CN103972617A - 基于枝节加载双模谐振器的宽带双工器 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于枝节加载双模谐振器的宽带双工器，主要解决传统双工器通道带宽小，尺寸大和隔离度差的问题。其包括微带介质基板(1)、金属接地板(2)、开路枝节加载阶梯阻抗谐振器(3)、短路枝节加载阶梯阻抗谐振器(4)、公共馈线(5)、开路输出馈线(6)，短路输出馈线(7)。短路枝节加载谐振器和开路枝节加载谐振器分别位于公共输入馈线左右两侧，开路输出馈线位于开路枝节加载谐振器的右侧，短路输出馈线位于短路枝节加载谐振器的左侧；通过公共输入馈线给枝节加载谐振器馈电，从开路和短路输出馈线处获得收发信道的宽带滤波通带。本发明提高了双工器的带宽和隔离度，减小了双工器的尺寸，可用于无线通信系统。

Description

基于枝节加载双模谐振器的宽带双工器

技术领域

本发明属于电子器件技术领域，特别涉及微带宽带双工器，可用于无线通信系统射频前端。

背景技术

近年来，随着第四代移动通信、无线局域网和卫星通信等快速发展，无线频谱利用率越来越高，对通信系统中的射频微波器件提出了小型化和宽带化的要求。微带双工器不仅具有选频滤波功能，而且还用作隔离元件连接发射和接收电路，使得收发系统能共用一个天线，从而减小系统的复杂度与系统的体积，对改善通信系统的性能有着重要影响。微带双工器具有尺寸小，重量轻，成本低，易加工的优点，在微波电路中得到广泛的应用。

2011年，Ming-Lin Chuang等人在IEEE on Microwave and Wireless ComponentsLetters期刊(vol.21,no.11,pp.583-585,2011)上发表了“Microstrip Diplexer DesignUsing Common T-Shaped Resonator”，提出了用枝节加载的形式实现双模谐振器，并采用公共T型谐振腔构成微带双工器。但该方案构成的微波双工器的缺点在于收发信道的相对带宽都过小，无法形成宽带滤波；公共T型谐振腔的馈电形式会导致双工器的尺寸太大，并且收发信道的隔离度不够好。

发明内容

本发明目的在于针对上述已有技术的不足，提出一种基于枝节加载双模谐振环的宽带双工器,以获得宽带和和高抑制双工特性，并保证尺寸小型化。

为实现上述目的，本发明通过级联使双模谐振频率分裂成四个模式并引入两个传输零点，整个双工器包括：介质基板、金属接地板、开路枝节加载谐振器、短路枝节加载谐振器、输入馈线、开路枝节输出馈线、短路枝节输出馈线。其特征在于：

开路枝节加载谐振器3，由两个并排级联的第一开路枝节加载谐振器31和第二开路枝节加载谐振器32组成；该第一开路枝节加载谐振器31包括第一半波长谐振器311和第一开路枝节312；该第二开路枝节加载谐振器32包括第二半波长谐振器321和第二开路枝节322；所述的两个半波长谐振器311,321均呈“U”形，且第一开路枝节312位于第一半波长谐振器311的“U”形中间；第二开路枝节322位于第二半波长谐振器321的“U”形中间；

短路枝节加载谐振器4，由两个并排级联的第一短路枝节加载谐振器41和第二短路枝节加载谐振器42组成；该第一短路枝节加载谐振器41包括第三半波长谐振器411和第一短路枝节412；该第二短路枝节加载谐振器42包括第四半波长谐振器421和第二短路枝节422；所述的两个半波长谐振器411，421均呈“U”形，且第一短路枝节412位于第三半波长谐振器411的“U”形中间；第二短路枝节422位于第四半波长谐振器421的“U”形中间；

所诉开路输出馈线6，位于开路枝节加载谐振器3的右侧；

所述短路输出馈线7，位于短路枝节加载谐振器4的左侧；

所述的两个短路枝节加载谐振器4和两个开路枝节加载谐振器3，其分别位于公共输入馈线5的左右两侧；通过输入馈线5给所述的枝节加载谐振器3和4馈电，开路输出馈线6处获得发射信道的宽带滤波通带，短路输出馈线7处获得接收信道的宽带滤波通带，从而实现双工器的宽带滤波器功能。

本发明具有以下技术优点：

1.通过级联两个枝节加载双模谐振器，实现收发信道的宽带滤波响应。

2.用公共输入馈线耦合馈电的形式取代了传统的T形头馈电，减小了馈电模块的尺寸，实现了双工器的小型化。

3.利用开路枝节加载谐振器在发射通道低频处形成一个传输零点，且短路枝节加载谐振器在接收通道高频处形成另一个传输零点，从而在收发信道的中间频段引入两个传输零点，提高了收发信道的隔离度。

附图说明

图1为本发明的三维结构图；

图2为图1的俯视图；

图3为本发明实施例的传输特性曲线响应图；

图4为本发明实施例的反射特性曲线和隔离特性曲线响应图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明的实施作详细说明：

实施例1：设计尺寸为27.7mm×20.7mm的宽带双工器。

参照图1和图2，本发明包括介质基板1、金属接地板2、开路枝节加载谐振器3、短路枝节加载谐振器4、输入馈线5、开路输出馈线6和短路输出馈线7。其中：

所述介质基板1，采用的介电常数为2.65，厚度为1mm的覆铜接地板；

所述金属接地板2为微带介质基板的覆铜面；

所述开路枝节加载谐振器3，其由两个并排级联的第一开路枝节加载谐振器31和第二开路枝节加载谐振器32组成；该第一开路枝节加载谐振器31包括第一半波长谐振器311和第一开路枝节312；第一半波长谐振器311的线宽W₁＝1mm，第一半波长谐振器311的竖直方向长度L₁和水平方向长度L₂，满足长度关系 本实施例中取L₁＝16.7mm和L₂＝6mm，其中λ₁为开路枝节加载谐振器3工作在中心频率时的波长，满足λ₁＝78.8mm，c为真空中的光速，满足c＝3×10⁸m/s，∈_e为介质基板的有效介电常数，满足∈_e＝2.094，f₁为开路枝节加载谐振器3的中心频率为2.5GHz；第一开路枝节312的线宽W₂＝2mm,第一开路枝节312的长度为L₃＝0.25*λ₁+δ＝22.7mm,，δ为一个微变量，本实施例中取δ＝1mm；第二半波长谐振器321，其形状和尺寸与第一半波长谐振器311相同；第二开路枝节322的尺寸与第一开路枝节311相同；所述的两个半波长谐振器311和321均呈“U”形，且第一开路枝节312位于第一半波长谐振器311的“U”形中间；第二开路枝节322位于第二半波长谐振器321的“U”形中间；

所述短路枝节加载谐振器4，其由两个并排级联的第一短路枝节加载谐振器41和第二短路枝节加载谐振器42组成；该第一短路枝节加载谐振器41包括第三半波长谐振器411和第一短路枝节412；第三半波长谐振器411的线宽W₃＝1mm，第三半波长谐振器411的竖直方向长度L₄和水平方向长度L₅，满足长度关系 本实施例中取L₄＝20.7mm和L₅＝6mm，其中λ₂为短路枝节加载谐振器4工作在中心频率f₂时的工作波长，满足λ₂＝94.8mm，c为真空中的光速，满足c＝3×10⁸m/s，∈_e为介质基板的有效介电常数，满足∈_e＝2.094，f₂＝2GHz为短路枝节加载谐振器4的中心频率，第一短路枝节412的线宽W₄＝2mm，第一短路枝节412的长度L₆满足1mm<L₆<(1/16)*λ₂，本实施例中取L₆＝3.7mm，第四半波长谐振器421，其形状和尺寸与第三半波长谐振器411相同；第二短路枝节422的尺寸与第一短路枝节412相同。所述的两个半波长谐振器411和421均呈“U”形，且第一短路枝节412位于第三半波长谐振器411的“U”形中间；第二短路枝节422位于第四半波长谐振器421的“U”形中间；

所述开路输出馈线6，位于开路枝节加载谐振器3的右侧，开路输出馈线6与开路枝节加载谐振器3的间距d₃＝0.5mm；

所述短路输出馈线7，位于短路枝节加载谐振器4的左侧，短路输出馈线7与短路枝节加载谐振器4的间距d₄＝0.53mm；

所述公共输入馈线5，位于短路枝节加载谐振器4和开路枝节加载谐振器3的中间位置，输入馈线5与短路枝节加载谐振器4的间距d₁＝0.53mm；输入馈线5与开路枝节加载谐振器3的间距d₂＝0.5mm；

本实施例通过级联枝节加载谐振器3和4，获得宽带的收发信道带宽，且利用开路枝节加载谐振器3在发射通道低频处形成一个传输零点，短路枝节加载谐振器4在接收通道高频处形成另一个传输零点，从而在收发信道的中间频段引入两个传输零点，以提高收发信道的隔离度；并通过输入馈线5给枝节加载谐振器3和4馈电，在开路输出馈线6处获得发射信道的宽带滤波通带，短路输出馈线7处获得接收信道的宽带滤波通带，从而实现双工器的宽带滤波器功能。。

实施例2：设计尺寸为30.7mm×20.2mm的宽带双工器。

本实施例的结构与实施例1相同，以下给出不同于实施例1的结构参数：

所述第一半波长谐振器311的线宽W₁＝1mm，第一半波长谐振器311的竖直方向长度L₁和水平方向长度L₂，满足长度关系 本实施例中取L₁＝16.2mm和L₂＝7mm，其中λ₁为开路枝节加载谐振器3工作在中心频率时的波长，λ₁＝78.8mm，c为真空中的光速，c＝3×10⁸m/s，∈_e为介质基板的有效介电常数，∈_e＝2.094，f₁＝2.5GHz为开路枝节加载谐振器3的中心频率；第一开路枝节312的线宽W₂＝2mm,第一开路枝节312的长度L₃＝0.25*λ₁+δ，且L₃＝18.7mm,，δ为一个微变量，本实施例中取δ＝？1mm；第二半波长谐振器321，其形状和尺寸与第一半波长谐振器311相同；第二开路枝节322的尺寸与第一开路枝节相同311；

所述第三半波长谐振器411的线宽W₃＝1mm，第三半波长谐振器411的竖直方向长度L₄和水平方向长度L₅，满足长度关系 本实施例中取L₄＝20.2mm和L₅＝7mm，其中λ₂为短路枝节加载谐振器4工作在中心频率f₂时的工作波长，λ₂＝94.8mm，c为真空中的光速c＝3×10⁸m/s，∈_e为介质基板的有效介电常数，∈_e＝2.094，f₂＝2.0GHz为短路枝节加载谐振器4的中心频率，第一短路枝节412的线宽W₄＝2mm，第一短路枝节412的长度L₆＝1.1mm，第四半波长谐振器421，其形状和尺寸与第三半波长谐振器411相同；第二短路枝节422的尺寸与第一短路枝节412相同；

所述开路输出馈线6与开路枝节加载谐振器3的间距d₃＝0.21mm；

所述短路输出馈线7与短路枝节加载谐振器4的间距d₄＝0.21mm；

所述输入馈线5与短路枝节加载谐振器4的间距d₁＝0.21mm；输入馈线5与开路枝节加载谐振器3的间距d₂＝0.21mm。

实施例3：设计尺寸为25.7mm×21.2mm的宽带双工器。

本实施例的结构与实施例1相同，以下给出不同于实施例1的结构参数：

所述第一半波长谐振器311的线宽W₁＝1mm，第一半波长谐振器311的竖直方向长度L₁和水平方向长度L₂，L₁＝17.2mm,L₂＝5mm，第一开路枝节312的线宽W₂＝2mm,第一开路枝节312的长度L₃＝0.25*λ₁+δ，且L₃＝19.7mm,，δ为一个微变量，本实施例中取δ＝1mm；第二半波长谐振器321，其形状和尺寸与第一半波长谐振器311相同；第二开路枝节322的尺寸与第一开路枝节相同311；

所述第三半波长谐振器411的线宽W₃＝1mm，第三半波长谐振器411的竖直方向长度L₄＝21.2mm,水平方向长度L₅＝5mm；第一短路枝节412的线宽W₄＝2mm，第一短路枝节412的长度L₆＝5.925mm，第四半波长谐振器421，其形状和尺寸与第三半波长谐振器411相同；第二短路枝节422的尺寸与第一短路枝节412相同；

所述开路输出馈线6与开路枝节加载谐振器3的间距d₃＝0.69mm；

所述短短路输出馈线7与短路枝节加载谐振器4的间距d₄＝0.69mm；

所述输入馈线5与短路枝节加载谐振器4的间距d₁＝0.69mm；输入馈线5与开路枝节加载谐振器3的间距d₂＝0.69mm。

本发明的效果可以通过以下仿真结果进一步说明：

仿真1：对实施例1中的宽带双工器的传输特性进行仿真，结果如图3所示，其中图3中的S21为该宽带双工器中发射通道的传输特性曲线，S31为该宽带双工器中接收通道的传输特性曲线；

由图3可见，本实施例中的宽带双工器的中心频率分别为2.0GHz和2.5GHz，相对带宽分别为30％和24％，具有较宽的通道带宽；

仿真2：对实施例1的宽带双工器的反射特性和隔离特性进行仿真，结果如图4所示，其中图4中的S11为该宽带双工器的输入端口的反射特性曲线，S32为该宽带双工器中接收和发射通道的隔离特性曲线。

由图4可见，本实施例中宽带双工器的隔离特性曲线均在-40dB以下，收发通道具有良好的隔离特性。

上述实施例为本发明较佳的实施方式，但本发明的实施方式并不受上述实施例的限制，其他的任何未背离本发明的精神实质与原理下所作的改变、修饰、替代、组合、简化，均应为等效的置换方式，都包含在本发明的保护范围之内。

Claims (7)

1.一种基于枝节加载的双模谐振器的宽带双工器，包括介质基板(1)、金属接地板(2)、开路枝节加载谐振器(3)、短路枝节加载谐振器(4)、输入馈线(5)、开路枝节输出馈线(6)、短路枝节输出馈线(7)，其特征在于：

开路枝节加载谐振器(3)，由两个并排级联的第一开路枝节加载谐振器(31)和第二开路枝节加载谐振器(32)组成；该第一开路枝节加载谐振器(31)包括第一半波长谐振器(311)和第一开路枝节(312)；该第二开路枝节加载谐振器(32)包括第二半波长谐振器(321)和第二开路枝节(322)；所述的两个半波长谐振器(311,321)均呈“U”形，且第一开路枝节(312)位于第一半波长谐振器(311)的“U”形中间；第二开路枝节(322)位于第二半波长谐振器(321)的“U”形中间；

短路枝节加载谐振器(4)，由两个并排级联的第一短路枝节加载谐振器(41)和第二短路枝节加载谐振器(42)组成；该第一短路枝节加载谐振器(41)包括第三半波长谐振器(411)和第一短路枝节(412)；该第二短路枝节加载谐振器(42)包括第四半波长谐振器(421)和第二短路枝节(422)；所述的两个半波长谐振器(411，421)均呈“U”形，且第一短路枝节(412)位于第三半波长谐振器(411)的“U”形中间；第二短路枝节(422)位于第四半波长谐振器(421)的“U”形中间；

所诉开路输出馈线(6)，位于开路枝节加载谐振器(3)的右侧；

所述短路输出馈线(7)，位于短路枝节加载谐振器(4)的左侧；

所述的两个短路枝节加载谐振器(4)和两个开路枝节加载谐振器(3)，其分别位于公共输入馈线(5)的左右两侧；通过输入馈线(5)给所述的枝节加载谐振器(3,4)馈电，在开路输出馈线(6)处获得发射信道的宽带滤波通带，在短路输出馈线(7)处获得接收信道的宽带滤波通带，从而实现双工器收发信道的宽带滤波功能。

2.根据权利要求1所述的基于枝节加载的双模谐振器的宽带双工器，其特征在于，第一半波长谐振器(311)的线宽，记为W₁，满足W₁＝1mm，其长度关系满足2*L₁+其中L₁为第一半波长谐振器(311)竖直方向的长度，L₂为第一半波长谐振器(311)水平方向的长度，λ₁为开路枝节加载谐振器(3)工作在中心频率时的波长,c为真空中的光速，∈_e为介质基板的有效介电常数，f₁为开路枝节加载谐振器(3)的中心频率。

3.根据权利要求1所述的基于枝节加载的双模谐振器的宽带双工器，其特征在于第一开路枝节(312)的线宽，记为W₂，满足W₂＝2*W₁，第一开路枝节(312)的长度L₃满足L₃＝0.25*λ+δ，其中λ为开路枝节加载谐振器(3)工作在中心频率f₁时的工作波长，W₁为第一半波长谐振器(311)的线宽，δ为一个微变量，其取值范围：-1mm<δ<1mm。

4.根据权利要求1所述的基于枝节加为载的双模谐振器的宽带双工器，其特征在于，第三半波长谐振器(411)的线宽，记为W₃，满足W₃＝1mm，其长度关系满足 $2*L_4+L_5=0.5*{\mathrm{\&lambda;}}_2=0.5*c/(f_2*\sqrt{{\&Element;}_e}),$ 其中L₄为第二半波长谐振器(411)竖直方向的长度，L₅为第二半波长谐振器(411)水平方向的长度，λ₂为短路枝节加载谐振器(4)工作在中心频率f₂时的工作波长，c为真空中的光速，∈_e为介质基板的有效介电常数，f₂为短路枝节加载谐振器(4)的中心频率。

5.根据权利要求1所述的基于枝节加载的双模谐振器的宽带双工器，其特征在于，第一短路枝节(412)的线宽，记为W₄，满足W₄＝2*W₃，第一短路枝节(412)的长度L₆满足1mm<L₆<(1/16)*λ，其中λ为短路枝节加载谐振器(4)工作在中心频率f₂时的工作波长，W₃为第三半波长谐振器(311)的线宽。

6.根据权利要求1所述的基于枝节加载的双模谐振器的宽带双工器，其特征在于，所述第二半波长谐振器(321)，其形状和尺寸与第一半波长谐振器(311)相同；

所述第二开路枝节(322)的尺寸与第一开路枝节(312)相同；

所述第四半波长谐振器(421)，其形状和尺寸与第三半波长谐振器(411)相同；

所述第二短路枝节(422)的尺寸与第一短路枝节(412)相同。

7.根据权利要求1所述的基于枝节加载的双模谐振器的宽带双工器，其特征在于：输入馈线(5)与短路枝节加载谐振器(4)的间距，记为d₁，满足0.2mm<d₁<0.7mm；

输入馈线(5)与开路枝节加载谐振器(3)的间距，记为d₂,其满足：0.2mm<d₂<0.7mm；

开路枝节输出馈线(6)与开路枝节加载谐振器(3)的间距，记为d₃,d₃的数值与d₁相同；

短路枝节输出馈线(7)与短路枝节加载谐振器(4)的间距，记为d₄，d₄的数值与d₂相同。