CN104134836B - 一种基于四分之一波长短路馈线的平面双工器 - Google Patents
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Abstract
本发明公开一种基于四分之一波长短路馈线的平面双工器，以印刷电路板的方式制作在双面履铜微带板上，所述双面覆铜微带板的同一面上分别制作有用于传输混频电磁波信号的馈线端口port2、用于传输所需高频段电磁波信号的馈线端口port1、用于传输所需低频段电磁波信号的馈线端口port3、四根端口馈线、三个高频段带通滤波器、三个低频段带通滤波器，该双面覆铜微带板的另一面为覆铜接地板。本发明的双工器的T型接头采用两个短路线，两个短路线分别对应两个通道的四分之一波长，抑制了馈线对相邻通道的干扰，两个通道特性独立可调，提高了双工器的隔离度，另一方面，相比半波长匹配网络，节省了空间，降低了双工器的成本。
Description
技术领域
本发明涉及平面结构的双工器，特别涉及一种基于四分之一波长短路馈线的平面双工器。
背景技术
由于近年来无线通信的高速发展，无论是3G技术的普及、物联网的火热还是4G的到来，都标志着无线技术又将迎来一个蓬勃发展的高峰期。如今的无线通信系统，基本都是双工的系统，对于时分双工，只要将收与发安排在不同的时间片就可以解决问题了，而对于频分双工，为了减少天线的数量则需要设计专门的器件来使不同频率的电磁波共用一副天线而不互相引起干扰，这样的器件就是双工器。而小型化、成本低、低损耗、高隔离度的双工器也成为了近年来的研究热点之一。
目前，常用的双工器类型有：波导双工器、同轴双工器、介质双工器、SAW双工器。这些双工器各有优缺点，比如波导双工器应用的时间最久也最成熟，它损耗低、工作频率高，但是体积大、成本高、调谐困难；同轴双工器的介质损耗和欧姆损耗都很小，并且稳定性高、屏蔽性好，但是在移动通信频域内，它的体积仍然显得太大；介质双工器虽然实现了双工器的小型化，但是成本太高；SAW双工器可以实现任意精度的频率特性，而且体积小、设计灵活性好、可靠性高，但不足之处是成本高、损耗大、高频承受功率低。
如今移动通信技术的不断发展，频谱资源越来越匮乏。随着便携式无线电子产品的疯狂增长，小型化、成本低、高频化成为了双工器研究的标向，而平面双工器正好能满足这些要求，并且良好结构的双工器还能满足较低损耗和较高隔离度的要求。
目前平面双工器比较常用也比较方便的设计方法是先设计出两个位于低频段和高频段的带通滤波器，然后用T型接头把这两个不同中心频率的带通滤波器连接起来，再通过调整各个端口的匹配以及修正两个滤波器与T型接头的连接带来的互相耦合的影响，使平面双工器的性能达到预期的指标。
发明内容
本发明的目的在于克服现有技术的缺点与不足，提供一种基于四分之一波长短路馈线的平面双工器，该发明公开了一种高隔离度的基于四分之一波长短路馈线的微带双工器的设计方案，即将两个有带通滤波器用T型接头连接起来，T型接头采用两个短路线，分别对应于两个通道的四分之一波长，有效地抑制了馈线对相邻通道的干扰，两个通道特性独立可调，提高了两个通道之间的隔离度，具有隔离度高、体积小、成本低、特性好的特点。
本发明的目的通过下述技术方案实现：
一种基于四分之一波长短路馈线的平面双工器，以印刷电路板的方式制作在双面履铜微带板上，所述双面覆铜微带板的同一面上分别制作有用于传输混频电磁波信号的馈线端口port2、用于传输所需高频段电磁波信号的馈线端口port1以及用于传输所需低频段电磁波信号的馈线端口port3、第一端口馈线、第二端口馈线、第三端口馈线以及第四端口馈线、第一高频段带通滤波器、第二高频段带通滤波器以及第三高频段带通滤波器、第一低频段带通滤波器、第二低频段带通滤波器以及第三低频段带通滤波器，该双面覆铜微带板的另一面为覆铜接地板；馈线端口port1和第一端口馈线的底端连接构成L型接头，馈线端口port3和第二端口馈线的底端连接构成L型接头，第三端口馈线与第四端口馈线底端连接构成U字型，U字型的下端中间与馈线端口port2垂直连接；所述第一高频段带通滤波器、第二高频段带通滤波器以及第三高频段带通滤波器从左至右依次位于第一端口馈线和第三端口馈线之间，其中第一高频段带通滤波器和第三高频段带通滤波器呈U字型，第二高频段带通滤波器呈倒U字型；所述第一低频段带通滤波器、第二低频段带通滤波器以及第三低频段带通滤波器，从左至右依次位于第四端口馈线和第三端口馈线之间，其中第一低频段带通滤波器和第三低频段带通滤波器呈U字型，第二低频段带通滤波器呈倒U字型；并且所述馈线端口port1和第一端口馈线的底端连接构成L型接头、馈线端口port3和第二端口馈线的底端连接构成L型接头、第三端口馈线与第四端口馈线底端连接构成U字型、第一高频段带通滤波器、第二高频段带通滤波器以及第三高频段带通滤波器、第一低频段带通滤波器、第二低频段带通滤波器以及第三低频段带通滤波器的底端位于同一水平线上。
优选的，所述第一高频段带通滤波器、第二高频段带通滤波器、第三高频段带通滤波器均由两条平行于第一端口馈线和第三端口馈线的纵向微带以及一条垂直于第一端口馈线和第三端口馈线的横向微带组合构成U字型，并且上述三个高频段带通滤波器物理尺寸大小相等；所述第一低频段带通滤波器、第二低频段带通滤波器、第三低频段带通滤波器均由两条平行于第四端口馈线和第二端口馈线的纵向微带以及一条垂直于第四端口馈线和第二端口馈线的横向微带组合构成U字型，并且上述三个低频段带通滤波器物理尺寸大小相等。
优选的，第三端口馈线为1/4λ1长度的开路线，第四端口馈线为1/4λ2长度的开路线，其中λ1、λ2分别为所述的低频段带通滤波器、高频段带通滤波器中心频率波导波长。
优选的，所述馈线端口port1、馈线端口port2和馈线端口port3均为50欧姆的匹配阻抗。
优选的，所述馈线端口port1、馈线端口port2和馈线端口port3的物理尺寸大小相等，宽度均为2.2mm，长度均为5.0mm。
优选的，所述第一端口馈线的长度为26.0mm、第二端口馈线的长度为22.0mm、第三端口馈线的长度为26.0mm、第四端口馈线的长度为21.0mm，它们的宽度均为1.0mm。
优选的，所述第一高频段带通滤波器、第二高频段带通滤波器、第三高频段带通滤波器的横向或纵向微带的宽度均为1.1mm，其中纵向微带的长度19.6mm，横向微带的长度为6.0mm。
优选的，所述第一低频段带通滤波器、第二低频段带通滤波器以及第三低频段带通滤波器的横向或纵向微带的宽度均为1.2mm，其中纵向微带的长度24.8mm，横向微带的长度为4.7mm。
优选的，所述第一高频段带通滤波器的左侧纵向微带与第一端口馈线之间存在耦合间隙，并且距离为0.2mm；所述第三高频段带通滤波器的右侧侧纵向微带与第三端口馈线之间存在耦合间隙，并且距离为0.2mm；同时所述第一高频段带通滤波器的右侧纵向微带与第二高频段带通滤波器的左侧纵向微带之间存在耦合间隙，并且距离为2.1mm；所述第二高频段带通滤波器的右侧纵向微带与第三高频段带通滤波器的左侧纵向微带之间存在耦合间隙，并且距离为2.1mm。
优选的，所述第三低频段带通滤波器的左侧纵向微带与第二端口馈线之间存在耦合间隙，并且距离为0.2mm；所述第一低频段带通滤波器的左侧侧纵向微带与第四端口馈线之间存在耦合间隙，并且距离为0.2mm；同时所述第一低频段带通滤波器的右侧纵向微带与第二高频段带通滤波器的左侧纵向微带之间存在耦合间隙，并且距离为2.0mm；所述第二低频段带通滤波器的右侧纵向微带与第三低频段带通滤波器的左侧纵向微带之间存在耦合间隙，并且距离为2.0mm。
本发明相对于现有技术具有如下的优点及效果：
1、本发明中双工器公共端由两根四分之一波长短路线组成，相比半波长匹配网络，尺寸大大减小。
2、本发明通过引入四分之一波长短路线，抑制了馈线对相邻通道的干扰，两个通道特性独立可调，提高了双工器的隔离度。
3、本发明中由于双工器为微带结构，重量轻、成本低、适合工业批量生产，因此双工器具备结构简单、设计容易、制造成本低廉的优点。
附图说明
图1是本发明中基于四分之一波长短路馈线的平面双工器的结构示意图；
图2是本发明中基于四分之一波长短路馈线的平面双工器的的尺寸图；
图3是本发明中基于四分之一波长短路馈线的平面双工器的的散射参数仿真图；
图中，附图标记为：1-双面履铜微带板，2-第一端口馈线，3-第一高频段带通滤波器，4-第二高频段带通滤波器，5-第三高频段带通滤波器，6-第三微带谐振器，7-第一低频段带通滤波器，8-第二低频段带通滤波器，9-第三低频段带通滤波器，10-第二端口馈线，11-第四端口馈线。
具体实施方式
下面结合实施例及附图对本发明作进一步详细的描述，但本发明的实施方式不限于此。
实施例
本发明的平面双工器结构如图1所示，一种基于四分之一波长短路馈线的平面双工器，以印刷电路板的方式制作在双面履铜微带板1上，所述双面覆铜微带板1的同一面上分别制作有用于传输混频电磁波信号的馈线端口port2、用于传输所需高频段电磁波信号的馈线端口port1以及用于传输所需低频段电磁波信号的馈线端口port3、第一端口馈线2、第二端口馈线10、第三端口馈线6以及第四端口馈线11、第一高频段带通滤波器3、第二高频段带通滤波器4以及第三高频段带通滤波器5、第一低频段带通滤波器7、第二低频段带通滤波器8以及第三低频段带通滤波器9，该双面覆铜微带板1的另一面为覆铜接地板。
馈线端口port1和第一端口馈线2的底端连接构成L型接头，馈线端口port3和第二端口馈线10的底端连接构成L型接头，第三端口馈线6与第四端口馈线11底端连接构成U字型，U字型的下端与馈线端口port2垂直连接。
所述第一高频段带通滤波器3、第二高频段带通滤波器4以及第三高频段带通滤波器5从左至右依次位于第一端口馈线2和第三端口馈线6之间，其中第一高频段带通滤波器3和第三高频段带通滤波器5呈U字型，第二高频段带通滤波器4呈倒U字型；所述第一低频段带通滤波器7、第二低频段带通滤波器8以及第三低频段带通滤波器9，从左至右依次位于第四端口馈线11和第三端口馈线10之间，其中第一低频段带通滤波器7和第三低频段带通滤波器9呈U字型，第二低频段带通滤波器8呈倒U字型。
并且所述馈线端口port1和第一端口馈线2的底端连接构成L型接头、馈线端口port3和第二端口馈线10的底端连接构成L型接头、第三端口馈线6与第四端口馈线11底端连接构成U字型、第一高频段带通滤波器3、第二高频段带通滤波器4以及第三高频段带通滤波器5、第一低频段带通滤波器7、第二低频段带通滤波器8以及第三低频段带通滤波器9的底端位于同一水平线上。
所述第一高频段带通滤波器3、第二高频段带通滤波器4、第三高频段带通滤波器5均由两条平行于第一端口馈线2和第三端口馈线6的纵向微带以及一条垂直于第一端口馈线2和第三端口馈线6的横向微带组合构成U字型，并且上述三个高频段带通滤波器物理尺寸大小相等；所述第一低频段带通滤波器7、第二低频段带通滤波器8、第三低频段带通滤波器9均由两条平行于第四端口馈线11和第二端口馈线10的纵向微带以及一条垂直于第四端口馈线11和第二端口馈线10的横向微带组合构成U字型，并且上述三个低频段带通滤波器物理尺寸大小相等。
其中，第三端口馈线6为1/4λ1长度的开路线，第四端口馈线11为1/4λ2长度的开路线，其中λ1、λ2分别为所述的低频段带通滤波器、高频段带通滤波器中心频率波导波长。
对于第一高频段带通滤波器3、第二高频段带通滤波器4、第三高频段带通滤波器5，在高频段电磁波信号传输时，馈线端口port2可以通过第三端口馈线6正常馈电；而在低频段，馈线端口port2位于开路点，不能馈电。同理，对于第一低频段带通滤波器7、第二低频段带通滤波器8、第三低频段带通滤波器9，在低频段电磁波信号传输时，馈线端口port2可以通过第四端口馈线11正常馈电；而在高频段，馈线端口port2位于开路点，不能馈电。该设计的工作原理提高了高低两个频段之间的隔离度，大大地抑制了发射端口与接收端口之间的干扰。
在两个频段的带通滤波器的谐振器中，第一高频段带通滤波器3与第二高频段带通滤波器4、第二高频段带通滤波器4与第三高频段带通滤波器5、第一低频段带通滤波器7与第二低频段带通滤波器8、第二低频段带通滤波器8与第三低频段带通滤波器9之间存在耦合，调节耦合的强度可以灵活地改变两个带通滤波器的带宽。同时通过调节谐振器的长度可以改变带通滤波器的中心频率。
所述馈线端口port1、馈线端口port2和馈线端口port3均为50欧姆的匹配阻抗。
本发明的平面双工器结构尺寸如图2所示，该图中的结构尺寸都是通过反复实验得出的技术效果明显的尺寸结构。
如图2中标注，馈线端口port1、馈线端口port2和馈线端口port3的物理尺寸大小相等，宽度均为2.2mm，长度均为5.0mm。
第一端口馈线2的长度为26.0mm、第二端口馈线10的长度为22.0mm、第三端口馈线6的长度为26.0mm、第四端口馈线11的长度为21.0mm，而它们的宽度相等，均为1.0mm。
第一高频段带通滤波器3、第二高频段带通滤波器4、第三高频段带通滤波器5的横向或纵向微带的宽度均为1.1mm，其中纵向微带的长度19.6mm，横向微带的长度为6.0mm。
同时，第一低频段带通滤波器7、第二低频段带通滤波器8以及第三低频段带通滤波器9的横向或纵向微带的宽度均为1.2mm，其中纵向微带的长度24.8mm，横向微带的长度为4.7mm。
其中，第一高频段带通滤波器3的左侧纵向微带与第一端口馈线2之间存在耦合间隙，并且距离为0.2mm；第三高频段带通滤波器5的右侧侧纵向微带与第三端口馈线6之间存在耦合间隙，并且距离为0.2mm；从图2中标注还可以得出，第一高频段带通滤波器3的右侧纵向微带与第二高频段带通滤波器4的左侧纵向微带之间存在耦合间隙，并且距离为2.1mm；第二高频段带通滤波器4的右侧纵向微带与第三高频段带通滤波器5的左侧纵向微带之间存在耦合间隙，并且距离为2.1mm。
同理，其中第三低频段带通滤波器9的左侧纵向微带与第二端口馈线10之间存在耦合间隙，并且距离为0.2mm；所述第一低频段带通滤波器7的左侧侧纵向微带与第四端口馈线6之间存在耦合间隙，并且距离为0.2mm；同时从图2中标注还可以得出，第一低频段带通滤波器7的右侧纵向微带与第二高频段带通滤波器8的左侧纵向微带之间存在耦合间隙，并且距离为2.0mm；第二低频段带通滤波器8的右侧纵向微带与第三低频段带通滤波器9的左侧纵向微带之间存在耦合间隙，并且距离为2.0mm。
图3显示了双工器的散射参数仿真结果，其中心频率分别为2.0Ghz和2.4Ghz。横轴表示本发明中微带双工器的信号频率，纵轴表示幅度，包括插入损耗(S12、S13)的幅度、回波损耗(S11、S22、S33)的幅度以及隔离度(S23)的幅度，其中S11表示port1的回波损耗，S22表示port2的回波损耗，S33表示port3的回波损耗，S12表示port1和port3的插入损耗，S13表示port1和port3的插入损耗。插入损耗表示一个信号的输入功率与另一个端口信号的输出功率之间的关系，其相应的数学函数为：输出功率/输入功率(dB)＝20*log|S21|。回波损耗表示该端口信号的输入功率与信号的反射功率之间的关系,其相应的数学函数如下：反射功率/入射功率＝＝20*log|S11|。
在2.0Ghz的通带中，回波损耗|S11|和S33的绝对值大于20DB，插入损耗S13的绝对值小于1.5DB，在2.4Ghz的通带中，回波损耗S11和S22的绝对值大于15DB，插入损耗S12的绝对值小于3DB。从0—3.5Ghz的频率范围看，双工器的隔离度S23的绝对值大于50DB。另外，该双工器的每个通带两侧都能产生数个传输零点，大大提高了带外抑制性。
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 (10)
1.一种基于四分之一波长短路馈线的平面双工器，以印刷电路板的方式制作在双面履铜微带板(1)上，其特征在于：所述双面覆铜微带板(1)的同一面上分别制作有用于传输混频电磁波信号的馈线端口port2、用于传输所需高频段电磁波信号的馈线端口port1以及用于传输所需低频段电磁波信号的馈线端口port3、第一端口馈线(2)、第二端口馈线(10)、第三端口馈线(6)以及第四端口馈线(11)、第一高频段带通滤波器(3)、第二高频段带通滤波器(4)以及第三高频段带通滤波器(5)、第一低频段带通滤波器(7)、第二低频段带通滤波器(8)以及第三低频段带通滤波器(9)，该双面覆铜微带板(1)的另一面为覆铜接地板；馈线端口port1和第一端口馈线(2)的底端连接构成L型接头，馈线端口port3和第二端口馈线(10)的底端连接构成L型接头，第三端口馈线(6)与第四端口馈线(11)底端连接构成U字型，U字型的下端中间与馈线端口port2垂直连接；所述第一高频段带通滤波器(3)、第二高频段带通滤波器(4)以及第三高频段带通滤波器(5)从左至右依次位于第一端口馈线(2)和第三端口馈线(6)之间，其中第一高频段带通滤波器(3)和第三高频段带通滤波器(5)呈U字型，第二高频段带通滤波器(4)呈倒U字型；所述第一低频段带通滤波器(7)、第二低频段带通滤波器(8)以及第三低频段带通滤波器(9)，从左至右依次位于第四端口馈线(11)和第三端口馈线(10)之间，其中第一低频段带通滤波器(7)和第三低频段带通滤波器(9)呈U字型，第二低频段带通滤波器(8)呈倒U字型；并且所述馈线端口port1和第一端口馈线(2)的底端连接构成L型接头、馈线端口port3和第二端口馈线(10)的底端连接构成L型接头、第三端口馈线(6)与第四端口馈线(11)底端连接构成U字型、第一高频段带通滤波器(3)、第二高频段带通滤波器(4)以及第三高频段带通滤波器(5)、第一低频段带通滤波器(7)、第二低频段带通滤波器(8)以及第三低频段带通滤波器(9)的底端位于同一水平线上。
2.根据权利要求1所述的一种基于四分之一波长短路馈线的平面双工器，其特征在于：所述第一高频段带通滤波器(3)、第二高频段带通滤波器(4)、第三高频段带通滤波器(5)均由两条平行于第一端口馈线(2)和第三端口馈线(6)的纵向微带以及一条垂直于第一端口馈线(2)和第三端口馈线(6)的横向微带组合构成U字型，并且上述三个高频段带通滤波器物理尺寸大小相等；所述第一低频段带通滤波器(7)、第二低频段带通滤波器(8)、第三低频段带通滤波器(9)均由两条平行于第四端口馈线(11)和第二端口馈线(10)的纵向微带以及一条垂直于第四端口馈线(11)和第二端口馈线(10)的横向微带组合构成U字型，并且上述三个低频段带通滤波器物理尺寸大小相等。
3.根据权利要求2所述的一种基于四分之一波长短路馈线的平面双工器，其特征在于：第三端口馈线(6)为1/4λ1长度的开路线，第四端口馈线(11)为1/4λ2长度的开路线，其中λ1、λ2分别为所述的低频段带通滤波器、高频段带通滤波器中心频率波导波长。
4.根据权利要求1至3任一所述的一种基于四分之一波长短路馈线的平面双工器，其特征在于：所述馈线端口port1、馈线端口port2和馈线端口port3均为50欧姆的匹配阻抗。
5.根据权利要求1至3任一所述的一种基于四分之一波长短路馈线的平面双工器，其特征在于：所述馈线端口port1、馈线端口port2和馈线端口port3的物理尺寸大小相等，宽度均为2.2mm，长度均为5.0mm。
6.根据权利要求1至3任一所述的一种基于四分之一波长短路馈线的平面双工器，其特征在于：所述第一端口馈线(2)的长度为26.0mm、第二端口馈线(10)的长度为22.0mm、第三端口馈线(6)的长度为26.0mm、第四端口馈线(11)的长度为21.0mm，它们的宽度均为1.0mm。
7.根据权利要求2所述的一种基于四分之一波长短路馈线的平面双工器，其特征在于：所述第一高频段带通滤波器(3)、第二高频段带通滤波器(4)、第三高频段带通滤波器(5)的横向或纵向微带的宽度均为1.1mm，其中纵向微带的长度19.6mm，横向微带的长度为6.0mm。
8.根据权利要求2所述的一种基于四分之一波长短路馈线的平面双工器，其特征在于：所述第一低频段带通滤波器(7)、第二低频段带通滤波器(8)以及第三低频段带通滤波器(9)的横向或纵向微带的宽度均为1.2mm，其中纵向微带的长度24.8mm，横向微带的长度为4.7mm。
9.根据权利要求1至3任一所述的一种基于四分之一波长短路馈线的平面双工器，其特征在于：所述第一高频段带通滤波器(3)的左侧纵向微带与第一端口馈线(2)之间存在耦合间隙，并且距离为0.2mm；所述第三高频段带通滤波器(5)的右侧侧纵向微带与第三端口馈线(6)之间存在耦合间隙，并且距离为0.2mm；同时所述第一高频段带通滤波器(3)的右侧纵向微带与第二高频段带通滤波器(4)的左侧纵向微带之间存在耦合间隙，并且距离为2.1mm；所述第二高频段带通滤波器(4)的右侧纵向微带与第三高频段带通滤波器(5)的左侧纵向微带之间存在耦合间隙，并且距离为2.1mm。
10.根据权利要求1至3任一所述的一种基于四分之一波长短路馈线的平面双工器，其特征在于：所述第三低频段带通滤波器(9)的左侧纵向微带与第二端口馈线(10)之间存在耦合间隙，并且距离为0.2mm；所述第一低频段带通滤波器(7)的左侧侧纵向微带与第四端口馈线(6)之间存在耦合间隙，并且距离为0.2mm；同时所述第一低频段带通滤波器(7)的右侧纵向微带与第二高频段带通滤波器(8)的左侧纵向微带之间存在耦合间隙，并且距离为2.0mm；所述第二低频段带通滤波器(8)的右侧纵向微带与第三低频段带通滤波器(9)的左侧纵向微带之间存在耦合间隙，并且距离为2.0mm。
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