CN103915669B - 具有双通带的滤波功分器 - Google Patents
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Abstract
本发明公开一种具有双带通的滤波功分器，其上层微带结构包括两条四分之一波长微带线实现的阶跃阻抗谐振器和四条耦合馈电线。通过阶跃阻抗谐振器和新型的耦合馈电方式，本发明的等功率分配可以理想地实现，并且具有宽阻带的双通带滤波特性。同时每个通带的边沿各有两个传输零点，可以提高频率选择性。具有双通带的滤波功分器，把射频前端的两个重要的元件滤波器和功率分配器集成在一起，不仅缩小了体积，便于集成化，而且降低了总的插入损耗，用途广泛，本设计具有新颖性、创造性和实用性。
Description
技术领域
本发明涉及一种具有双通带的滤波功分器，可应用于射频前端电路带通滤波功能的等分功率分配器，在很多需要功率等分和带通滤波的电路中都需要这种技术。
背景技术
滤波器和功分器是无线通信系统中两种非常重要的部件，大多射频前端中这两种器件工作于相同的频率，并且要求提供给信号理想的特性。如果将这两种器件集成到一个器件中，总体积和插入损耗会一同降低。
近年来，一些学者专注于在一个电路里集成多个功能电路。对于功分器和带通滤波器的集成，大多是将威尔金森功分器的输入端口用耦合馈电线替换，这样虽然得到了很高的隔离度，然而这却需要牺牲频率选择性并需要很大的体积。
考虑到减小体积便于集成和频率选择特性的需求，本发明提出了一种新型的具有双通带的滤波功分器。此发明使用四分之一波长微带线实现的阶跃阻抗谐振器和耦合馈电线将带通滤波器和功率分配器集成到一起，通过阶跃阻抗谐振器得到双通带特性，带宽可以被任意的控制，同时，在每个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
在本发明中，提出了一种新型的具有双通带的滤波功分器。本设计中，每一个具有双通带的功率分配滤波器的上层微带结构包括两个四分之一波长微带线实现的阶跃阻抗谐振器和四个耦合馈电线。每一个四分之一波长微带线实现的阶跃阻抗谐振器是由两段高低阻抗线级联得到。调节四分之一波长微带线实现的阶跃阻抗谐振器的总长度，可以改变低通带的中心频率。调节低阻抗线的特性阻抗，可以改变高通带的中心频率。调节四分之一波长微带线实现的阶跃阻抗谐振器与耦合馈电线之间的耦合间距，可以改变带宽。相比于直接将滤波器和功分器级联的器件，这种结构可以实现体积小型化，它的带宽可以被任意的控制，插入损耗也可以明显降低。同时，在每个通带边缘可以创建两个传输零点，提高频率选择性。
为实现本发明目的，本发明所采用的技术方案如下：
具有双通带的滤波功分器，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基板上表面，中间层介质基板下表面为下层接地金属板；上层微带结构包括两条四分之一波长微带线实现的阶跃阻抗谐振器和四条耦合馈电线；其中两条耦合馈电线共用一个输入端口作为具有双通带的滤波功分器的输入端口,另外两条耦合馈电线的中间部分分别接有两个输出端口作为具有双通带的滤波功分器的第一输出端口和第二输出端口；隔离元件为电阻R，隔离电阻R位于与输入端口相连的两条耦合馈电线之间；上层微带结构上下对称。
上述具有双通带的滤波功分器，四分之一波长微带线实现的阶跃阻抗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、第五微带线顺次连接组成的传输线，其中第一微带线、第二微带线和第三微带线构成一个n形状，第三微带线和第四微带线构成一个L形状，第四微带线接到第五微带线的一角，第五微带线的末端接地；第一耦合馈电线是由第六微带线、第七微带线、第八微带线、第九微带线、第十微带线、第十一微带线顺次连接组成的一段传输线；第二耦合馈电线是由第十二微带线、第十三微带线、第十四微带线、第十五微带线顺次连接组成的一段传输线；其中第二耦合馈电线的第十二微带线的一端与输入端口相连接，第十五微带线的末端之间接入一个隔离电阻R，两个第一耦合馈电线的第十一微带线的中间部分分别与第一输出端口、第二输出端口相连接，形成三端口的具有双通带的滤波功分器。
上述具有双通带的滤波功分器，四分之一波长微带线实现的阶跃阻抗谐振器产生了双通带特性，两条电学长度相等的高低阻抗线，即由第一微带线、第二微带线、第三微带线、第四微带线组成的高阻抗线和由第五微带线组成的低阻抗线级联得到双通带特性；两段高低阻抗线的特性阻抗的比值决定了双通带中心频率的比值，整条四分之一波长微带线实现的阶跃阻抗谐振器的长度决定了低通带的中心频率；上述四分之一波长微带线实现的阶跃阻抗谐振器的长度L为低通带的谐振频率f对应波长λ的四分之一，其中，L为实际微带线长度；隔离电阻R可以实现两输出端口之间的相互隔离，可以使用约100-200欧姆的集总电阻。
上述具有双通带的滤波功分器，第一耦合馈电线与四分之一波长微带线实现的阶跃阻抗谐振器相邻的一侧轮廓平行，即第一微带线与第六微带线相平行，第二微带线与第七微带线相平行，第三微带线与第八微带线相平行，第四微带线与第九微带线相平行，第五微带线的窄边与第十微带线相平行，第五微带线的宽边与第十一微带线相平行；第二耦合馈电线与四分之一波长微带线实现的阶跃阻抗谐振器相邻的一侧轮廓平行，即第一微带线与第十二微带线相平行，第二微带线与第十三微带线相平行，第三微带线与第十四微带线相平行，第四微带线、第五微带线与第十五微带线相平行；并且调节上述四分之一波长微带线实现的阶跃阻抗谐振器与耦合馈电线之间的耦合强度是通过改变两者之间相互平行部分的间距来实现的，调节所述间距可以得到理想的带宽；上述具有双通带的滤波功分器的四分之一波长微带线实现的阶跃阻抗谐振器与耦合馈电线之间的间距为0.1mm-1mm。
相对于现有技术，本发明具有如下优点：
（1）应用阶跃阻抗谐振器和新型的耦合馈电方式，具有双通带的滤波功分器的功率等分可以理想的实现，并具有宽阻带的双通带滤波特性，带外抑制理想。
（2）相比于直接将滤波器和功分器级联的器件，这种结构可以实现体积的小型化，便于集成化，并且带宽可以被任意的控制，插入损耗也可以明显降低。同时，在每个通带边缘可以创建两个传输零点，提高频率选择性。
附图说明
图1a和图1b是具有双通带的滤波功分器的结构图；
图2是具有双通带的滤波功分器的四分之一波长微带线实现的阶跃阻抗谐振器的结构图；
图3是具有双通带的滤波功分器的第一耦合馈电线和第二耦合馈电线的结构图；
图4a是具有双通带的滤波功分器具有双通带的滤波功分器的传输特性曲线图；
图4b是具有双通带的滤波功分器具有双通带的滤波功分器的输出回波损耗和隔离系数曲线图。
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。
具有双通带的滤波功分器，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基板上表面，中间层介质基板下表面为下层接地金属板；上层微带结构包括两条四分之一波长微带线实现的阶跃阻抗谐振器和四条耦合馈电线；其中两条耦合馈电线共用一个输入端口作为具有双通带的滤波功分器的输入端口,另外两条耦合馈电线的中间部分分别接有两个输出端口作为具有双通带的滤波功分器的第一输出端口和第二输出端口；隔离元件为电阻R，隔离电阻R位于与输入端口相连的两条耦合馈电线之间；上层微带结构上下对称。
上述具有双通带的滤波功分器，四分之一波长微带线实现的阶跃阻抗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、第五微带线顺次连接组成的传输线，其中第一微带线、第二微带线和第三微带线构成一个n形状，第三微带线和第四微带线构成一个L形状，第四微带线接到第五微带线的一角，第五微带线的末端接地；第一耦合馈电线是由第六微带线、第七微带线、第八微带线、第九微带线、第十微带线、第十一微带线顺次连接组成的一段传输线；第二耦合馈电线是由第十二微带线、第十三微带线、第十四微带线、第十五微带线顺次连接组成的一段传输线；其中第二耦合馈电线的第十二微带线的一端与输入端口相连接，第十五微带线的末端之间接入一个隔离电阻R，两个第一耦合馈电线的第十一微带线的中间部分分别与第一输出端口、第二输出端口相连接，形成三端口的具有双通带的滤波功分器。
上述具有双通带的滤波功分器，四分之一波长微带线实现的阶跃阻抗谐振器产生了双通带特性，两条电学长度相等的高低阻抗线，即由第一微带线、第二微带线、第三微带线、第四微带线组成的高阻抗线和由第五微带线组成的低阻抗线级联得到双通带特性；两段高低阻抗线的特性阻抗的比值决定了双通带中心频率的比值，整条四分之一波长微带线实现的阶跃阻抗谐振器的长度决定了低通带的中心频率；上述四分之一波长微带线实现的阶跃阻抗谐振器的长度L为低通带的谐振频率f对应波长λ的四分之一，其中，L为实际微带线长度；隔离电阻R可以实现两输出端口之间的相互隔离，可以使用约100-200欧姆的集总电阻。
上述具有双通带的滤波功分器，第一耦合馈电线与四分之一波长微带线实现的阶跃阻抗谐振器相邻的一侧轮廓平行，即第一微带线与第六微带线相平行，第二微带线与第七微带线相平行，第三微带线与第八微带线相平行，第四微带线与第九微带线相平行，第五微带线的窄边与第十微带线相平行，第五微带线的宽边与第十一微带线相平行；第二耦合馈电线与四分之一波长微带线实现的阶跃阻抗谐振器相邻的一侧轮廓平行，即第一微带线与第十二微带线相平行，第二微带线与第十三微带线相平行，第三微带线与第十四微带线相平行，第四微带线、第五微带线与第十五微带线相平行；并且调节上述四分之一波长微带线实现的阶跃阻抗谐振器与耦合馈电线之间的耦合强度是通过改变两者之间相互平行部分的间距来实现的，调节所述间距可以得到理想的带宽；上述具有双通带的滤波功分器的四分之一波长微带线实现的阶跃阻抗谐振器与耦合馈电线之间的间距范围在0.1mm-1mm之间。
如图1a和图1b所示，四分之一波长微带线实现的阶跃阻抗谐振器的总线长以及高低阻抗线的特性阻抗比的调节以实现不同中心频率的双通带特性，馈电耦合强度可实现任意控制的带宽。相比于一般的带通滤波器和功分器的级联，这种结构可以实现小型化，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。正是因为四分之一波长微带线实现的阶跃阻抗谐振器和耦合馈电线之间的耦合，所以它可以用来代替传统功率分配器与滤波器的级联，实现更优化的性能，并且仅通过调节四分之一波长微带线实现的阶跃阻抗谐振器的线长和高低阻抗线的特性阻抗比，可以实现任意频率的双通带。
如图2所示，在具有双通带的滤波功分器的四分之一波长微带线实现的阶跃阻抗谐振器是上下对称的；每条四分之一波长微带线实现的阶跃阻抗谐振器由两段高低阻抗线级联而成，产生双通带特性。
如图3所示，在具有双通带的滤波功分器中的第一耦合馈电线和第二耦合馈电线分别是上下对称的；四分之一波长微带线实现的阶跃阻抗谐振器与耦合馈电线间耦合强度是通过调节调节四分之一波长微带线实现的阶跃阻抗谐振器与耦合馈电线之间的间距改变的。
具有双通带的滤波功分器实施例的结构如图1a所示，介质基板的厚度为0.81mm，相对介电常数为3.38，四分之一波长微带线实现的阶跃阻抗谐振器的微带线长度L为25.7mm，隔离电阻R为180欧姆，四分之一波长微带线实现的阶跃阻抗谐振器与耦合馈电线的间距为0.2mm。
图4a是按照上述图1a所示的一个实施例的传输特性的仿真结果和测量结果。传输特性曲线图中的横轴表示频率，纵轴表示传输特性的幅度，单位是dB（分贝），其中S11表示具有双通带的滤波功分器的回波损耗，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。由仿真结果和测试结果可见，通带的中心频率在2.4GHz和5.2GHz，带宽内的插入损耗分别为4.4dB和4.5dB，输入端回波损耗比15dB好，带宽分别是10.9%和11%，在每个通带边沿附近产生了两个传输零点。
图4b是按照上述图1a所示的一个具有双通带的滤波功分器的输出端口回波损耗和隔离度的仿真结果和测量结果。隔离度曲线图中的横轴表示频率，纵轴表示传输特性的幅度，单位是dB（分贝）。其中S22 和S33表示具有双通带的滤波功分器两输出端口的回波损耗，S23 表示具有双通带的滤波功分器的隔离度。由仿真和测试结果可见，两个通带的输出端口回波损耗和隔离度都比15dB好。
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，基于本发明的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动的前提下，基于本发明所作的任何修改，等同替换，改进所获得的其他实施例，都属于本发明实施例的保护范围。
Claims (3)
1.具有双通带的滤波功分器，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基板上表面，中间层介质基板下表面为下层接地金属板；其特征在于：上层微带结构包括两条四分之一波长微带线实现的阶跃阻抗谐振器和四条耦合馈电线；其中两条耦合馈电线共用一个输入端口作为具有双通带的滤波功分器的输入端口(I/P),另外两条耦合馈电线的中间部分分别接有两个输出端口作为具有双通带的滤波功分器的第一输出端口(O/P1)和第二输出端口(O/P2)；隔离元件为电阻R，隔离电阻R位于与输入端口(I/P)相连的两条耦合馈电线之间；上层微带结构上下对称；所述四分之一波长微带线实现的阶跃阻抗谐振器是由第一微带线（1）、第二微带线（2）、第三微带线（3）、第四微带线（4）、第五微带线（5）顺次连接组成的传输线，其中第一微带线(1)、第二微带线（2）和第三微带线（3）构成一个n形状，第三微带线（3）和第四微带线（4）构成一个L形状，第四微带线（4）接到第五微带线（5）的一角，第五微带线（5）的末端接地；第一耦合馈电线是由第六微带线（6）、第七微带线（7）、第八微带线（8）、第九微带线（9）、第十微带线（10）、第十一微带线（11）顺次连接组成的一段传输线；第二耦合馈电线是由第十二微带线（12）、第十三微带线（13）、第十四微带线（14）、第十五微带线（15）顺次连接组成的一段传输线；其中第二耦合馈电线的第十二微带线（12）的一端与输入端口(I/P)相连接，第十五微带线（15）的末端之间接入一个隔离电阻R，两个第一耦合馈电线的第十一微带线（11）的中间部分分别与第一输出端口(O/P1)、第二输出端口（O/P2）相连接，形成三端口的具有双通带的滤波功分器。
2.根据权利要求1所述的具有双通带的滤波功分器，其特征在于：所述四分之一波长微带线实现的阶跃阻抗谐振器产生了双通带特性，即由第一微带线（1）、第二微带线（2）、第三微带线（3）、第四微带线（4）组成的高阻抗线和由第五微带线（5）组成的低阻抗线级联得到双通带特性；所述四分之一波长微带线实现的阶跃阻抗谐振器的长度L为低通带的谐振频率f对应波长λ的四分之一，其中，L为实际微带线长度。
3.根据权利要求1所述的具有双通带的滤波功分器，其特征在于：所述第一耦合馈电线与四分之一波长微带线实现的阶跃阻抗谐振器相邻的一侧轮廓平行，即第一微带线（1）与第六微带线（6）相平行，第二微带线（2）与第七微带线（7）相平行，第三微带线（3）与第八微带线（8）相平行，第四微带线（4）与第九微带线（9）相平行，第五微带线（5）的窄边与第十微带线（10）相平行，第五微带线（5）的宽边与第十一微带线（11）相平行；所述第二耦合馈电线与四分之一波长微带线实现的阶跃阻抗谐振器相邻的一侧轮廓平行，即第一微带线（1）与第十二微带线（12）相平行，第二微带线（2）与第十三微带线（13）相平行，第三微带线（3）与第十四微带线（14）相平行，第四微带线（4）、第五微带线（5）与第十五微带线（15）相平行；并且调节所述四分之一波长微带线实现的阶跃阻抗谐振器与耦合馈电线之间的耦合强度是通过改变两者之间相互平行部分的间距来实现的；所述具有双通带的滤波功分器的四分之一波长微带线实现的阶跃阻抗谐振器与耦合馈电线之间的间距为0.1mm-1mm。
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