CN103700917B - 具有高功分比的Gysel功分滤波器 - Google Patents

具有高功分比的Gysel功分滤波器 Download PDF

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Abstract

本发明公开具有高功分比Gysel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。每一个高功分比Gysel非等分功率分配器包括两个具有90度相位差的阻抗变换器、四个不同特性阻抗的四分之一波长的分支线和两个隔离电阻组成。每一个阻抗变换器的输入输出阻抗可通过改变谐振器的耦合强度进行调节以进行不同比率的功率分配并实现匹配。相比于输入端口和输出端口之间用四分之一波长阻抗线的Gysel功分器，这种结构可以实现高功分比，它的带宽可以被任意的控制，同时，在通带边缘可以创建两个传输零点，提高频率选择性。本发明具有高达10:1的功分比，可适用于很多天线阵列领域。

Description

具有高功分比的Gysel功分滤波器
技术领域
本发明涉及一种具有高功分比的功率分配器，具体涉及可应用于射频前端电路带滤波功能的具有高功分比的Gysel功分滤波器。
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。
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。
在很多的高功率的射频系统中，任意的功分比被需要，然而高功率的电路在散热方面要求高，传统的威尔金森功分器难以实现，相比之下，Gysel功分器的外部电阻就能很好的散热，过去的研究无论实在威尔金森还是在Gysel功分器的基础上改变功分比都没能达到高功分比的效果。大多只局限于改变微带线的阻抗来改变功分比，但是高的功分比要求高阻抗的微带线，这一点在实际中很难实现。
考虑到射频前端高功分比天线阵列的需求，本发明提出了一种新型的具有高功分比的Gysel功分滤波器。相对于传统的Gysel功分滤波器，此发明在中心频率处加一个90度相移的阻抗变换器去替代功分滤波器中那四分之一波长的高阻抗微带线。这样设计后，功分比可以到达10:1，带宽可以被任意的控制，同时，在通带边缘可以创建两个传输零点，提高频率选择性。
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，提出具有高功分比的Gysel功分滤波器。本发明中，每一个高功分比Gysel非等分功率分配器包括两个具有90度相位差的阻抗变换器、四个不同特性阻抗的四分之一波长的分支线和两个隔离电阻。每一个阻抗变换器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。相比于输入端口和输出端口之间用四分之一波长阻抗线的Gysel功分器，这种结构可以实现高功分比，它的带宽可以被任意的控制，同时，在通带边缘可以创建两个传输零点，提高频率选择性。因为功率分配器中加入了具有滤波功能的阻抗变换器，改变阻抗变换器的耦合强度可以改变滤波器输入阻抗的大小，所以可以同时实现频率选择和高功分比的功率分配的功能。
为实现本发明目的，本发明所采用的技术方案如下：
具有高功分比的Gysel功分滤波器，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；上层微带结构包括两个具有90度相移的阻抗变换器和四个不同特性阻抗的四分之一波长分支线；两个阻抗变换器的谐振器间距不同，两个阻抗变换器共用一个输入端口作为具有高功分比的Gysel功分滤波器的输入端口(I/P),两个阻抗变换器的输出端口作为具有高功分比的Gysel功分滤波器的第一输出端口(O/P1)和第二输出端口(O/P2)；四个四分之一波长分支线在第一输出端口O/P1和第二输出端口O/P2之间顺次连接；隔离元件包括第一隔离电阻和第二隔离电阻；第一隔离电阻在第一四分之一波长分支线与第二四分之一波长分支线之间，第二隔离电阻在第三四分之一波长分支线与第四四分之一波长分支线之间。
上述具有高功分比的Gysel功分滤波器，位于输出端口O/P1和输出端口O/P2之间的四个四分之一波长分支线特性阻抗不同，以实现输出端口之间的良好隔离与匹配；第一隔离电阻在第一四分之一波长分支线与第二四分之一波长分支线之间，第二隔离电阻在第三四分之一波长分支线与第四四分之一波长分支线之间，以实现输出端口之间的良好隔离。
上述具有高功分比的Gysel功分滤波器，位于上方的阻抗变换器由两个半波长谐振器耦合组成，分别为第一谐振器和第二谐振器；其中第一谐振器是由第一微带线、第二微带线、第三微带线、第四微带线、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、第十微带线、第十一微带线、第十二微带线、第十三微带线、第十四微带线连接组成的一端开路的微带线；第二谐振器是由与第一谐振器中心对称的微带线连接而成；其中第一谐振器的第一微带线与输入端口(I/P)相连接，第二谐振器的微带线中相对应的微带线与第一输出端口(O/P1)相连接；位于下方的阻抗变换器由两个半波长谐振器耦合组成，分别为第三谐振器和第四谐振器；其中第三谐振器是由第十五微带线、第十六微带线、第十七微带线、第十八微带线、第十九微带线、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、第二十五微带线、第二十六微带线、第二十七微带线、第二十八微带线连接组成的一端开路的微带线；第四谐振器由与第三谐振器中心对称的微带线连接而成；第三谐振器的第十五微带线与输入端口(I/P)相连接，第四谐振器的微带线中相对应的微带线与第二输出端口(O/P2)相连接；不同特性阻抗的四分之一波长分支线由第一四分之一波长分支线、第二四分之一波长分支线、第三四分之一波长分支线、第四四分之一波长分支线组成；其中第一四分之一波长分支线由第二十九微带线、第三十微带线、第三十一微带线、第三十二微带线、第三十三微带线、第三十四微带线顺次连接构成；第二四分之一波长分支线由第三十五微带线、第三十六微带线、第三十七微带线、第三十八微带线、第三十九微带线顺次连接构成；第三四分之一波长分支线由第四十微带线、第四十一微带线、第四十二微带线、第四十三微带线、第四十四微带线、第四十五微带线、第四十六微带线顺次连接构成；第四四分之一波长分支线由第四十七微带线、第四十八微带线、第四十九微带线、第五十微带线、第五十一微带线顺次连接构成；第一四分之一波长分支线的第二十九微带线与第一输出口（O/P1)相连接，第四四分之一波长分支线的第五十一微带线与第二输出口（O/P2)相连接。
上述具有高功分比的Gysel功分滤波器，位于上方的阻抗变换器和位于下方的阻抗变换器的输入阻抗不同，从而可以实现不等分的功率分配。每一个阻抗变换器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，并且相比于输入端口和输出端口之间用四分之一波长阻抗线的Gysel功分器，这种结构可以替代高阻抗传输线的功能，实现很高的功率比，带宽可以被任意控制，这种结构也可以实现高选择性的滤波功能。
上述具有高功分比的Gysel功分滤波器，高的功分比是通过改变耦合微带线的耦合强度得到的；其中，改变谐振器之间的耦合强度是通过改变两个半波长谐振器之间的间距来实现的，调节第一谐振器与第二谐振器之间的间距和第三谐振器与第四谐振器之间的间距，可以实现第一输出端口O/P1与第二输出端口O/P2之间高达10:1的高功分比；第一谐振器与第二谐振器之间的耦合强度是通过改变第一谐振器的第八微带线和第十四微带线与第二谐振器的相对的两段微带线的耦合间距而改变的；第三谐振器与第四谐振器之间的耦合强度是通过改变第三谐振器的第二十二微带线和第二十八微带线与第四谐振器的相对应的两端微带线的耦合间距而改变的；另外，任意功分比的Gysel功分滤波器的两个谐振器之间的耦合距离范围在0.1mm-3mm之间。
上述具有高功分比的Gysel功分滤波器，半波长谐振器的长度L为所述阻抗变换器的谐振频率f对应的波长λ的二分之一；其中，L为实际微带线长度。
相对于现有技术，本发明具有如下优点：
（1）具有高功分比的Gysel功分滤波器有最高达到10:1的功分比，可以适用于高功分比天线阵列中。
（2）相比于输入端口和输出端口之间用四分之一波长阻抗线的Gysel功分器，这种耦合结构可以替代高阻抗传输线的功能，实现很高的功率比，带宽可以被任意控制，这种结构也可以实现高选择性的滤波功能。
附图说明
图1是10：1的具有高功分比的Gysel功分滤波器的结构图；
图2是图1中的谐振器1和谐振器2的结构图；
图3是图1中的谐振器3和谐振器4的结构图；
图4a是10:1的具有高功分比的Gysel功分滤波器的传输特性曲线图；
图4b是10:1的具有高功分比的Gysel功分滤波器的输出回波损耗和隔离系数。
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，具有高功分比的Gysel功分滤波器的结构图包括上层微带结构，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；上层微带结构包括两个具有90度相移的阻抗变换器和四个不同特性阻抗的四分之一波长分支线；两个阻抗变换器的谐振器间距不同；两个阻抗变换器共用一个输入端口作为具有高功分比的Gysel功分滤波器的输入端口(I/P),两个阻抗变换器的输出端口作为具有高功分比的Gysel功分滤波器的第一输出端口(O/P1)和第二输出端口(O/P2)；四个四分之一波长分支线在第一输出端口O/P1和第二输出端口O/P2之间顺次连接；隔离元件包括第一隔离电阻R1和第二隔离电阻R2；第一隔离电阻R1在第一四分之一波长分支线与第二四分之一波长分支线之间，第二隔离电阻R2在第三四分之一波长分支线与第四四分之一波长分支线之间。
如图1所示，位于上方的阻抗变换器由两个半波长谐振器耦合组成，分别为第一谐振器1和第二谐振器2；其中第一谐振器1是由第一微带线9、第二微带线10、第三微带线11、第四微带线12、第五微带线13、第六微带线14、第七微带线15、第八微带线16、第九微带线17、第十微带线18、第十一微带线19、第十二微带线20、第十三微带线21、第十四微带线22连接组成的一端开路的微带线；第二谐振器2是由与第一谐振器1中心对称的微带线连接而成；其中第一谐振器1的第一微带线9与输入端口(I/P)相连接，第二谐振器2的微带线中相对应的微带线与第一输出端口(O/P1)相连接；位于下方的阻抗变换器由两个半波长谐振器耦合组成，分别为第三谐振器3和第四谐振器4；其中第三谐振器3是由第十五微带线23、第十六微带线24、第十七微带线25、第十八微带线26、第十九微带线27、第二十微带线28、第二十一微带线29、第二十二微带线30、第二十三微带线31、第二十四微带线32、第二十五微带线33、第二十六微带线34、第二十七微带线35、第二十八微带线36、连接组成的一端开路的微带线；第四谐振器4由与第三谐振器3中心对称的微带线连接而成；第三谐振器3的第十五微带线23与输入端口(I/P)相连接，第四谐振器4的微带线中相对应的微带线与第二输出端口(O/P2)相连接；不同特性阻抗的四分之一波长分支线由第一四分之一波长分支线5、第二四分之一波长分支线6、第三四分之一波长分支线7、第四四分之一波长分支线8组成；其中第一四分之一波长分支线5由第二十九微带线37、第三十微带线38、第三十一微带线39、第三十二微带线40、第三十三微带线41、第三十四微带线42顺次连接构成；第二四分之一波长分支线6由第三十五微带线43、第三十六微带线44、第三十七微带线45、第三十八微带线46、第三十九微带线47顺次连接构成；第三四分之一波长分支线7由第四十微带线48、第四十一微带线49、第四十二微带线50、第四十三微带线51、第四十四微带线52、第四十五微带线53、第四十六微带线54顺次连接构成；第四四分之一波长分支线8由第四十七微带线55、第四十八微带线56、第四十九微带线57、第五十微带线58、第五十一微带线59顺次连接构成；第一四分之一波长线5的第二十九微带线37与第一输出口（O/P1)相连接，第四四分之一波长线8的第五十一微带线59与第二输出口（O/P2)相连接。
如图1所示，每个阻抗变换器由两个半波长谐振器耦合组成；半波长谐振器的长度L为所述阻抗变换器的谐振频率f对应的波长λ的四分之一；其中，L为实际微带线长度。
图1中，每个阻抗变换器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，并且相比于输入端口和输出端口之间用四分之一波长阻抗线的Gysel功分器，这种结构可以实现高功分比，它的带宽可以被任意的控制，同时，在通带边缘可以创建两个传输零点，提高频率选择性。正是因为阻抗变换器的输入输出阻抗可通过改变谐振器之间的耦合强度进行调节以获得不同比率的功率分配和实现端口匹配，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，可以实现任意的功分比。
如图2所示，在图1中的谐振器1和谐振器2是中心对称放置的；谐振器之间的耦合强度是通过调节谐振器1和谐振器2之间的距离改变的。
如图3所示，在图1中的谐振器3和谐振器4是中心对称放置的；谐振器之间的耦合强度是通过调节谐振器3和谐振器4之间的距离改变的。
实施例
功率分配比率为10:1的Gysel功分器的结构如图1所示，介质基板的厚度为0.81mm，相对介电常数为3.38。
图4a和图4b是按照上述图1设计出来的一个具有10:1功分比的Gysel功分滤波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表示具有高功分比功分比的Gysel功分滤波器的回波损耗，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，带宽是10%，在通带边沿附近产生了两个传输零点，带宽内的插入损耗S21为-1.45dB，S31为-11.4dB，回波和隔离都比15db好。
实施例的仿真结果表明本发明器件可以实现高达10:1的功分比。
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 (4)

1.具有高功分比的Gysel功分滤波器，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具有90度相移的阻抗变换器和四个不同特性阻抗的四分之一波长分支线；位于上方的阻抗变换器由两个半波长谐振器耦合组成，分别为第一谐振器（1）和第二谐振器（2）；位于下方的阻抗变换器由两个半波长谐振器耦合组成，分别为第三谐振器（3）和第四谐振器（4），且第一谐振器（1）和第二谐振器（2）之间的间距与第三谐振器（3）和第四谐振器（4）之间的间距不同；两个阻抗变换器共用一个输入端口作为具有高功分比的Gysel功分滤波器的输入端口(I/P),两个阻抗变换器的输出端口作为具有高功分比的Gysel功分滤波器的第一输出端口(O/P1)和第二输出端口(O/P2)；四个四分之一波长分支线在第一输出端口O/P1和第二输出端口O/P2之间顺次连接；隔离元件包括第一隔离电阻（R1）和第二隔离电阻（R2）；第一隔离电阻（R1）在第一四分之一波长分支线与第二四分之一波长分支线之间，第二隔离电阻（R2）在第三四分之一波长分支线与第四四分之一波长分支线之间。
2.根据权利要求1所述具有高功分比的Gysel功分滤波器，其特征在于位于输入端口（I/P)上方的阻抗变换器由两个半波长谐振器耦合组成，分别为第一谐振器（1）和第二谐振器（2）；其中第一谐振器（1）是由第一微带线（9）、第二微带线（10）、第三微带线（11）、第四微带线（12）、第五微带线（13）、第六微带线（14）、第七微带线（15）、第八微带线（16）、第九微带线（17）、第十微带线（18）、第十一微带线（19）、第十二微带线（20）、第十三微带线（21）、第十四微带线（22）连接组成的一端开路的微带线；第二谐振器（2）是由与第一谐振器（1）中心对称的微带线连接而成；其中第一谐振器（1）的第一微带线（9）与输入端口(I/P)相连接，第二谐振器（2）的微带线中相对应的微带线与第一输出端口(O/P1)相连接；"位于输入端口（I/P)下方的阻抗变换器由两个半波长谐振器耦合组成，分别为第三谐振器（3）和第四谐振器（4）；其中第三谐振器（3）是由第十五微带线（23）、第十六微带线（24）、第十七微带线（25）、第十八微带线（26）、第十九微带线（27）、第二十微带线（28）、第二十一微带线（29）、第二十二微带线（30）、第二十三微带线（31）、第二十四微带线（32）、第二十五微带线（33）、第二十六微带线（34）、第二十七微带线（35）、第二十八微带线（36）、连接组成的一端开路的微带线；第四谐振器（4）由与第三谐振器（3）中心对称的微带线连接而成；第三谐振器（3）的第十五微带线（23）与输入端口(I/P)相连接，第四谐振器（4）的微带线中相对应的微带线与第二输出端口(O/P2)相连接；四个不同特性阻抗的四分之一波长分支线分别是第一四分之一波长分支线（5）、第二四分之一波长分支线（6）、第三四分之一波长分支线（7）、第四四分之一波长分支线（8）；其中第一四分之一波长分支线（5）由第二十九微带线（37）、第三十微带线（38）、第三十一微带线（39）、第三十二微带线（40）、第三十三微带线（41）、第三十四微带线（42）顺次连接构成；第二四分之一波长分支线（6）由第三十五微带线（43）、第三十六微带线（44）、第三十七微带线（45）、第三十八微带线（46）、第三十九微带线（47）顺次连接构成；第三四分之一波长分支线（7）由第四十微带线（48）、第四十一（49）、第四十二微带线（50）、第四十三微带线（51）、第四十四微带线（52）、第四十五微带线（53）、第四十六微带线（54）顺次连接构成；第四四分之一波长分支线（8）由第四十七微带线（55）、第四十八微带线（56）、第四十九微带线（57）、第五十微带线（58）、第五十一微带线（59）顺次连接构成；第一四分之一波长分支线（5）的第二十九微带线（37）与第一输出口（O/P1)相连接，第四四分之一波长分支线（8）的第五十一微带线（59）与第二输出口（O/P2)相连接。
3.根据权利要求1所述的具有高功分比的Gysel功分滤波器，其特征在于所述高功分比是通过改变谐振器的耦合强度得到的；其中，改变谐振器之间的耦合强度是通过改变两个半波长谐振器之间的间距来实现的，调节第一谐振器（1）与第二谐振器（2）之间的间距和第三谐振器（3）与第四谐振器（4）之间的间距，实现第一输出端口O/P1与第二输出端口O/P2之间高达10:1的高功分比；第一谐振器（1）与第二谐振器（2）之间的耦合强度是通过改变第一谐振器（1）的第八微带线（16）和第十四微带线（22）与第二谐振器（2）的相对应的两段微带线的耦合间距而改变的；第三谐振器（3）与第四谐振器（4）之间的耦合强度是通过改变第三谐振器（3）的第二十二微带线（30）和第二十八微带线（36）与第四谐振器（4）的相对应的两段微带线的耦合间距而改变的；另外，任意功分比的Gysel功分滤波器的两个谐振器之间的耦合距离范围在0.1mm-3mm之间。
4.根据权利要求1所述具有高功分比的Gysel功分滤波器，其特征在于半波长谐振器的长度L为所述阻抗变换器的谐振频率f对应的波长λ的二分之一；其中，L为实际微带线长度。
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