CN104022318A - 带宽和工作频率独立可控的多层双模双通带巴伦滤波器 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种带宽和工作频率独立可控的多层双模双通带巴伦滤波器，包括第一微波介质基片、第二微波介质基片；第一微波介质基片的朝向第二微波介质基片的一面设有作为公共地的第一金属层，第一金属层上设有两条正交且长度不相等的第一缝隙；第一微波介质基片的远离第二微波介质基片的一面设有第一贴片谐振器，第一贴片谐振器设置有两条正交且长度不相等的第二缝隙，第一贴片谐振器设有一输入端；第二微波介质基片的远离第一微波介质基片的一面设有第二贴片谐振器，第二贴片谐振器上设有两条正交且长度不等的第三缝隙，第二贴片谐振器在与输入端正交的两端设有两个输出端。本发明具有两个双模通带，且各通带带宽和谐振频率独立可控的有益效果。

Description

带宽和工作频率独立可控的多层双模双通带巴伦滤波器

技术领域

本发明涉及滤波器领域，尤其涉及一种带宽和工作频率独立可控的多层双模双通带巴伦滤波器。

背景技术

随着无线通信系统的高速发展，空间环境中广泛存在着多频段、多标准、多模式的无线信号，为了降低通信系统成本，寻求一种能兼容多个通信频段和标准的通用系统已成为业内的共识。因此，微波双通带或多通带滤波器已受到了业内较多关注。双模谐振器的一个谐振单元可以起到两个谐振器的作用，这样就可以大大减小电路的尺寸同时保证电路的性能不受到影响。目前，多种多样的设计方法已验证了多种双模谐振器，比如，贴片谐振器、矩形环，加载枝节的半波长谐振器等，这些谐振器已经广泛应用于双通带带通滤波器的设计中。

在现代通信系统中，平衡式电路由于具有抑制环境噪声和电磁串扰的优势，得到了广泛的研究。巴伦基于能将平衡信号和非平衡信号进行相互转换的特性，作为一种重要的器件已经被广泛的应用在平衡式混频器，平衡式推挽放大器和天线的差分馈电网络等电路中。另一方面在很多情况下在平衡式电路的输入或者输出需要连接滤波器来实现对信号的选择。为了减小电路的尺寸和成本，实现一个器件的多功能，将巴伦和滤波器集成在一起形成巴伦滤波器的概念被提了出来，其中采用双模环形谐振器和双模的贴片谐振器设计的单通带巴伦滤波器已经被设计了出来，它们的结构简单尺寸也比较小。但随着无线通信的发展，对双通带和多通带系统的需求也越来越多。为了满足这种需求，对于双通带巴伦滤波器的研究也越来越受到关注，一些双通带的巴伦滤波器也已经被设计了出来，例如采用阶跃阻抗谐振器设计的带宽和工作频率独立可控的多层双模双通带巴伦滤波器，采用一端开路的平衡式混合结构实现的带宽和工作频率独立可控的多层双模双通带巴伦滤波器。这些巴伦滤波器的频率和带宽都是一一对应的。可见在以往的双通带巴伦滤波器设计中，普遍都是频率或带宽的单独可控。在实际的设计和应用中往往需要对巴伦滤波器的工作频率和带宽进行分别控制，目前已有的研究中这方面的工作还很少。设计一个工作频率和带宽同时独立可控的双通带巴伦滤波器也成为一个难点。目前，尚缺少一种简单的耦合拓扑结构并通过计算简单地实现具有双通带频率和带宽独立可控的双模双通带巴伦滤波器。

发明内容

为了解决现有技术中的带宽和工作频率独立可控的多层双模双通带巴伦滤波器的谐振频率和带宽无法独立可控的缺陷，提供一种谐振频率和带宽独立可控的带宽和工作频率独立可控的多层双模双通带巴伦滤波器。

本发明解决技术问题采用的技术手段是：提供一种带宽和工作频率独立可控的多层双模双通带巴伦滤波器，包括第一微波介质基片、第二微波介质基片以及用于连接所述第一微波介质基片和所述第二微波介质基片的连接机构，所述第一微波介质基片和所述第二微波介质基片相互平行且正对；

所述第一微波介质基片的朝向所述第二微波介质基片的一面设置有作为公共地的第一金属层或者所述第二微波介质基片的朝向所述第一微波介质基片的一面设置有作为公共地的第一金属层；

所述第一金属层上设置有两条正交且长度不相等的第一缝隙；所述第一微波介质基片的远离所述第二微波介质基片的一面设置有第一贴片谐振器，所述第一贴片谐振器设置有两条正交且长度不相等的第二缝隙，所述第一贴片谐振器设置有一输入端；所述第二微波介质基片的远离所述第一微波介质基片的一面设置有第二贴片谐振器，所述第二贴片谐振器上设置有两条正交且长度不相等的第三缝隙，所述第二贴片谐振器设置有两个输出信号幅度相同且相位相反的输出端；

两条所述第二缝隙分别与两条所述第三缝隙平行，两条所述第一缝隙分别与两条所述第三缝隙平行；两条所述第二缝隙的正交点、两条所述第三缝隙的正交点以及两条所述第一缝隙的正交点位于同一直线上。

在本发明提供的带宽和工作频率独立可控的多层双模双通带巴伦滤波器中，所述连接机构为半固化片，所述第一微波介质基片、所述半固化片以及所述第二微波介质基片依次层叠设置。

在本发明提供的带宽和工作频率独立可控的多层双模双通带巴伦滤波器中，所述连接机构为塑料螺丝。

在本发明提供的带宽和工作频率独立可控的多层双模双通带巴伦滤波器中，所述第一贴片谐振器和所述第二贴片谐振器均呈正方形，所述第一贴片谐振器和所述第二贴片谐振器在一平行于所述第一微波介质基片的平面上的投影重合。

在本发明提供的带宽和工作频率独立可控的多层双模双通带巴伦滤波器中，两条所述第二缝隙分别位于所述第一贴片谐振器的两条对角线上，两条所述第三缝隙分别位于所述第二贴片谐振器的两条对角线上。

在本发明提供的带宽和工作频率独立可控的多层双模双通带巴伦滤波器中，所述第一微波介质基片和所述第二微波介质基片具有相同的介电常数和厚度。

在本发明提供的带宽和工作频率独立可控的多层双模双通带巴伦滤波器中，所述输入端和两个所述输出端均为微带线，所述输入端在所述第二贴片谐振器上的投影与两个所述输出端垂直。

实施本发明具有以下有益效果：通过分别控制两条第一缝隙的长度，可以分别控制对应通带的带宽，通过控制两条第二缝隙以及第三缝隙的长度，可以分别控制对应通带的中心频率，利用新型的拓扑结构实现了独立控制两个通带带宽和中心频率。

附图说明

下面将结合附图及实施例对本发明作进一步说明，附图中：

图1是本发明一优选实施例中的带宽和工作频率独立可控的多层双模双通带巴伦滤波器的立体结构示意图；

图2是图1所示实施例中的带宽和工作频率独立可控的多层双模双通带巴伦滤波器的第一贴片谐振器层电路的示意图；

图3是图1所示实施例中的带宽和工作频率独立可控的多层双模双通带巴伦滤波器的中间公共地层电路的示意图；

图4是图1所示实施例中的带宽和工作频率独立可控的多层双模双通带巴伦滤波器的第二贴片谐振器层电路的示意图；

图5是第一贴片谐振器以及第二贴片谐振器的谐振频率随着l₁和l₂变化时的响应图；

图6是本发明的带宽和工作频率独立可控的多层双模双通带巴伦滤波器的耦合方案中，模1^A2^A之间的耦合系数和模1^B2^B之间的耦合系数随中间层公共地上缝隙长度g₁变化趋势曲线图；

图7是对应的二端口双通带带通滤波器的耦合方案示意图；

图8是图1所示实施例中的三端口的带宽和工作频率独立可控的多层双模双通带巴伦滤波器耦合方案示意图；

图9是改变沿着对角面A-A¹方向延伸的第二缝隙以及第三缝隙的长度l₁所对应的通带的频率变化的仿真响应曲线；

图10是改变沿着对角面A-A¹方向延伸的第一缝隙的长度g₁所对应的通带的带宽变化的仿真响应曲线；

图11是图1所示实施例中的带宽和工作频率独立可控的多层双模双通带巴伦滤波器的仿真和测试的频率响应曲线对照图；

图12是图11中仿真和测试的频率响应曲线对照图的局部示意图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明作更详细的说明。

如图1所示，本发明提供的带宽和工作频率独立可控的多层双模双通带巴伦滤波器包括第一微波介质基片10、第二微波介质基片20以及用于连接所述第一微波介质基片10和所述第二微波介质基片20的连接机构30，第一微波介质基片10和第二微波介质基片20相互平行且正对。

第一微波介质基片10的朝向第二微波介质基片20的一面设置有作为公共地的第一金属层11，第一金属层11上设置有两条正交且长度不相等的第一缝隙111。第一微波介质基片10的远离第二微波介质基片20的一面设置有第一贴片谐振器12，第一贴片谐振器12设置有两条正交且长度不相等的第二缝隙121，第一贴片谐振器12设置有一输入端122。第二微波介质基片20的远离第一微波介质基片10的一面设置有第二贴片谐振器21，第二贴片谐振器21上设置有两条正交且长度不相等的第三缝隙211，第二贴片谐振器21设置有两个输出信号幅度且相同相位相反的输出端212。第一缝隙111、第二缝隙121以及第三缝隙211的设置方式可以采用腐蚀，但不限于此。

当然可以理解地，该作为公共地的第一金属层11还可以设置在第二微波介质基片20的朝向第一微波介质基片10的一面上。

在本实施例中，两条第二缝隙121分别和两条第三缝隙211平行且正对，也即是两条第二缝隙121分别和两条和第三缝隙211平行且正对在第一微波介质基片10上的投影重合。两条第一缝隙111分别与两条第二缝隙121平行；两条第二缝隙121的正交点、两条第三缝隙211的正交点以及两条第一缝隙111的正交点位于同一直线上。两条第二缝隙121分别与两条第三缝隙221长度相等。

第一贴片谐振器12和第二贴片谐振器21通过第一金属层11上的两条相互正交且长度不相等的第一缝隙111来实现耦合，通过调整第二缝隙121和第三缝隙211的长度可以调整双通带频率，通过调整第一缝隙111的长度可以调整带宽。因此，本发明具有双通带频率和带宽独立可控的有益效果。

在本实施例中，该第一微波介质基片10和第二微波介质基片20的厚度和介电常数相同，当然可以理解地，也可以不相同。该第一贴片谐振器12为设置于第一微波介质基片10上的金属层，该第二贴片谐振器21为设置于第二微波介质基片20上的金属层，优选地，第一贴片谐振器12和第二贴片谐振器21均呈正方形。并且，两条第二缝隙121的正交点与第一贴片谐振器12的几何中心重合，两条第二缝隙121分别位于第一贴片谐振器12的两条对角线上。两条第三缝隙211的正交点与第二贴片谐振器21的几何中心重合，两条第三缝隙211分别位于第二贴片谐振器21的两条对角线上。

在本实施例中，输入端122和两个输出端212均为50Ω微带线，并且该两个输出端212相对于该第一贴片谐振器21对称，以达到两个输出端212输出的信号具有幅度相同、信号相反的效果。该输入端122在第二贴片谐振器21上的投影分别与两个输出端212垂直。

该连接机构30可以采用半固化片或者塑料螺丝。采用半固化片时，第一微波介质基片10、半固化片30以及第二微波介质基片20依次层叠设置。

如图2和图4所示，第一贴片谐振器12和第二贴片谐振器21为边长为a的正方形。其中电流沿第一贴片谐振器12和第二贴片谐振器21的对角面A-A¹分布的模定义为模A，电流沿对角面B-B¹分布的模定义为模B。模A在模B分布的方向上几乎为零，模B在模A的分布方向上也几乎为零，可以明确得到模A和模B之间是不相互影响的。

如图5所示，改变第一贴片谐振器12和第二贴片谐振器21上两个模式分别对应的第二缝隙121和第三缝隙211的长度时，第一贴片谐振器12和第二贴片谐振器21的谐振频率的响应。可以看到，当第一贴片谐振器12以及第二贴片谐振器21分别改变沿着对角面A-A¹方向延伸的第二缝隙121以及第三缝隙211的长度时，模A的谐振频率发生改变。当第一贴片谐振器12以及第二贴片谐振器21分别改变沿着对角面B-B¹方向延伸的第二缝隙121以及第三缝隙211的长度时，模B的谐振频率发生改变。因此，模A的谐振频率由第一贴片谐振器12以及第二贴片谐振器21沿着对角面A-A¹方向延伸的第二缝隙121以及第三缝隙211的长度l1控制。模B的谐振频率由第一贴片谐振器12以及第二贴片谐振器21分别沿着对角面B-B¹方向延伸的第二缝隙121以及第三缝隙211的长度l2控制。也即是，模A和模B的谐振频率可以得到独立地控制。

如图6，在第一金属层11上设置相互正交的第一缝隙111来为两个贴片谐振器之间两种模式提供独立的耦合路径，因此模1^A2^A之间的耦合，模1^B2^B之间的耦合强度可通过改变对应的第一金属层11上的第一缝隙111的长度可以得到独立控制。

如图7所示为对应的双通带滤波器的耦合方案，其中路径S-1^A-2^A-L(S指的是源，L指的是负载)形成第一个通带，路径S-1^B-2^B-L(S指的是源，L指的是负载)形成第二个通带，根据所给的双通带滤波器的指标得到双通带滤波器的耦合矩阵。依据将双通带滤波器的耦合方案转化为三端口的带宽和工作频率独立可控的多层双模双通带巴伦滤波器的耦合方案。如图8所示，在转换的过程中，带宽和工作频率独立可控的多层双模双通带巴伦滤波器耦合矩阵中的所有耦合系数和非平衡输入端口的外部品质因数Q_eS都与二端口的双通带带通滤波器耦合矩阵中的相同，除了平衡输出端口的外部品质因数Q_eL，相应的计算公式以及经过转换后所得到的带宽和工作频率独立可控的多层双模双通带巴伦滤波器的耦合矩阵如下：

$Q_{{\mathrm{eS}1}^A}=Q_{e{2}^{A}L}=\sqrt{2}\×Q_{e{2}^{A}L+}=\sqrt{2}\×Q_{e{2}^{A}L-}---\left(1\right)$

$Q_{{\mathrm{eS}1}^B}=Q_{e{2}^{B}L}=\sqrt{2}\×Q_{e{2}^{B}L+}=\sqrt{2}\×Q_{e{2}^{B}L-}---\left(2\right)$

$Q_{\mathrm{eS}{1}^N}=\frac{1}{\mathrm{FBW}\×{M^2}_{{S1}^N}}(N=A/B)---\left(3\right)$

$Q_{e{2}^{N}L}=\frac{1}{\mathrm{FBW}\×{M^2}_{2^{N}L}}(N=A/B)---\left(4\right)$

如图9所示，在该带宽和工作频率独立可控的多层双模双通带巴伦滤波器的耦合矩阵中通过同时改变M₁ ^A ₁ ^A和M₂ ^A ₂ ^A的值并M₁ ^B ₁ ^B和M₂ ^B ₂ ^B的值保持不变，带宽和工作频率独立可控的多层双模双通带巴伦滤波器低通带的频率会随之改变而高通带的频率保持不变。如图10所示，通过分别改变M₁ ^A ₂ ^A和M₁ ^B ₂ ^B的值，带宽和工作频率独立可控的多层双模双通带巴伦滤波器两个通带的带宽可以得倒控制；例如当控制M₁ ^A ₂ ^A增大而M₁ ^B ₂ ^B保持不变时，带宽和工作频率独立可控的多层双模双通带巴伦滤波器的低通带的带宽得到了拓宽而高通带的带宽保持不变。

参照图2、图3以及图4，本发明一优选实施例中的带宽和工作频率独立可控的多层双模双通带巴伦滤波器的尺寸被确定如下：g₂＝17mm,g₁＝29.2mm,w＝0.5mm,w₂＝0.85mm,w_g＝1mm,l₁＝31.2mm,l₂＝17.2mm,l₃＝2.4mm,l₄＝1.5mm,l₅＝3.2mm,l₆＝1.1mm,l₇＝3mm,a＝25.6mm,h₁＝0.1mm,h＝0.508mm。使用软件HFSS以及安捷伦N5230C网络分析器对本发明的双模带宽和工作频率独立可控的多层双模双通带巴伦滤波器进行模拟和测量，测量的结果如图11和图12所示，通带集中在频率为1.55GHz和2.35GHz处，FBW为9.67％和8.1％，插入损耗的最小值为1.5dB，带内回波损耗小于10dB。

应当理解的是，对本领域普通技术人员来说，上面结合附图对本发明的实施例进行了描述，但是本发明并不局限于上述的具体实施方式，上述的具体实施方式仅仅是示意性的，而不是限制性的，本领域的普通技术人员在本发明的启示下，在不脱离本发明宗旨和权利要求所保护的范围情况下，还可做出很多形式，这些均属于本发明的保护之内。

Claims (7)

1.一种带宽和工作频率独立可控的多层双模双通带巴伦滤波器，其特征在于，包括第一微波介质基片(10)、第二微波介质基片(20)以及用于连接所述第一微波介质基片(10)和所述第二微波介质基片(20)的连接机构(30)，所述第一微波介质基片(10)和所述第二微波介质基片(20)相互平行且正对；

所述第一微波介质基片(10)的朝向所述第二微波介质基片(20)的一面设置有作为公共地的第一金属层(11)或者所述第二微波介质基片的朝向所述第一微波介质基片(10)的一面设置有作为公共地的第一金属层(11)；

所述第一金属层(11)上设置有两条正交且长度不相等的第一缝隙(111)；所述第一微波介质基片(10)的远离所述第二微波介质基片(20)的一面设置有第一贴片谐振器(12)，所述第一贴片谐振器(12)设置有两条正交且长度不相等的第二缝隙(121)，所述第一贴片谐振器(12)设置有一输入端(122)；所述第二微波介质基片(20)的远离所述第一微波介质基片(10)的一面设置有第二贴片谐振器(21)，所述第二贴片谐振器(21)上设置有两条正交且长度不相等的第三缝隙(211)，所述第二贴片谐振器(21)设置有两个输出信号幅度相同且相位相反的输出端(212)；

两条所述第二缝隙(121)分别与两条所述第三缝隙(211)平行，两条所述第一缝隙(111)分别与两条所述第三缝隙(211)平行；两条所述第二缝隙(121)的正交点、两条所述第三缝隙(211)的正交点以及两条所述第一缝隙(111)的正交点位于同一直线上。

2.根据权利要求1所述的带宽和工作频率独立可控的多层双模双通带巴伦滤波器，其特征在于，所述连接机构(30)为半固化片，所述第一微波介质基片(10)、所述半固化片以及所述第二微波介质基片(20)依次层叠设置。

3.根据权利要求1所述的带宽和工作频率独立可控的多层双模双通带巴伦滤波器，其特征在于，所述连接机构(30)为塑料螺丝。

4.根据权利要求1所述的带宽和工作频率独立可控的多层双模双通带巴伦滤波器，其特征在于，所述第一贴片谐振器(12)和所述第二贴片谐振器(21)均呈正方形，所述第一贴片谐振器(12)和所述第二贴片谐振器(21)在一平行于所述第一微波介质基片(10)的平面上的投影重合。

5.根据权利要求4所述的带宽和工作频率独立可控的多层双模双通带巴伦滤波器，其特征在于，两条所述第二缝隙(121)分别位于所述第一贴片谐振器(12)的两条对角线上，两条所述第三缝隙(211)分别位于所述第二贴片谐振器(21)的两条对角线上。

6.根据权利要求1所述的带宽和工作频率独立可控的多层双模双通带巴伦滤波器，其特征在于，所述第一微波介质基片(10)和所述第二微波介质基片(20)具有相同的介电常数和厚度。

7.根据权利要求1所示的带宽和工作频率独立可控的多层双模双通带巴伦滤波器，其特征在于，所述输入端(122)和两个所述输出端(212)均为微带线，所述输入端(122)在所述第二贴片谐振器(21)上的投影与两个所述输出端(212)垂直。