CN104882653B

CN104882653B - 一种采用改进型耦合馈线的平衡滤波器

Info

Publication number: CN104882653B
Application number: CN201510275811.7A
Authority: CN
Inventors: 褚庆昕; 邱雷雷
Original assignee: South China University of Technology SCUT
Current assignee: South China University of Technology SCUT
Priority date: 2015-05-26
Filing date: 2015-05-26
Publication date: 2017-10-20
Anticipated expiration: 2035-05-26
Also published as: CN104882653A

Abstract

本发明公开了一种采用改进型耦合馈线的平衡滤波器，包括输入输出端口及级联的两个改进型耦合馈线；其中一个改进型耦合馈线包括对称分布的第一耦合传输线和第二耦合传输线及加载在该第一耦合传输线和第二耦合传输线之间的第一枝节，另外一个改进型耦合馈线包括对称分布的第三耦合传输线和第四耦合传输线及加载在该第三耦合传输线和第四耦合传输线之间的第二枝节、第三枝节、第四枝节、第五枝节，所述第一耦合传输线、第二耦合传输线、第三耦合传输线、第四耦合传输线分别连接有一输入输出端口，每个输入输出端口各加载有耦合枝节，用于引入传输零点。本发明由于其自身的共模抑制，可以将差模和共模分开设计，共模抑制得到明显的改善。

Description

一种采用改进型耦合馈线的平衡滤波器

技术领域

本发明涉及微波通信的技术领域，尤其是指一种采用改进型耦合馈线的平衡滤波器。

背景技术

平衡滤波器自提出以来得到人们越来越多的关注，目前已有不同的结构满足不同的需求。但设计方法基本都是基于带阻滤波器和带通滤波器的综合设计，设计较复杂，难以同时实现高选择性和高共模抑制。因此，研究新型共模抑制结构变得越来越重要。

另外一方面，耦合线常常用于滤波器的设计中，但传统耦合馈线在传输差模信号的同时也传输了共模信号。耦合馈线本身对滤波器的共模信号没有抑制，因此需要施加额外的措施，例如GDS槽线、对称枝节加载、引入传输路径等来综合设计差模通带和共模阻带，增加了设计的复杂程度。因此迫切希望研究一种适用在平衡滤波器当中的、在馈线端就能实现共模抑制的耦合馈线结构，使得滤波器的设计主要集中在差模性能的实现上，从而简化设计。

综上，研究高共模抑制新型耦合馈线结构，设计射频/微波通信频段高选择性高共模抑制平衡滤波器具有极其重要的理论意义、极大的经济效益和广阔的应用前景。

平衡滤波器最基本的实现方式是以Lei Zhu团队提出的一系列枝节加载结构为代表。例如其2009年在IEEE Microwave and Wireless Components Letters发表题为“Adifferential-mode wideband bandpass filter on microstrip line for UWBapplication”的文章，差模时中心对称面短路，等效为短路枝节加载的枝节线结构带通滤波器。共模激励时，通过对称面上加载SIR(阶跃阻抗)开路枝节在通带内引入两个传输零点来抑制共模信号，如图8所示。此种方法设计的优势是通过增加枝节数来实现较宽的带宽，缺点是差模通带的选择性较差、共模阻带带宽有限、尺寸较大。

另一种实现平衡滤波器的方法是使用多模谐振器，例如2012年W Q Che.在IEEETransactions on Microwave Theory and Techniques发表的题为“Novel WidebandDifferential Bandpass Filters Based on T-Shaped Structure”文章，如图9所示。T型谐振器的三个谐振模式形成了差模通带，同时共模时在中心频率处引入传输零点，实现共模抑制。这种结构的优势是共模抑制范围覆盖到整个频带，尺寸较小。然而选择性仍需改善。

基于两路径信号同相叠加反相抑制的原理同样可以实现较好的共模抑制，如W QChe在Asia-Pacific Microwave Conference Proceedings(APMC)发表的题为“Amicrostrip ultra-wideband differential filter with shorted parallel coupled-line”的文章，如图10所示。当两条路径的信号叠加时，如果满足条件θ_path1(f₀)＝θ_path2(f₀)^±2nπ和θ_path1(f₀)＝θ_path2(f₀)^±nπ，(n＝1,2,3…)时，将分别产生一个通带和阻带。基于该方法设计的平衡滤波器，在整个频率范围内其共模信号都可以被抑制，但其差模通带的边带特性比较差。

此外，另一种高共模抑制的设计方法是基于槽线的设计，例如P Hsu在IEEEMicrowave and Wireless Components Letters发表的题为“A differential-modewideband bandpass filter with enhanced common-mode suppression using slotlineresonator”文章，如图11所示。由于共模时对称面处槽线磁流方向和磁壁边界存在着矛盾，共模信号不会被传输。所以这一类平衡滤波器的设计过程中只需保证对称面处槽线一定的长度就可实现很好的共模抑制效果，方法简便，可以设计宽带或超宽带。缺点是通带选择性较差。

发明内容

本发明的目的在于克服现有技术的不足，提供一种采用改进型耦合馈线的平衡滤波器，克服平衡滤波器高选择性和高共模抑制同时实现的难点，实现馈电端的共模抑制，使得滤波器的设计集中在差模通带的实现上；克服现有平衡滤波器通带选择性平缓的问题，提供具多传输零点的新型短路耦合枝节加载；克服平衡滤波器差模高频阻带难控制的问题，提供一种具谐波抑制的宽阻带实现方案。

为实现上述目的，本发明所提供的技术方案为：一种采用改进型耦合馈线的平衡滤波器，包括有输入输出端口及级联的两个改进型耦合馈线；其中一个改进型耦合馈线包括有镜像对称分布的第一耦合传输线和第二耦合传输线及加载在该第一耦合传输线和第二耦合传输线之间的第一枝节，所述第一枝节由两段镜像对称的传输线连接而成，该两段传输线与第一耦合传输线和第二耦合传输线同一对称轴；另外一个改进型耦合馈线包括有镜像对称分布的第三耦合传输线和第四耦合传输线及加载在该第三耦合传输线和第四耦合传输线之间的第二枝节、第三枝节、第四枝节、第五枝节，所述第二枝节的一端连接第三耦合传输线，其另一端分别连接第三枝节和第四枝节的一端，所述第三枝节的另一端与第四耦合传输线连接，该第二枝节和第三枝节镜像对称，且与第三耦合传输线和第四耦合传输线同一对称轴，所述第四枝节在该对称轴上延伸，其另一端与垂直于该对称轴的第五枝节的中心连接；所述第一耦合传输线、第二耦合传输线、第三耦合传输线、第四耦合传输线分别连接有一输入输出端口，每个输入输出端口各加载有耦合枝节，用于引入传输零点，该第一耦合传输线和第二耦合传输线的耦合枝节镜像对称，并与第一耦合传输线和第二耦合传输线同一对称轴，该第三耦合传输线和第四耦合传输线的耦合枝节镜像对称，并与第三耦合传输线和第四耦合传输线同一对称轴。

所述第一枝节、第二枝节、第三枝节、第四枝节、第五枝节为短路枝节或开路枝节。

所述输入输出端口为阻抗50Ω的传输线。

本发明与现有技术相比，具有如下优点与有益效果：

1、与已有共模抑制实现方法相比较，本发明的改进型耦合馈线结构，由于其自身的共模抑制，可以将差模和共模分开设计，设计独立、简便，共模抑制得到明显的改善。

2、与现有平衡滤波器高选择性实现方法相比较，本发明采用的短路耦合枝节加载方式会在通带为产生两个可控传输零点，改善了通带的选择性。

3、本发明提出的改进型耦合馈线可用于谐波抑制，可实现差模阻带的二次谐波抑制或高选择性高共模抑制设计。

4、由于本设计的滤波器采用平面结构，成本低，特性好，易集成，因此本发明比较适合集成到移动终端设备系统上。

附图说明

图1为本发明采用改进型耦合馈线的平衡滤波器的结构示意图。

图2为发明所使用的微带介质基板示意图。

图3a为传统耦合馈线Type-A的电路图。

图3b为传统耦合馈线Type-B的电路图。

图3c为改进型耦合馈线Type-A’的电路图。

图3d为改进型耦合馈线Type-B’的电路图。

图4a为本发明所述平衡滤波器的差模等效电路图。

图4b为本发明所述平衡滤波器的共模等效电路图。

图5a为本发明所述平衡滤波器差模等效电路响应的曲线图。

图5b为参数Zs和K1对本发明所述平衡滤波器通带特性影响的曲线图。

图6a为本发明所述平衡滤波器共模电路响应的曲线图。

图6b为本发明所述平衡滤波器共模特性随参数Zs和Zoo1的变化曲线图。

图7a为本发明所述平衡滤波器差模响应仿真测量结果图。

图7b为本发明所述平衡滤波器共模响应仿真测量结果图。

图8为背景技术中Lei Zhu团队提出的平衡滤波器的仿真测量结果图。

图9为背景技术中W Q Che的基于多模谐振器的平衡滤波器电路图。

图10为背景技术中W Q Che的基于多路径的平衡带通滤波器电路图。

图11为背景技术中P Hsu的基于槽线多模谐振器的平衡滤波器电路图。

具体实施方式

下面结合具体实施例对本发明作进一步说明。

如图1所示，本实施例所述的采用改进型耦合馈线的平衡滤波器，包括有输入输出端口A1、A2、A3、A4(阻抗50Ω的传输线)，及级联的两个改进型耦合馈线；其中一个改进型耦合馈线包括有以水平中心线00’为对称轴镜像对称分布的第一耦合传输线A5和第二耦合传输线A7及加载在该第一耦合传输线A5和第二耦合传输线A7之间的第一枝节A13，所述第一枝节A13由两段镜像对称的传输线连接而成，该两段传输线与第一耦合传输线A5和第二耦合传输线A7同一对称轴；另外一个改进型耦合馈线包括有以水平中心线00’为对称轴镜像对称分布的第三耦合传输线A6和第四耦合传输线A8及加载在该第三耦合传输线A6和第四耦合传输线A8之间的第二枝节A15、第三枝节A14、第四枝节A17、第五枝节A16，所述第二枝节A15的一端连接第三耦合传输线A6，其另一端分别连接第三枝节A14和第四枝节A17的一端，所述第三枝节A14的另一端与第四耦合传输线A8连接，该第二枝节A15和第三枝节A14镜像对称，且与第三耦合传输线A6和第四耦合传输线A8同一对称轴，所述第四枝节A17在该对称轴(即水平中心线00’)上延伸，其另一端与垂直于该对称轴的第五枝节A16的中心连接，所述第一枝节A13、第二枝节A15、第三枝节A14、第四枝节A17、第五枝节A16根据需要，选择为短路枝节或开路枝节，图3a和3b给出了传统耦合馈线的电路图，图3c和图3d给出了改进型耦合馈线的电路图，其中传统耦合馈线Type-A为带通类型的耦合线，而传统耦合馈线Type-B为带阻类型的耦合线，定义耦合线的耦合系数K₁＝(Z_oe1-Z_oo1)/(Z_oe1+Z_oo1)，通过将Type-A输入的开路端级联一段长度为θ_s的短路枝节，如图3c所示，使得中心频率处改进型耦合馈线Type-A’的带通传输特性等效于Type-A，同理，通过将Type-B输入的短路端替换为一段长度为θs的开路枝节，如图3d所示，通过改变θ_s，使得开路枝节在特定谐波频率处cos(θ_s)＝0，等效为短路，从而实现频率抑制；根据改进型耦合馈线类型Type-A’/Type-B’的带通/带阻特性，可以将其利用到对称平衡滤波器的设计当中，不仅避免了过孔，而且差模通带由于端接短路枝节而引入了额外的两个传输极点改善了通带性能；另一个优势是改进型耦合馈线自身具有阻抗匹配的特性，可实现差模宽带；此外，通过改变θ_s可以独立的控制共模传输零点的分布，实现高的抑制共模；因此，改进型耦合馈线避免了传统耦合馈线在传输差模信号的同时传输共模信号，实现了馈电端的共模抑制。

所述第一耦合传输线A5、第二耦合传输线A7、第三耦合传输线A6、第四耦合传输线A8分别连接有一输入输出端口，其中第一耦合传输线A5连接输入输出端口A1，第二耦合传输线A7连接输入输出端口A3，第三耦合传输线A6连接输入输出端口A2，第四耦合传输线A8连接输入输出端口A4，所述输入输出端口A1、A2、A3、A4各加载有耦合枝节，用于引入传输零点，其中输入输出端口A1加载有耦合枝节A9，输入输出端口A3加载有耦合枝节A10，输入输出端口A2加载有耦合枝节A11，输入输出端口A4加载有耦合枝节A12，该耦合枝节A9与耦合枝节A10级联，并与水平中心线00’为对称轴镜像对称分布，该该耦合枝节A11与耦合枝节A12级联，同样与水平中心线00’为对称轴镜像对称分布，定义耦合枝节的耦合系数为K₂＝(Z_oe2-Z_oo2)/(Z_oe2+Z_oo2)。由于结构对称，滤波器的对称面在差模和共模激励下分别等效为一个理想的电壁和磁壁，因此，其差模和共模等效电路如图4a和图4b所示。

当差模工作时，如图4a所示，级联的两个改进型耦合馈线Block1用来形成一个三极点带通响应如图5a所示，其中中心频率处极点由二分之波长耦合线产生，另外两个极点由加载的短路枝节(Z_s，θ₁)产生。为了提高通带的矩形度，输入输出端口分别级联短路耦合枝节Block2,它会在通带内增加两个极点改善通带的回波损耗的同时在带外产生两个传输零点，且仅与耦合系数K₂有关，K₂越小，带外传输零点向通带靠拢，选择性得到改善。图5b给出了改进型耦合馈线对滤波器差模通带特性的影响。可以看到当馈线加载的枝节阻抗Z_s增大时，通带带宽增加选择性变好。当Z_s不变，耦合系数K₁减小时，带内回波损耗减小，选择性变差。因此通过调节改进型耦合馈线可以实现对滤波器通带带宽和回波损耗的控制。

当共模工作时，如图4b所示，级联的两个改进型耦合馈线Block1(θ_s＝0)会在中心频率产生一个全阻响应，见图6a所示，全频带内都达到20dB的抑制。级联的短路耦合枝节Block2对共模抑制水平几乎没有影响。为进一步改善共模抑制，将改进型耦合馈线加载不同长度(θ_s＝90°)开路枝节，从而引入更多的传输零点(对应为2GHz和6GHz)，使得共模阻带更加平坦。从图6b可以看到，共模传输零点不受加载枝节阻抗Z_s和耦合馈线奇模阻抗Z_oo1的影响，Z_s越小或者Z_oo1越大，共模抑制效果越好。

本结构实施具有普遍性，比如图1结构中传输线可用微带线、带状线等结构。微带只是本实施例具体实现时所采用的结构。实施例结构如图1所示，采用的微带介质基板如图2所示，D₁为使用介质板的上层金属贴片，D₂为介质层(其相对介电常数为2.55，厚度为0.8mm，损耗角正切为0.029)，D₃为介质板下层接地金属贴片。

滤波器设计时，首先确定工作频率f₀，使得θ₁＝90°@f₀。根据带宽和回波损耗要求可以确定Z_S和K₁，K₂被用来控制传输零点的分布，Z_oo1和Z_oo2用来控制通带传输极点实现较平的纹波水平。为了高共模抑制，通过θ_S确定传输零点。

一款中心频率为4GHz，3-dB带宽为35％的平衡滤波器被设计，它的尺寸为0.63λ_g×0.64λ_g(λ_g为中心频率处波导波长)，电路参数分别为K₂＝0.37，K₁＝0.31，Z_oo2＝86Ω，Z_oo1＝88.75Ω，Z_s＝117Ω，θ₁＝90°，θ_s＝90°。为了避免改进型耦合线加载枝节间的耦合，采用了折叠结构。图7a和图7b给出了本例的仿真和测量对比结果。差模工作时，测量(电磁仿真)的中心频率为4(4.01)GHz，3dB相对带宽为35％(35.5％)，带内最小插损为0.7(0.3)dB。由于短路耦合枝节，测得在频率为3.05/4.99GHz(3.04/4.98GHz)处产生2个传输零点。测量和仿真都在4.85-11GHz达到20dB的带外抑制，显示出较好的谐波抑制。同时，由于实际物理结构引入源-负载耦合，测量(电磁仿真)在1.2(1.1875)GHz频率处产生传输零点，改善通带特性。共模工作时，由于改进型耦合线加载枝节长度的不同，测量(电磁仿真)在频率为2.06/3.78/5.57/8.04/10.2GHz(2.06/3.86/5.6/8.2/10.56GHz)处产生5个传输零点，共模在0.5-11.5GHz内都达到了20dB以上的抑制水平。

从上述实例可以看到，本发明提出的改进型耦合馈线，具有非常高的共模抑制，适用高选择性高共模抑制平衡滤波器的设计，具有重要的研究和工程实用价值，值得推广。

以上所述之实施例子只为本发明之较佳实施例，并非以此限制本发明的实施范围，故凡依本发明之形状、原理所作的变化，均应涵盖在本发明的保护范围内。

Claims

1.一种采用改进型耦合馈线的平衡滤波器，其特征在于：包括有输入输出端口及级联的两个改进型耦合馈线；其中一个改进型耦合馈线包括有镜像对称分布的第一耦合传输线和第二耦合传输线及加载在该第一耦合传输线和第二耦合传输线之间的第一枝节，所述第一枝节由两段镜像对称的传输线连接而成，该两段传输线与第一耦合传输线和第二耦合传输线同一对称轴；另外一个改进型耦合馈线包括有镜像对称分布的第三耦合传输线和第四耦合传输线及加载在该第三耦合传输线和第四耦合传输线之间的第二枝节、第三枝节、第四枝节、第五枝节，所述第二枝节的一端连接第三耦合传输线，其另一端分别连接第三枝节和第四枝节的一端，所述第三枝节的另一端与第四耦合传输线连接，该第二枝节和第三枝节镜像对称，且与第三耦合传输线和第四耦合传输线同一对称轴，所述第四枝节在该对称轴上延伸，其另一端与垂直于该对称轴的第五枝节的中心连接；所述第一耦合传输线、第二耦合传输线、第三耦合传输线、第四耦合传输线分别连接有一输入输出端口，每个输入输出端口各加载有耦合枝节，用于引入传输零点，该第一耦合传输线和第二耦合传输线的耦合枝节镜像对称，并与第一耦合传输线和第二耦合传输线同一对称轴，该第三耦合传输线和第四耦合传输线的耦合枝节镜像对称，并与第三耦合传输线和第四耦合传输线同一对称轴。

2.根据权利要求1所述的一种采用改进型耦合馈线的平衡滤波器，其特征在于：所述第一枝节、第二枝节、第三枝节、第四枝节、第五枝节为短路枝节或开路枝节。

3.根据权利要求1所述的一种采用改进型耦合馈线的平衡滤波器，其特征在于：所述输入输出端口为阻抗50Ω的传输线。