CN103367845A - 一种超宽带微带平衡滤波器 - Google Patents

一种超宽带微带平衡滤波器 Download PDF

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Abstract

一种超宽带微带平衡滤波器，包括对称连接结构完全相同的第一、二滤波器，第一滤波器包括：第一、二馈线和开路分支线，第A1至An谐振器和第B1至Bm发夹型谐振器，n、m为大于1的自然数，第一和第二开路分支线分别连接在第一和第二馈线的一端；第一和第二馈线的另一端作为输入端和输出端或者输出端和输入端，开路分支线、谐振器和发夹型谐振器采用平行线耦合输入输出结构，相邻单元之间存在耦合，第A1至An谐振器和第B1至Bm发夹型谐振器交错分布；其中第A1至An谐振器分别与第二滤波器的第C1至Cn谐振器相连接，第B1至Bm发夹型谐振器分别与第二滤波器的第D1至Dm发夹型谐振器有开口。本发明具有很宽的带宽，且在带内共模抑制力很高，电路简单，易于加工。

Description

一种超宽带微带平衡滤波器
技术领域：
本发明涉及一种超宽带微带平衡滤波器。
 
背景技术：
平衡滤波器在差模信号激励下具有滤波作用，且可以有效抑制环境和系统内部产生的噪声，因而广泛应用于现代无线通信电路。共模信号会降低其信噪比，所以在平衡电路设计中，要尽可能增强对共模信号的抑制水平。超宽带电路以其高速数据传输效率而得到青睐，但是在目前的技术中，超宽带微带平衡滤波器却非常少见，这是因为在很宽的频带内实现对差模信号的传输和对共模信号的抑制非常困难。有学者采用分支线与开路枝节结构实现超宽带频带内对差模信号传输和共模信号的抑制，但是所得结构尺寸较大，且频率选择性很差。
传统的交指型滤波器由n个相同的四分之一波长谐振器采用平行线耦合输入输出结构组成，其可以获得较宽的带宽，但是直接应用于平衡滤波器所得的共模抑制却非常差。因此，利用微带线结构设计具有高频率选择性和高共模抑制特性的超宽带平衡滤波器目前仍是一个挑战。
发明内容
为了解决上述问题，本发明提供了一种超宽带微带平衡滤波器，具有很宽的带宽，且在带内共模抑制力很高，电路简单，易于加工。
基于以上目的，本发明采用的技术方案是：
一种超宽带微带平衡滤波器，包括第一滤波器和第二滤波器，其特征在于；所述第一滤波器包括：第一馈线、第二馈线、第一开路分支线、第二开路分支线、第A1至第An共n个谐振器和第B1至第Bm共m个发夹型谐振器，n、m为大于1的自然数，第一开路分支线和第二开路分支线分别连接在第一馈线和第二馈线的一端；第一馈线和第二馈线的另一端作为输入端和输出端或者输出端和输入端，所述第一开路分支线、第二开路分支线、第A1至第An谐振器和第B1至第Bm发夹型谐振器采用平行线耦合输入输出结构，相邻单元之间存在耦合，所述第A1至第An谐振器和第B1至第Bm发夹型谐振器交错分布；
所述第二滤波器包括：第三馈线、第四馈线、第三开路分支线、第四开路分支线、第C1至第Cn共n个谐振器和第D1至第Dm共m个发夹型谐振器，n、m为大于1的自然数，第三开路分支线和第四开路分支线分别连接在第三馈线和第四馈线的一端；第一馈线和第二馈线的另一端作为输入端和输出端或者输出端和输入端，所述第三开路分支线、第四开路分支线、第C1至第Cn谐振器和第D1至第Dm发夹型谐振器采用平行线耦合输入输出结构，相邻单元之间存在耦合，所述第C1至第Cn谐振器和第D1至第Dm发夹型谐振器交错分布；
其中第A1至第An谐振器分别与第C1至第Cn谐振器相连接，第B1至第Bm发夹型谐振器分别与第D1至第Dm发夹型谐振器有开口。
 第A1至第An谐振器和第C1至第Cn谐振器结构相同，尺寸相等；第B1至第Bm发夹型谐振器和第D1至第Dm发夹型谐振器结构相同，尺寸相等。第B1至第Bm发夹型谐振器分别与第D1至第Dm发夹型谐振器开口对称。
所述第A1至第An谐振器结构相同，尺寸相等，所述第C1至第Cn谐振器结构相同，尺寸相等，所述第B1至第Bm发夹型谐振器结构相同，尺寸相等，所述第D1至第Dm发夹型谐振器结构相同，尺寸相等。
所述第一馈线，第二馈线，第三馈线，第四馈线的阻抗均为50欧姆。
 当n取值为3时，m取值为2；当n取值为4时,m取值为3。
 所述的m取值为n-1。
所述第A1至第An和第C1至第Cn谐振器在差模激励条件下是四分之一波长谐振器，在共模激励条件下是二分之一波长谐振器，所述的第B1至第Bm和第D1至第Dm发夹型谐振器为二分之一波长发夹型谐振器。
有益效果
由于所述滤波器由一系列开口对称的二分之一波长发夹型谐振器和二分之一波长谐振器交错分布构成，在差模信号激励下，滤波拓扑结构由n个四分之一波长谐振器和m个发夹谐振器采用平行线耦合输入输出结构组成，具有良好的频率选择性和高共模抑制特性。由于不需要通孔结构，减小了加工的复杂性。电路简单，易于加工。
附图说明：
图1是单层印刷电路板的示意图；
图2是基于发夹-交指混合结构的5阶平衡滤波器示意图；
图3是基于发夹-交指混合结构的7阶平衡滤波器示意图；
图4是差模信号激励下的基于发夹-交指混合结构的5阶平衡滤波器等效电路；
图5是差模信号激励下的基于发夹-交指混合结构的7阶平衡滤波器等效电路；
图6是共模信号激励下的基于发夹-交指混合结构的5阶平衡滤波器等效电路；
图7是共模信号激励下的基于发夹-交指混合结构的7阶平衡滤波器等效电路；
图8是基于发夹-交指混合结构的5阶微带平衡滤波器的S参数的仿真和测量结果的曲线；
图9是基于发夹-交指混合结构的7阶微带平衡滤波器的S参数的仿真和测量结果的曲线。
附图标记名称如下：
1：第一馈线；2：第二馈线；3：第一开路分支线；4：第二开路分支线；
5：第三馈线；6：第四馈线；7：第三开路分支线；8：第四开路分支线；:
A1：第A1谐振器；A2：第A2谐振器；A3：第A3谐振器；A4：第A4谐振器；
B1：第B1发夹型谐振器；B2：第B2发夹型谐振器；B3：第B3发夹型谐振器；
C1：第C1谐振器；C2：第C2谐振器；C3：第C3谐振器；C4：第C4谐振器；
D1：第D1发夹型谐振器；D2：第D2发夹型谐振器；D3：第D3发夹型谐振器；
P1：输入端口1；P2：输出端口1；
P1’：输入端口1’；P2’：输出端口1’；
S1：上金属贴片；S2：介质基板；S3：下金属贴片。
具体实施方案:
下面结合附图对技术方案的实施作进一步的详细描述：
本发明所述平衡滤波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。
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。如图1所示，在PCB板的介质基片S2的上、下表面分别包覆有上金属贴片S1和下金属贴片S3。
如图2所示，本发明所述平衡滤波器，形成于PCB板上，由两个在对称轴OO’处连接并关于其完全对称的两个微带带通滤波器（第一滤波器和第二滤波器）构成，所述滤波器由一系列开口对称的二分之一波长发夹型谐振器和二分之一波长谐振器交错分布构成，所述第一滤波器包括：第一馈线1，第二馈线2，第一开路分支线3，第二开路分支线4，第A1谐振器A1，第A2谐振器A2，第A3谐振器A3，第B1发夹型谐振器B1，第B2发夹型谐振器B2；第一开路分支线3和第二开路分支线4分别连接在第一馈线1和第二馈线2的一端；第A1谐振器A1，第A2谐振器A2，第A3谐振器A3结构相同，尺寸相等，第B1发夹型谐振器B1和第B2发夹型谐振器B2结构相同，尺寸相等；所述第一、第二开路分支线和第A1至第A3谐振器采用平行线耦合输入输出结构组成，相邻单元之间存在耦合，所述第A1至第A3谐振器和第B1至第B2发夹型谐振器交错分布形成发夹-交指混合结构。所述第二滤波器包括：第三馈线5，第四馈线6，第三开路分支线7，第四开路分支线8，第C1谐振器C1，第C2谐振器C2，第C3谐振器C3，第D1发夹型谐振器D1，第D2发夹型谐振器D2；第三开路分支线7和第四开路分支线8分别连接在第三馈线5和第四馈线6的一端；第C1谐振器C1，第C2谐振器C2，第C3谐振器C3结构相同，尺寸相等，第D1发夹型谐振器D1和第D2发夹型谐振器D2结构相同，尺寸相等；所述第一、第二开路分支线和第C1至第C3谐振器采用平行线耦合输入输出结构组成，相邻单元之间存在耦合，所述第C1至第C3谐振器和第D1至第D2发夹型谐振器交错分布形成发夹-交指混合结构。
在图2所示基于发夹-交指混合结构的5阶微带平衡滤波器基础上，通过添加谐振器单元使其成为7阶微带平衡滤波器，如图3所示。在上述5阶平衡滤波器第一滤波器的第A3谐振器A3和第二开路分支线4之间添加第B3发夹型谐振器B3和第A4谐振器A4，其中第B3发夹型谐振器B3与第B2发夹型谐振器B2结构相同，尺寸相等，第A4谐振器A4和第A1谐振器A1结构相同，尺寸相等；同样，在上述第二滤波器的第C3谐振器C3和第四开路分支线8之间添加第D3发夹谐振器D3和第C4谐振器C4，其中第D3发夹型谐振器D3与第D1发夹型谐振器D1结构相同，尺寸相等，第C4谐振器C4和第C1谐振器C1结构相同，尺寸相等；其中，第B3发夹型谐振器B3与第D3发夹型谐振器D3开口对称，第A4谐振器A4与第C4谐振器C4对称连接。
当差模信号从输入端口P1和输入端口P1’进入系统时（也可以将P2、P2’作为输入端口，P1、P1’作为输出端口），该平衡滤波器在对称轴OO’上相当于短路，由于第一滤波器和第二滤波器结构均相同，以第一滤波器为例说明，不失一般性，其等效电路如图4和图5所示。此时第A1谐振器A1、第A2谐振器A2、第A3谐振器A3（和第A4谐振器A4）一端短路，一端开路，其尺寸均为工作波长的四分之一，此时它们均为四分之一波长谐振器，第B1发夹谐振器B1、第B2发夹型谐振器B2（和第B3发夹型谐振器B3）两端开路，为工作波长的二分之一，上述谐振器交错分布，相邻谐振单元在长度为L1上存在耦合；用发夹型谐振器代替四分之一波长谐振器，可以减少差模等效电路中的四分之一波长谐振器数目，从而提高了对共模信号的抑制水平；此外，由于发夹型谐振器和四分之一波长谐振器之间的耦合可以在通带边缘处产生传输零点，从而提高了通带的频率选择性。通过调节发夹型谐振器的尺寸(L2+L3=21.3mm)，可以调整通带边缘传输零点的位置。图4为5阶微带平衡滤波器的差模信号等效电路，图5为7阶微带平衡滤波器的差模信号等效电路。滤波器阶数的增加，使得对共模信号的抑制水平更高，且频率选择性得到更大的改善。
当共模信号从输入端口P1和输入端口P1’进入系统时，该平衡滤波器在对称轴OO’上的部分相当于开路，由于第一滤波器和第二滤波器结构完全相同，以第一滤波器为例说明，不失一般性，其等效电路如图6和图7所示。此时，第A1谐振器A1、第A2谐振器A2、第A3谐振器A3（和第A4谐振器A4）两端开路，其尺寸为工作波长的二分之一，此时它们均为二分之一波长谐振器，第B1发夹型谐振器B1、第B2发夹型谐振器B2（和第B3发夹型谐振器B3）两端开路，其尺寸也是工作波长的二分之一（二者谐振频率不同），相邻谐振单元在长度L1上存在耦合。由发夹型谐振器产生的共模信号谐波被发夹型谐振器和二分之一波长谐振器耦合产生的传输零点所抑制，得到较好的共模抑制水平。共模谐波与发夹型谐振器的尺寸(L2+L3=21.3mm)有很大的关联，当L2略微减小的时候，共模谐波可以被很好的抑制，当L2取值固定的时候，适当增加L3的值，也能抑制共模谐波，且共模谐波的抑制均发生在L2和L3变化很小的范围内。图6是5阶微带平衡滤波器的共模信号等效电路，图7是7阶微带平衡滤波器的共模信号等效电路。
图8是基于发夹-交指混合结构的5阶微带平衡滤波器的S参数的仿真和测量结果的曲线，包括：差模信号插入损耗Sdd21，差模信号回波损耗Sdd11和共模信号的插入损耗Scc21。仿真采用的是HBSS软件，测试采用的是安捷伦n5230C矢量网络分析仪，下同。从图中可以看出，所述平衡滤波器在中心频率为3GHz处，其3dB相对带宽为41.3%，在整个差模信号通带内其插入损耗最小为-0.9dB，回波损耗均小于-15dB；在0.1GHz—1.88GHz以及4.1GHZ—5.06GHZ的的阻带范围内，差模信号插入损耗均低于-40dB，且在0.1GHz—4.69GHz的频率范围内，对共模信号的抑制均在-37dB以下。
图9是基于发夹-交指混合结构的7阶平衡滤波器的S参数的仿真和测量结果的曲线，包括：差模信号插入损耗Sdd21，差模信号回波损耗Sdd11和共模信号的插入损耗Scc21。由图可得，差模信号的通带范围为2.3GHz—3.59GHz，通带边缘更加陡峭，即频率选择性得以提高；在通带范围内，差模信号插入损耗仿真结果最小为-0.45dB，实测结果最小为-2dB，在0.1GHz—2.09GHz和3.99GHz—5.22GHZ的阻带范围内，差模信号的插入损耗均低于49.5dB，且在0.1GHz—4.25GHz的频率范围内，共模信号的插入损耗均小于-46.5dB。与5阶平衡滤波器对比可得，7阶滤波器具有更好的通带频率选择性，且在差模信号通带内对共模信号的抑制水平更高。

Claims (7)

1.一种超宽带微带平衡滤波器，包括第一滤波器和第二滤波器，其特征在于；所述第一滤波器包括：第一馈线、第二馈线、第一开路分支线、第二开路分支线、第A1至第An共n个谐振器和第B1至第Bm共m个发夹型谐振器，n、m为大于1的自然数，第一开路分支线和第二开路分支线分别连接在第一馈线和第二馈线的一端；第一馈线和第二馈线的另一端作为输入端和输出端或者输出端和输入端，所述第一开路分支线、第二开路分支线、第A1至第An谐振器和第B1至第Bm发夹型谐振器采用平行线耦合输入输出结构，相邻单元之间存在耦合，所述第A1至第An谐振器和第B1至第Bm发夹型谐振器交错分布；
所述第二滤波器包括：第三馈线、第四馈线、第三开路分支线、第四开路分支线、第C1至第Cn共n个谐振器和第D1至第Dm共m个发夹型谐振器，n、m为大于1的自然数，第三开路分支线和第四开路分支线分别连接在第三馈线和第四馈线的一端；第一馈线和第二馈线的另一端作为输入端和输出端或者输出端和输入端，所述第三开路分支线、第四开路分支线、第C1至第Cn谐振器和第D1至第Dm发夹型谐振器采用平行线耦合输入输出结构，相邻单元之间存在耦合，所述第C1至第Cn谐振器和第D1至第Dm发夹型谐振器交错分布；
其中第A1至第An谐振器分别与第C1至第Cn谐振器相连接，第B1至第Bm发夹型谐振器分别与第D1至第Dm发夹型谐振器有开口。
2.根据权利要求1所述的一种超宽带微带平衡滤波器，其特征在于：第A1至第An谐振器和第C1至第Cn谐振器结构相同，尺寸相等；第B1至第Bm发夹型谐振器和第D1至第Dm发夹型谐振器结构相同，尺寸相等；第B1至第Bm发夹型谐振器分别与第D1至第Dm发夹型谐振器开口对称。
3.根据权利要求1或2所述的一种超宽带微带平衡滤波器，其特征在于：所述第A1至第An谐振器结构相同，尺寸相等，所述第C1至第Cn谐振器结构相同，尺寸相等，所述第B1至第Bm发夹型谐振器结构相同，尺寸相等，所述第D1至第Dm发夹型谐振器结构相同，尺寸相等。
4.根据权利要求1或2所述的一种超宽带微带平衡滤波器，其特征在于：所述第一馈线，第二馈线，第三馈线，第四馈线的阻抗均为50欧姆。
5.根据权利要求1或2所述的一种超宽带微带平衡滤波器，其特征在于：当n取值为3时，m取值为2；当n取值为4时,m取值为3。
6.根据权利要求1或2所述的一种超宽带微带平衡滤波器，其特征在于：所述的m取值为n-1。
7.根据权利要求3所述的一种超宽带微带平衡滤波器，其特征在于：所述第A1至第An和第C1至第Cn谐振器在差模激励条件下是四分之一波长谐振器，在共模激励条件下是二分之一波长谐振器，所述的第B1至第Bm和第D1至第Dm发夹型谐振器为二分之一波长发夹型谐振器。
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