CN105098303A - 一种具有双频带滤波功能的功率分配器 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种具有双频带滤波功能的功率分配器，包括上层微带结构、隔离电阻、中间介质基板和底层金属地板；上层微带结构包括四个谐振器、三条馈电线和一个隔离电阻。上层微带结构排布成上下对称的两个带通滤波电路。既能够实现中心频率可调的双通带滤波的特性，同时也具备功率分配比为1：1的功率分配器特性；谐振器采用在四分之一波长短路线谐振器上加载一个枝节，通过对各枝节长度的调节实现了中心频率独立可控的双频带通滤波特性；连接两个滤波网络的电阻实现了电路的3个端口的匹配和两输出端口的隔离；此外，利用源负载耦合引入四个传输零点，使得本发明不但具有很高的选择性和很好的阻带抑制效果，更有利于器件的集成化和小型化。

Description

一种具有双频带滤波功能的功率分配器

技术领域

本发明涉及小型化射频电路技术领域，具体涉及一种可应用于射频前端电路的具有双频带滤波功能的功率分配器，。

背景技术

随着无线通信的快速发展，对小型化射频电路的需求越来越紧迫。在移动通信、卫星通信等无线设备中，需要减小设备体积或在有限空间内容纳更多的功能模块，因此小型化是发展的必然趋势。由于射频前端的体积占据了无线设备中很大的一部分，对其小型化开展深入研究，具有重要的理论意义和应用价值。

过去对射频器件的小型化研究以单个元器件的性能提升和小型化为主。经过近几年的研究探索，采用多器件协同设计的方式将多个器件集成为一个器件，使一个器件具有多种功能，从而减小器件数量实现小型化。目前，具有单通带滤波功能的功率分配器已经被研发出来，大大减小了射频电路的体积。然而具有双通带滤波特性的功率分配器却鲜有发现。

功率分配器具有分配/合成信号的功能，在很多天线阵列和平衡电路中都要用到，是一个基础的微波电路。而带通滤波电路可以分离出所需频带的功能，也是无线通信系统中另一种不可或缺的组件。这两种元件经常共存于系统中，因此受到学者们的广泛关注。在滤波器与功率分配器集成化设计方面，综合起来主要有以下方法：1）把滤波电路与功分电路融合使其具有两种功能；2）用滤波电路取代功率分配器中的四分之一波长传输线。所设计电路有滤波功率分配器、滤波耦合器和滤波混合环等，不仅获得良好电性能，而且体积小。

国内外学者已经开始重视这个方向并做了一些探索，但目前该方向只是处于起步阶段。在双频带的滤波电路方面，常规做法是使用双模谐振器，已有很多研究成果，但是，具有双频带滤波功能的功率分配器的公开文献还比较少。在文献《X.Tang,andK.Mouthaan,“FilterintegratedWilkinsonpowerdividers,”Microw.Opt.Tech.Lett.,vol.52,no.12,pp.2830–2833,Dec.2010》、《Y.C.Li,Q.Xue,andX.Y.Zhang和《X.Y.Zhang,K.-X.Wang,andB.-J.Hu,“Compactfilteringpowerdividerwithenhancedsecond-harmonicsuppression,”IEEEMicrow.Wireless.Compon.Lett.,vol.23,no.9,pp.483–485,Sep.2013.》中用滤波电路取代功率分配器中的四分之一波长传输线，实现了单频滤波功能的功率分配器。在文献“Single-anddual-bandpowerdividerintegratedwithbandpassfilters,”IEEETrans.Microw.TheoryTech.,vol.61,no.1,pp.69–76,Jan.2013.》中，通过加入多模式的谐振电路作为滤波网络，实现了双频滤波功能的功率分配器。然而，文章采用中心对称加载的开路线谐振器构成滤波网络，对于电路的小型化程度还有待于大幅提高。为了填补这一空白，本发明提出了采用具有枝节加载的四分之一波长短路线谐振器构成滤波网络，大大减少了电路体积，同时输出端口的隔离度和通带的选择性能也有大幅提升。

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，提出了一种具有双频带滤波功能的功率分配器。

为实现本发明目的，本发明采用的技术方案如下。

一种具有双频带滤波功能的功率分配器，包括上层微带结构、隔离电阻、中间介质基板和底层金属地板；上层微带结构包括四个谐振器、三条馈电线和一个隔离电阻，上层微带结构排布成上下中心对称的两个带通滤波电路；四个谐振器均采用具有枝节加载的四分之一波长短路线谐振器，每个谐振器均包含一路主传输线和一路加载的开路线枝节，通过对主传输线和枝节长度的控制实现两个通带的中心频率独立可调节；主传输线是四分之一波长短路线，主传输线的谐振频率提供了第一个通带的工作频率，主传输线的长度L为第一个通带谐振频率f对应的波长的四分之一，其中L为实际微带线长度；在主传输线上加载开路线枝节，通过改变开路线枝节的长度实现对第二个通带工作频率的控制和调节，使在保证第一个通带的中心频率几乎不变的情况下，能对第二个通带进行调节；四个具有枝节加载的四分之一波长短路线谐振器和三条输入输出馈电线通过电磁耦合连接在一起，三条馈电线之间引入原负载耦合，在每个通带的两侧各产生两个传输零点，使得两个通带均具有选择性；上层微带结构中呈上下对称的上部分与下部分之间通过隔离电阻实现两路输出间的隔离。

进一步优化地，位于上方的带通滤波电路由所述三条馈电线中第一馈电线的上半部分与第二馈电线以及所述的四个谐振器中第一谐振器与第二谐振器组成；其中第一馈电线的上半部分为依次连接的第一微带线、第二微带线、第三微带线和第四微带线构成的微带线；第二馈电线为依次连接的第五微带线、第六微带线、第七微带线、第八微带线、第九微带线和第十微带线构成的微带线；第一谐振器包含依次连接的第十一微带线、第十二微带线、第十三微带线、第十四微带线和第十五微带线构成的微带线；第一谐振器的主传输线是四分之一波长短路线，由所述第十一微带线、第十二微带线和第十五微带线构成的微带线组成，加载的开路线枝节是由第十三微带线和第十四微带线构成的微带线；第二谐振器包含依次连接的第十六微带线、第十七微带线、第十八微带线和第十九微带线和第二十微带线构成的微带线，第二谐振器的主传输线由所述第十六微带线、第十七微带线和第二十微带线构成的微带线组成，加载的开路线枝节是由第十八微带线和第十九微带线构成的微带线；第一谐振器和第二谐振器共用一个接地短路端；所述功率分配器具有三个端口，其中输入端口位于第一馈电线的中间部位，第一输出端口从第十微带线的末端引出，第二输出端口在位于下方的带通滤波电路中且与第一输出端口呈上下对称。

进一步优化地，具有枝节加载的四分之一波长短路线谐振器选择四分之一波长短路线作为主传输线，从而确定了第一个通带的中心频率；在主传输线上加载一路开路线枝节，通过改变枝节的长度调节第二个通带的中心频率；第一谐振器和第二谐振器共用一个接地短路端，通过电磁耦合连接在一起；第一谐振器和第二谐振器加载的开路线枝节均为弯折形，既能使两个谐振器之间产生相互耦合，又能在很大程度上减少电路的面积。

进一步优化地，每个通带左右各有一个传输零点，两个通带共四个传输零点，四个传输零点由第一馈电线分别与第二馈电线和第三馈电线相互靠近形成源负载耦合产生。

进一步优化地，从输入端口到第一输出端口和第二输出端口的路径上下对称结构，实现了相等功率分配比。

进一步优化地，第一馈电线弯折成矩形，所述的第一微带线和第十一微带线相互平行靠近形成耦合，第二微带线和第十二微带线相互平行靠近形成耦合，第三微带线和第十五微带线相互平行靠近形成耦合，第六微带线和第十六微带线相互平行靠近形成耦合，第七微带线和第十七微带线相互平行靠近形成耦合，第八微带线和第二十微带线相互平行靠近形成耦合，第十五微带线和第十六微带线相互平行靠近形成耦合。上述的一种具有双频带滤波功能的功率分配器，其特征在于所述的四个谐振器的长度为所述的带通滤波电路的工作频率对应的波长的四分之一。

上述的一种具有双频带滤波功能的功率分配器，隔离电阻加在第一馈电线的两端，增强了电路的两个输出端口的隔离效果；其传输特性中的四个传输零点由第一馈电线分别与第二馈电线和第三馈电线相互靠近形成源负载耦合产生。

上述的一种具有双频带滤波功能的功率分配器，从输入端口到第一输出端口和第二输出端口的路径完全相同，实现了1：1的功率分配比。输入输出阻抗均为50欧姆，通过调节隔离电阻的值和各微带线之间的耦合实现匹配。该双频带滤波功能的功率分配器，隔离元件为电阻、电容或电感。

本发明中，整个电路结构上下对称，实现了功率分配比为1：1；两对相互耦合的具有枝节加载的四分之一波长短路线谐振器形成了两个滤波网络，实现了双频带滤波的特性；连接两个滤波网络的电阻实现了电路的3个端口的匹配和两输出端口的隔离；在四分之一波长短路线谐振器上加载一个枝节实现了双频率独立可调；此外，利用源负载耦合来引入四个传输零点，使得本发明不但具有很高的选择性，阻带抑制效果也很好。

与现有技术相比，本发明还具有如下优点和技术效果：

（1）在传统的功率分配器中集成了带通滤波功能，可以同时实现功率分配和滤波效果,相对于级联的滤波电路和功率分配器具有更小的尺寸和更小的损耗，同时该电路滤波网络采用的谐振器为四分之一波长短路线枝节加载谐振器，进一步减少了电路的尺寸，更有利于射频前端电路的集成化应用。

（2）本发明提出了双频带滤波功能的功率分配器，实现了两个通带工作频率独立可调，且输出端口的隔离度、通带的选择性能以及电路尺寸均达到很高的标准。

附图说明

图1是本发明一种具有双频带滤波功能的功率分配器的结构图。

图2是本发明一种具有双频带滤波功能的功率分配器的尺寸标注图。

图3是双频带通滤波电路的传输特性曲线。

图4是实例中S₁₁参数、S₂₁参数和S₃₁参数的实测结果图。

图5是实例中S₂₃参数、S₂₂参数和S₃₃参数的实测结果图。

具体实施方式

下面结合实施例及附图，对本发明作进一步地详细说明，但本发明的实施方式不限于此。

如图1所示，一种具有双频带滤波功能的功率分配器包括上层微带结构、隔离电阻、中间介质基板和底层金属地板，上层微带结构附着在中间介质基板的上表面，中间介质基板下表面为底层金属地板；其特征在于：所述上层微带结构包括四个谐振器，三条馈电线和三个端口，排布成上下对称的两个带通滤波电路；位于上方的带通滤波电路由所述三条馈电线中第一馈电线的上半部分1与第二馈电线4以及所述的四个谐振器中第一谐振器2与第二谐振器3组成；其中第一馈电线的上半部分1为依次连接的第一微带线5、第二微带线6、第三微带线7和第四微带线8构成的微带线；第二馈电线4为依次连接的第五微带线9、第六微带线10、第七微带线11、第八微带线12、第九微带线13和第十微带线14构成的微带线；第一谐振器2包含依次连接的第十一微带线15、第十二微带线16、第十三微带线17、第十四微带线18和第十五微带线19构成的微带线；第二谐振器3包含依次连接的第十六微带线21、第十七微带线22、第十八微带线23和第十九微带线24和第二十微带线25构成的微带线；第一谐振器2和第二谐振器3共用一个接地短路端20；所述三个端口中的输入端口（I/P）位于第一馈电线的中间部位，第一输出端口（O/P1）从第十微带线14的末端引出，第二输出端口O/P2在位于下方的带通滤波电路中且与第一输出端口（O/P1）呈上下对称。隔离电阻26加在第一馈电线的两端，增强了电路的两个输出端口的隔离效果；

如图1所示，第一谐振器2和第二谐振器3共用一个接地短路端20，通过电磁耦合连接在一起。第一馈电线弯折成矩形，所述的第一微带线5和第十一微带线15相互平行靠近形成耦合，第二微带线6和第十二微带线16相互平行靠近形成耦合，第三微带线7和第十五微带线19相互平行靠近形成耦合，第六微带线10和第十六微带线21相互平行靠近形成耦合，第七微带线11和第十七微带线22相互平行靠近形成耦合，第八微带线12和第二十微带线25相互平行靠近形成耦合，第十五微带线19和第十六微带线21相互平行靠近形成耦合。第一谐振器2和第二谐振器3中加载的枝节是由第十三微带线17和第十四微带线18构成的微带线，通过调节枝节的长度来实现对第二个通带谐振频率的独立控制。同时，四分之一短路线是由第十一微带线15、第十二微带线16和第十五微带线19构成的微带线，其长度L为第一个通带谐振频率f对应的波长的四分之一；其中，L为实际微带线长度。

第一馈电线分别与第二馈电线和第三馈电线相互靠近形成源负载耦合。每一个双频带通滤波电路的输入输出阻抗可通过改变谐振器之间的偶和强度来进行调节以达到匹配。如图1所示方框中的双频带通滤波电路，其输入阻抗为100欧姆，输出阻抗为50欧姆。图三是这个双频带通滤波电路的幅度仿真响应。一种具有双频带滤波功能的功率分配器由两个结构相同的双频带通滤波电路组成，这两个电路相当于并联，那么并联后的电路输入阻抗与50欧姆匹配。在两个电路间并接一个隔离电阻，从输入端口（I/P）到第一输出端口（O/P1）和第二输出端口（O/P2）的路径完全相同，实现了1：1的功率分配比。

实施例

一种具有双频带滤波功能的功率分配器的结构如图1所示，有关尺寸如图2所示，所选用的介质基板的厚度为0.81mm，相对介电常数为3.38，损耗正切角为0.0027.具体电路尺寸选择如下：W ₁=1.86mm，W ₂=0.4mm，W ₃=0.4mm，W ₄=0.4mm，W ₅=1.3mm，W ₆=0.6mm，L ₁=7.4mm，L ₂=3.4mm，L ₃=6.4mm，L ₄=5.2mm，L ₅=7.6mm，L ₆=0.9mm，L ₇=6.8mm，L ₈=3mm，L ₉=4.8mm，G ₁=0.15mm，G ₂=0.5mm,G ₃=0.2mm，G ₄=0.2mm,G ₅=0.2mm,R=180Ω；整体尺寸为17.5mm×22mm。

如图3所示为双频带通滤波电路的传输特性，可知，通过调节所加载开路线枝节的长度L₂，就可以独立控制第二个通带的工作频率。

如图4所示为S₁₁参数、S₂₁参数和S₃₁参数的实测结果，可知两个通带的工作频率分别为2.4GHz和5.2GHz,通带内去除3dB的功率损失后的插入损耗分别为0.82dB和0.84dB。在任何情况下，通带内回波损耗优于18dB，带外抑制都优于23dB，抑制水平高，实现了很好的匹配；在通带附近产生了四个传输零点随着源负载耦合同步变化，实现高选择性；

如图5所示为S₂₃参数、S₂₂参数和S₃₃参数的实测结果，通带内S₂₂和S₂₃均优于15dB,在工作频率点的S₂₃优于20dB,体现了良好的隔离性能。本发明提供了一种具有双频带滤波功能的功率分配器，具有体积小，滤波效果好，两个通带中心频率独立可控的优异性能，适合应用于无线通信系统的射频前端中。

以上所描述的实施例是本发明中的一个教好的实施例，并不用以限制本发明。基于本发明的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动的前提下，基于本发明所做的任何修改，等同替换，改进所获得的其他实施例，都属于本发明实施例的保护范围。

Claims (7)

1.一种具有双频带滤波功能的功率分配器，包括上层微带结构、隔离电阻、中间介质基板和底层金属地板；其特征在于：上层微带结构包括四个谐振器、三条馈电线和一个隔离电阻，上层微带结构排布成上下中心对称的两个带通滤波电路；四个谐振器均采用具有枝节加载的四分之一波长短路线谐振器，每个谐振器均包含一路主传输线和一路加载的开路线枝节，通过对主传输线和枝节长度的控制实现两个通带的中心频率独立可调节；主传输线是四分之一波长短路线，主传输线的谐振频率提供了第一个通带的工作频率，主传输线的长度L为第一个通带谐振频率f对应的波长的四分之一，其中L为实际微带线长度；在主传输线上加载开路线枝节，通过改变开路线枝节的长度实现对第二个通带工作频率的控制和调节，使在保证第一个通带的中心频率几乎不变的情况下，能对第二个通带进行调节；四个具有枝节加载的四分之一波长短路线谐振器和三条输入输出馈电线通过电磁耦合连接在一起，三条馈电线之间引入原负载耦合，在每个通带的两侧各产生两个传输零点，使得两个通带均具有选择性；上层微带结构中呈上下对称的上部分与下部分之间通过隔离电阻实现两路输出间的隔离。

2.根据权利要求1所述的一种具有双频带滤波功能的功率分配器，其特征在于：位于上方的带通滤波电路由所述三条馈电线中第一馈电线的上半部分（1）与第二馈电线（4）以及所述的四个谐振器中第一谐振器（2）与第二谐振器（3）组成；其中第一馈电线的上半部分（1）为依次连接的第一微带线（5）、第二微带线（6）、第三微带线（7）和第四微带线（8）构成的微带线；第二馈电线（4）为依次连接的第五微带线（9）、第六微带线（10）、第七微带线（11）、第八微带线（12）、第九微带线（13）和第十微带线（14）构成的微带线；第一谐振器（2）包含依次连接的第十一微带线（15）、第十二微带线（16）、第十三微带线（17）、第十四微带线（18）和第十五微带线（19）构成的微带线；第一谐振器（2）的主传输线是四分之一波长短路线，由所述第十一微带线（15）、第十二微带线（16）和第十五微带线（19）构成的微带线组成，加载的开路线枝节是由第十三微带线（17）和第十四微带线（18）构成的微带线；第二谐振器（3）包含依次连接的第十六微带线（21）、第十七微带线（22）、第十八微带线（23）和第十九微带线（24）和第二十微带线（25）构成的微带线，第二谐振器（3）的主传输线由所述第十六微带线（21）、第十七微带线（22）和第二十微带线（25）构成的微带线组成，加载的开路线枝节是由第十八微带线（23）和第十九微带线（24）构成的微带线；第一谐振器（2）和第二谐振器（3）共用一个接地短路端（20）；所述功率分配器具有三个端口，其中输入端口（I/P）位于第一馈电线的中间部位，第一输出端口（O/P1）从第十微带线（14）的末端引出，第二输出端口（O/P2）在位于下方的带通滤波电路中且与第一输出端口（O/P1）呈上下对称。

3.根据权利要求1所述的一种具有双频带滤波功能的功率分配器，其特征在于具有枝节加载的四分之一波长短路线谐振器选择四分之一波长短路线作为主传输线，从而确定了第一个通带的中心频率；在主传输线上加载一路开路线枝节，通过改变枝节的长度调节第二个通带的中心频率；第一谐振器（2）和第二谐振器（3）共用一个接地短路端（20），通过电磁耦合连接在一起；第一谐振器（2）和第二谐振器（3）加载的开路线枝节均为弯折形。

4.根据权利要求1所述的一种具有双频带滤波功能的功率分配器，其特征在于每个通带左右各有一个传输零点，两个通带共四个传输零点，四个传输零点由第一馈电线分别与第二馈电线和第三馈电线相互靠近形成源负载耦合产生。

5.根据权利要求1所述的一种具有双频带滤波功能的功率分配器，其特征在于第一馈电线弯折成矩形，所述的第一微带线和第十一微带线相互平行靠近形成耦合，第二微带线和第十二微带线相互平行靠近形成耦合，第三微带线和第十五微带线相互平行靠近形成耦合，第六微带线和第十六微带线相互平行靠近形成耦合，第七微带线和第十七微带线相互平行靠近形成耦合，第八微带线和第二十微带线相互平行靠近形成耦合，第十五微带线和第十六微带线相互平行靠近形成耦合。

6.根据权利要求1所述的一种具有双频带滤波功能的功率分配器，其特征在于所述的四个谐振器的长度均为所述的带通滤波电路的工作频率对应的波长的四分之一。

7.根据权利要求1所述的一种具有双频带滤波功能的功率分配器，其特征在于隔离电阻加在第一馈电线的两端。