CN105070998B - 一种具有滤波功能的小型化交叉连接器 - Google Patents
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Abstract
本发明公开一种具有滤波功能的小型化交叉连接器，包括上层微带结构，中间层介质基板和下层接地金属板。上层微带结构由中间十字形谐振器和四个耦合馈电部分组成。这个电路有横向和纵向两个传输路径，分别传输低频和高频信号，并且在平面上实现了两路信号的交叉通过而互不影响。十字形谐振器附加的两个E行折合枝节用于调节高频通带。横向传输路径的两个端口由两条半波长馈电线和一条终端短路的四分之一波长传输线构成。纵向传输路径的两个端口部分由两条耦合馈电线构成，两条传输路径之间有良好隔离。本发明具有滤波选择性高，不同频率传输路径之间的隔离带宽很宽，尺寸小，平面易于实现的特点。
Description
技术领域
本发明涉及一种具有滤波功能的小型化交叉连接器，可应用于射频前端电路带滤波功能的交叉连接器，可为不同频率的天线阵馈电。
背景技术
交叉连接器是天线馈电网络和微带电路中的一种基本无源器件，它允许两路交叉的微波传输线分别传输两路不同的信号，在低损耗前提下还需保证相互之间的高隔离性能。在天线阵列的Butter矩阵应用当中，由于两路信号不可避免的交叉，交叉链接器的使用及其性能的好坏都显得尤为重要。
在近十年中，有不少关于交叉连接器的研究。从最初的用双环结构实现单通带交叉连接器到用带状线结构、带状耦合器结构或者变容二极管来实现双通带交叉连接器。上述的双通带交叉连接器设计方案或者只有单频点隔离，或者隔离带宽有限。用环形谐振器连接圆形贴片可以拓宽隔离带宽，其代价是尺寸较大。用波导或者3维多层结构实现的交叉连接器则难以与平面电路集成。为了改善上述交叉连接器的缺点，本发明提出了一种新型的具有滤波功能的小型化交叉连接器。
发明内容
本发明的目的在于克服现有技术存在的上述不足，提出一种具有滤波功能的小型化交叉连接器。本发明中，交叉连接器可在平面微带上实现，有效利用谐振器和端口传输线性能实现两条传输路径之间的宽隔离带宽。同时因整体微带线设计紧凑，所提出的结构具有较小的尺寸，更便于电路的集成。
为实现本发明目的，本发明所采用的技术方案如下。
一种具有滤波功能的小型化交叉连接器，包括上层微带结构、中间层介质基板和下层接地金属板，上层微带结构和下层接地金属板分别附着在中间层介质基板的上下表面；上层微带结构包括一个附加两个E形折合枝节的十字形谐振器和四个耦合馈电的端口部分，其中左侧低频信号的输入端口通过半波长馈电线将低频信号耦合到十字形谐振器上，途经横向传输路径，耦合至终端短路的四分之一波长传输线和半波长馈电线上，最后在右侧输出端口输出；上方高频信号的输入端口通过传输线将高频信号耦合到十字形谐振器上，途经纵向传输路径，耦合至下方输出端口输出；十字形谐振器包含横向和纵向的两条不同频率信号的传输路径；十字谐振器中的横向谐振器谐振时，交点处为该谐振器对应频率点f L 的电压分布零点，纵向谐振器加载在这个点对该频点f L 的影响能忽略；十字谐振器中的纵向谐振器谐振时，交点处为该谐振器对应频率点f H 的电压分布零点，纵向谐振器加载在这个点对该频点f H 的影响能忽略，实现横向和纵向高低谐振频率信号传输时不相互干扰；十字形谐振器中的横向谐振器的一半和纵向谐振器的一半构成了一个半波长谐振器，对应一个公共谐振模式的谐振频率f M ，f M 位于f L 和f H 之间途经横向传输路径输入输出端的半波长馈电传输线能产生一个传输零点，传输零点频率位于f L 和f H 之间且等于f M ，能抑制公共的谐振模式f M 的传播，该传输零点实现了相邻端口信号之间的隔离，也提高了电路的滤波性能。
进一步地，位于中间的十字形谐振器由一个横向谐振器、一个纵向谐振器和两个E形折合枝节组成；其中横向谐振器是由第一微带线、第二微带线、第三微带线、第四微带线和第五微带线连接组成的微带线，第二微带线、第三微带线均有一端与第一微带线的一端连接，第四微带线和第五微带线均匀一端与第一微带线的另一端连接；纵向谐振器是由第六微带线、第七微带线、第八微带线、第九微带线、第十微带线和第十一微带线连接组成的微带线，第六微带线、第七微带线位于同一直线上，且第八微带线、第九微带线均有一端与第六微带线的一端连接，第十微带线和第十一微带线均有一端与第七微带线连接；其中一个E形折合枝节是由第十二微带线、第十三微带线、第十四微带线、第十五微带线、第十六微带线和第十七微带线顺次连接组成的微带线；另一个E形折合枝节是由第十八微带线、第十九微带线、第二十微带线、第二十一微带线、第二十二微带线和第二十三微带线顺次连接组成的微带线；低频信号输入端口部分由第一输入端口连接一条半波长传输线组成，该半波长传输线是由第二十四微带线、第二十五微带线、第二十六微带线、第二十七微带线和第二十八微带线顺次连接组成的微带线；低频信号输出端口部分由第一输出端口连接一条半波长传输线和一条终端短路的四分之一波长传输线组成，该半波长传输线是由第二十九微带线、第三十微带线、第三十一微带线、第三十二微带线和第三十三微带线顺次连接组成的微带线，该终端短路的四分之一波长传输线是指第三十四微带线且它通过一个金属化过孔穿过中间层介质板与下层金属板相接；高频信号输入端口部分由第二输入端口连接一条耦合传输线组成，该耦合传输线是由第三十五微带线、第三十六微带线、第三十七微带线、第三十八微带线和第三十九微带线顺次连接组成的微带线；高频信号输出端口部分由第二输出端口连接一条耦合传输线组成，该耦合传输线是由第四十微带线、第四十一微带线、第四十二微带线、第四十三微带线和第四十四微带线顺次连接组成的微带线。
进一步地，十字谐振器中横向谐振器的微带线等效长度为低频信号谐振频率f L 对应波长λ L 的二分之一；十字谐振器中的纵向谐振器的微带线等效长度为高频信号谐振频率f H 对应波长λ H 的二分之一。
进一步地，十字形谐振器上附加的两个E形折合枝节用于调节高频通带的带宽。
进一步地，十字形谐振器上附加的两个E形折合枝节以及馈电线的弯折等措施能大大缩小电路的尺寸，传输零点的产生实现了滤波器和交叉链接器的融合设计。上述具有滤波功能的小型化交叉连接器，十字谐振器横向谐振器微带长度等效于低频信号谐振频率f L 对应波长λ L 的二分之一；十字谐振器纵向谐振器微带长度等效于高频信号谐振频率f H 对应波长λ H 的二分之一；十字形谐振器横向和纵向传输路径长度不同，从而可以实现不同高低频率信号的传输。
进一步地，低频输出端口部分的终端短路的传输线长度等效于低频信号谐振频率f L 对应波长λ L 的四分之一，有利于拓展低频通带的带宽。
进一步地，低频输入输出端口部分的半波长传输线长度等效于传输零点频率所对应的半波长，其中传输零点频率位于f L 和f H 之间，该传输零点有效实现了高低频信号的输入输出端口隔离。
相对于现有技术，本发明具有如下优点和技术效果：
（1）交叉连接器允许不同频率信号通过且具有滤波性能，两路信号之间的隔离性能好。
（2）交叉连接器采用平面微带结构，相当于一个传统的交叉链接器集成了两个不同频率的滤波器，易于平面电路集成且电路尺寸小。
附图说明
图1是具有滤波功能十字交叉连接器的结构图；
图2是具有滤波功能十字交叉连接器的示意图；
图3是低频通带的仿真和实测传输特性曲线图；
图4是高频通带的仿真和实测传输特性曲线图；
图5是低频端口和高频端口之间的仿真和实测隔离特性曲线图。
具体实施方案
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。
如图1所示，具有滤波功能的十字交叉连接器包括上层微带结构，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板上表面，中间层介质板下表面为接地金属；上层微带结构包括一个附加两个E形折合枝节的十字形谐振器和四个耦合馈电的端口部分；十字形谐振器包含横向和纵向的两条不同频率信号的传输路径；左侧低频信号的输入端口I/P1通过半波长传输线将低频信号耦合到十字形谐振器上，途经横向传输路径，耦合至终端短路的四分之一波长传输线和半波长传输线上，最后在右侧输出端口O/P2输出；上方高频信号的输入端口I/P3通过传输线将高频信号耦合到十字形谐振器上，途经纵向传输路径，耦合至下方输出端口O/P4输出。
如图1所示，位于中间的十字形谐振器由一个横向谐振器、一个纵向谐振器和两个E形折合枝节组成；其中横向谐振器是由第一微带线1、第二微带线16、第三微带线17、第四微带线18和第五微带线19连接组成的左右两端开路的微带线；纵向谐振器是由第六微带线2、第七微带线3、第八微带线20、第九微带线21、第十微带线22和第十一微带线23连接组成的上下两端开路的微带线；其中一个E形折合枝节是由第十二微带线4、第十三微带线5、第十四微带线6、第十五微带线7、第十六微带线8和第十七微带线9依次连接组成的微带线；另一个E形折合枝节是由第十八微带线10、第十九微带线11、第二十微带线12、第二十一微带线13、第二十二微带线14和第二十三微带线15依次连接组成的微带线；低频信号输入端口部分由第一输入端口I/P1连接一条半波长传输线组成，该半波长传输线是由第二十四微带线24、第二十五微带线25、第二十六微带线26、第二十七微带线27和第二十八微带线28连接组成的微带线；低频信号输出端口部分由第一输出端口O/P2连接一条半波长传输线和一条终端短路的四分之一波长传输线组成，该半波长传输线是由第二十九微带线30、第三十微带线31、第三十一微带线32、第三十二微带线33和第三十三微带线34连接组成的微带线，该终端短路的四分之一波长传输线是指第三十四微带线29且它的上末端通过一个金属化过孔45穿过中间层介质板与下层金属板相接；高频信号输入端口部分由第二输入端口I/P3连接一条耦合传输线组成，该耦合传输线是由第三十五微带线35、第三十六微带线36、第三十七微带线37、第三十八微带线38和第三十九微带线39连接组成的微带线；高频信号输出端口部分由第二输出端口O/P4连接一条耦合传输线组成，该耦合传输线是由第四十微带线40、第四十一微带线41、第四十二微带线42、第四十三微带线43和第四十四微带线44连接组成的微带线；十字谐振器横向谐振器微带长度等效于低频信号谐振频率f L 对应波长λ L 的二分之一；十字谐振器纵向谐振器微带长度等效于高频信号谐振频率f H 对应波长λ H 的二分之一；低频输出端口部分的终端短路的传输线长度等效于低频信号谐振频率f L 对应波长λ L 的四分之一。
如图2十字交叉连接器示意图所示，各微带线尺寸参数如下：L 1 =11.2±0.05mm, L 2 =4.6±0.05mm, L 3 =3.0±0.05mm, L 4 =8.2±0.05mm, L 5 =4.8±0.05mm, L 6 =4.5±0.05mm,L 7 =2.8±0.05mm, L 8 =16.7±0.05mm, L 9 =25.2±0.05mm, L 10 =5.8±0.05mm, W 1 =1.56±0.02mm, W 2 =0.8±0.02mm, W 3 =0.8±0.02mm, W 4 =0.4±0.02mm, W 5 =0.3±0.02mm, g 1 =0.25±0.01mm, g 2 =0.2±0.01mm, g 3 =0.15±0.01mm。
每一个输入输出端口的阻抗可以通过改变谐振器之间的耦合强度和端口位置进行调节以达到匹配。如图1的四个端口，其中输入端口I/P1和I/P3的输入阻抗为50欧姆，输出端口O/P2和O/P4的输出阻抗也为50欧姆。图3、图4和图5分别包含本十字交叉连接器各个输入输出端口的自身以及相互幅度仿真响应。
实施例
具有滤波功能的十字交叉连接器的结构图如图1所示，有关尺寸规格如图2所示。介质基板的厚度为0.81mm，相对介电常数为3.38。
图3是按照上述参数设计出来的一个具有滤波功能的十字交叉连接器的低频通带的仿真和实测传输特性曲线图；传输特性曲线途中的横轴表示频率，纵轴表示传输特性，其中S11表示第一输入端口I/P1的回波损耗，S21表示端口I/P1到端口O/P2的插入损耗；由仿真及实测结果可见，低频通带中心频率在2GHz,在中心频点的实测插入损耗为-0.29dB，实测回波损耗为-26dB,通带两边各有一个传输零点，有效改善滤波功能的滚降特性。图4是按照上述参数设计出来的具有滤波功能的十字交叉连接器的高频通带的仿真和实测传输特性曲线图，其中S33表示第二输入端口I/P3的回波损耗，S43表示端口I/P3到端口O/P4的插入损耗；由仿真及实测结果可见，高频通带中心频率在2.45GHz,在中心频点的实测插入损耗为-0.22dB，实测回波损耗为-19dB,通带一边有一个传输零点。图5是按照上述参数设计出来的具有滤波功能的十字交叉连接器的低频端口和高频端口之间的仿真和实测隔离特性曲线图，S31表示第二输入端口I/P3与第一输入端口I/P1的隔离系数，可见低频通带和高频通带及其之间频段的隔离系数都在-20dB以下，体现了两个频段良好的隔离性能。
实施例的仿真实测结果均表明本发明器件，不但可以实现十字交叉传输双频信号的功能，而且两个传输路径之间的隔离性能良好。
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，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (4)
1.一种具有滤波功能的小型化交叉连接器，其特征在于：包括上层微带结构、中间层介质基板和下层接地金属板，上层微带结构和下层接地金属板分别附着在中间层介质基板的上下表面；上层微带结构包括一个附加两个E形折合枝节的十字形谐振器和四个耦合馈电的端口部分，其中左侧低频信号的输入端口通过半波长馈电线将低频信号耦合到十字形谐振器上，途经横向传输路径，耦合至终端短路的四分之一波长传输线和半波长馈电线上，最后在右侧输出端口输出；上方高频信号的输入端口通过传输线将高频信号耦合到十字形谐振器上，途经纵向传输路径，耦合至下方输出端口输出；十字形谐振器包含横向和纵向的两条不同频率信号的传输路径；十字谐振器中的横向谐振器谐振时，交点处为该谐振器对应频率点f L 的电压分布零点，纵向谐振器加载在这个点对该频率点f L 的影响能忽略；十字谐振器中的纵向谐振器谐振时，交点处为该谐振器对应频率点f H 的电压分布零点，纵向谐振器加载在这个点对该频率点f H 的影响能忽略，实现横向和纵向高低谐振频率信号传输时不相互干扰；十字形谐振器中的横向谐振器的一半和纵向谐振器的一半构成了一个半波长谐振器，对应一个公共谐振模式的谐振频率f M ，f M 位于f L 和f H 之间途经横向传输路径输入输出端的半波长馈电传输线能产生一个传输零点，传输零点频率位于f L 和f H 之间且等于f M ，该传输零点实现了相邻端口信号之间的隔离。
2.根据权利要求1所述具有滤波功能的小型化交叉连接器，其特征在于位于中间的十字形谐振器由一个横向谐振器、一个纵向谐振器和两个E形折合枝节组成；其中横向谐振器是由第一微带线（1）、第二微带线（16）、第三微带线（17）、第四微带线（18）和第五微带线（19）连接组成的微带线，第二微带线（16）、第三微带线（17）均有一端与第一微带线（1）的一端连接，第四微带线（18）和第五微带线（19）均有一端与第一微带线（1）的另一端连接；纵向谐振器是由第六微带线（2）、第七微带线（3）、第八微带线（20）、第九微带线（21）、第十微带线（22）和第十一微带线（23）连接组成的微带线，第六微带线（2）、第七微带线（3）位于同一直线上，且第八微带线（20）、第九微带线（21）均有一端与第六微带线（2）的一端连接，第十微带线（22）和第十一微带线（23）均有一端与第七微带线（3）连接；其中一个E形折合枝节是由第十二微带线（4）、第十三微带线（5）、第十四微带线（6）、第十五微带线（7）、第十六微带线（8）和第十七微带线（9）顺次连接组成的微带线；另一个E形折合枝节是由第十八微带线（10）、第十九微带线（11）、第二十微带线（12）、第二十一微带线（13）、第二十二微带线（14）和第二十三微带线（15）顺次连接组成的微带线；低频信号输入端口部分由第一输入端口（I/P1）连接一条半波长传输线组成，该半波长传输线是由第二十四微带线（24）、第二十五微带线（25）、第二十六微带线（26）、第二十七微带线（27）和第二十八微带线（28）顺次连接组成的微带线；低频信号输出端口部分由第一输出端口（O/P2）连接一条半波长传输线和一条终端短路的四分之一波长传输线组成，该半波长传输线是由第二十九微带线（30）、第三十微带线（31）、第三十一微带线（32）、第三十二微带线（33）和第三十三微带线（34）顺次连接组成的微带线，该终端短路的四分之一波长传输线是指第三十四微带线（29）且它通过一个金属化过孔（45）穿过中间层介质板与下层金属板相接；高频信号输入端口部分由第二输入端口（I/P3）连接一条耦合传输线组成，该耦合传输线是由第三十五微带线（35）、第三十六微带线（36）、第三十七微带线（37）、第三十八微带线（38）和第三十九微带线（39）顺次连接组成的微带线；高频信号输出端口部分由第二输出端口（O/P4）连接一条耦合传输线组成，该耦合传输线是由第四十微带线（40）、第四十一微带线（41）、第四十二微带线（42）、第四十三微带线（43）和第四十四微带线（44）顺次连接组成的微带线。
3.根据权利要求1所述的具有滤波功能的小型化交叉连接器，其特征在于十字谐振器中横向谐振器的微带线等效长度为低频信号谐振频率f L 对应波长λ L 的二分之一；十字谐振器中的纵向谐振器的微带线等效长度为高频信号谐振频率f H 对应波长λ H 的二分之一。
4.根据权利要求1所述具有滤波功能的小型化交叉连接器，其特征在于十字形谐振器上附加的两个E形折合枝节用于调节高频通带的带宽。
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| Title |
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| "Compact Filtering Crossover for Crossing Signals";Xiuyin Zhang et al;《Antenna & Propagation》;20150703;157-158 * |
| "Compact Filtering Crossover Using stub-loaded ring resonator";Xiuyin Zhang et al;《IEEE Microwave & Wireless Components Letters》;20140530;第24卷(第5期);全文 * |
Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| CN105070998A (zh) | 2015-11-18 |
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