的长度是可以调节的。
2.根据权利要求1所述的平衡微带双工器，其特征在于：第一带通滤波器（1）在保证耦合系数不变的情况下可以调节L1和L2的长度。
3.根据权利要求1所述的平衡微带双工器，其特征在于：第二带通滤波器（2）在保证耦合系数不变的情况下可以调节L5和L6的长度。
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