CN105489980A - 高隔离度低通带通三工器 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种高隔离度低通带通三工器，包括低通滤波器(5)、两个带通滤波器(6，7)及传输线(8)，其中低通滤波器(5)中的两个开路枝节产生两个频率分别为带通滤波器(6，7)中心频率的传输零点，使其在低通滤波器(5)的输入端处两个带通滤波器的中心频率信号为短路状态；传输线(8)上设有定位点p1、p2、p3，其中p1到p3距离、p2到p3距离分别对应带通滤波器中心频率的四分之一波长，根据四分之一波长阻抗倒置，带通滤波器(6，7)的中心频率信号在p1、p2分别为开路状态，该三工器方便独立设计各个低通带通滤波器，使其互不影响，可缩短设计周期和提高设计效率，且该结构可获得高隔离度。

Description

高隔离度低通带通三工器

技术领域

本发明涉及平面滤波器的技术领域，特别涉及一种高隔离度低通带通三工器。

背景技术

现代无线通信技术的飞速发展，使人们在追求信息传输的速度与品质的同时，也不断地追求更加方便、快捷和形式多样的信息传递方式。通信技术的快速发展兼容多个通信标准，这就可以让终端用户同时享受不同运营商提供的服务。将工作在不同的频率多个通信标准集成在一个系统，使用同一平台实现多种通信标准的系统中，能够实现天线共用、频分多工的多工滤波器简称多工器是一个关键器件。

在多工器的设计中，怎样设计多工器的匹配网络来提高隔离度是设计难点。目前，由带通滤波器组合而成的多工器设计已比较成熟，但是由低通滤波器和带通滤波器组合而成的多工器在设计上方法并不多，高隔离度的低通——带通多工器的设计更是少之又少。由于微带结构是平面结构，易于加工设计，成本低，性能满足实际要求，因此高隔离度的平面低通-带通多工器的设计是近年来的研究热点。

1999年，M.H.Capstisk在"IEEEElectronicLetter"上发表题为"Microstriplowpass-bandpassdiplexertopology"的论文，结构如下图1所示，其简单的将一个低通滤波器与一个带通滤波器相接，形成一个低通-带通双工器，该文阐述有欠详尽，难以做到低通带通滤波器独立设计。

2013年，Pu-HuaDeng等人在"IEEEMICROWAVEANDWIRELESSCOMPONENTSLETTERS"上发表题为"DesignofMicrostripLowpass-BandpassDiplexer"的论文，结构如下图2所示，低通滤波器与带通滤波器通过四分之一波长变换器进行连接，构成一个低通-带通双工器，虽然其低通带通滤波器可以独立设计，但该结构无法应用到低通-带通三工器设计，并且隔离性能有待提高。

发明内容

本发明的目的在于克服现有技术的缺点与不足，提供一种高隔离度低通带通三工器，该设计通过对低通滤波器输入端的枝节由传统的单个均匀阻抗枝节改进为两个长度不同的开路枝节，产生两个分别对应两个带通滤波器中心频率的传输零点，因此低通滤波器输入端处两个带通滤波器对应的中心频率信号都为短路状态，而根据四分之一波长阻抗倒置，距离低通滤波器输入端中心频率对应波长四分之一处为开路状态，因此，若在这两处分别端接一个带通滤波器，可以做到三个滤波器独立设计而不会相互影响，大大的提高隔离性能。

本发明的目的通过下述技术方案实现：

一种高隔离度低通带通三工器，以印刷电路板的方式制作在介质基板上，所述介质基板的同一面上分别制作有用于输入电磁波信号的输入端馈线头port1、低通滤波器5和其用于输出电磁波信号的输出端馈线头port2、工作在频段1的第一带通滤波器6和其用于输出电磁波信号的输出端馈线头port3、工作在频段2的第二带通滤波器7和其用于输出电磁波信号的输出端馈线头port4、传输线8，该介质基板的另一面为接地板；

所述传输线8的第一端与所述输入端馈线头port1连接，其第二端与所述低通滤波器5连接；所述第一带通滤波器6和第二带通滤波器7分别位于所述传输线8的两侧；

所述传输线8上设有定位点p1、p2、p3，所述定位点p1到所述定位点p3距离、所述定位点p2到所述定位点p3距离分别对应所述第一带通滤波器6、第二带通滤波器7中心频率的四分之一波长。

进一步地，所述低通滤波器5包括3对低阻抗短截线51、52、53、54、55、56和2个高阻抗短截线57、58，输入馈线Port1和输出馈线Port2，所述输入馈线501为所述传输线8的一部分，并且所述输入馈线501的第一端对应为所述传输线8的第二端。

进一步地，所述低阻抗开路短截线51的第二端到输入馈线501的第一端的传输线长度对应为所述第二带通滤波器6中心频率对应的四分之一波长，所述传输线52的第二端到输入馈线501的第一端的传输线长度对应为所述第一带通滤波器7中心频率对应的四分之一波长。

进一步地，所述第一带通滤波器6包括输入馈线601、输出馈线602、第一谐振器61、第二谐振器62和第三谐振器63，其中所述第一谐振器61和所述第三谐振器63的谐振器长度均为所述第一带通滤波器6中心频率对应的二分之一波长，两端均为开路；

其中所述第二谐振器62为U型阶跃阻抗谐振器，两端均是开路，并且所述第二谐振器62的谐振频率为所述第一带通滤波器6的中心频率。

进一步地，所述输入馈线601对应所述传输线8的第一端到所述定位点p1的那段；

所述第一谐振器61包括上侧传输线611、中间传输线612和下侧传输线613，其中所述上侧传输线611与所述输入馈线601相邻并且平行，所述中间传输线612的两端分别与所述左侧传输线611和右侧传输线613垂直连接，并且所述右侧传输线612与所述定位点p1位于一条直线上。

进一步地，所述第二带通滤波器7包括输入馈线701、输出馈线702、第四谐振器71、第五谐振器72和第六谐振器73，其中所述第四谐振器71和所述第六谐振器73的谐振器长度均为所述第二带通滤波器7中心频率对应的二分之一波长，两端均为开路；

其中所述第五谐振器72为U型阶跃阻抗谐振器，两端均是开路，并且所述第五谐振器72的谐振频率为所述第二带通滤波器7的中心频率。

进一步地，所述输入馈线701对应所述传输线8的第一端到所述定位点p2的那段，输入馈线包含水平部分7011和竖直部分7012；

所述第四谐振器71包括下侧传输线711和中间传输线712和上侧传输线713，其中所述中下侧传输线711与所述输入馈线的水平部分7011相邻并且平行，所述中间传输线712与所述输入馈线的竖直部分7012相邻并且平行，所述中间传输线712的两端分别与所述左侧传输线711和右侧传输线713垂直连接，并且所述上侧传输线713与所述定位点p2位于一条直线上。

进一步地，所述第一带通滤波器6、所述第二带通滤波器7和所述低通滤波器5的输入馈电或者输出馈电采用抽头馈电或者耦合馈电。

进一步地，各传输线采用微带线，并且为直线或者折线的形式。

本发明相对于现有技术具有如下的优点及效果：

1)本发明通过多个高低阻抗线来实现低通滤波器，没有耦合结构，结构简单，设计周期短，插入损耗低。

2)本发明由于低通滤波器紧靠带通滤波器的一端采用独特的低阻抗开路枝节加载结构，产生频率分别对应为两个带通滤波器中心频率的传输零点，使得将带通滤波器与该低通滤波器按四分之一波长距离进行连接时，带通滤波器性能不会受到影响，从而可以做到独立设计各个低通带通滤波器，得到高隔离度，最后再进行简单相接，大大降低三工器的设计难度。

3)本发明公开的低通带通三工器的结构具有低插入损耗，高隔离度的优点。

4)本发明公开的低通带通三工器可以采用微带结构实现，重量轻、成本低、适合工业批量生产，因此三工器具备结构简单、设计容易、制造成本低廉的优点。

附图说明

图1是现有技术1中公开的一种双工器的结构示意图；

图2是现有技术2中公开的一种双工器的结构示意图；

图3是本发明提出的高隔离度低通带通三工器的整体结构示意图；

图4是本发明提出的高隔离度低通带通三工器中低通滤波器的结构示意图；

图5是本发明提出的高隔离度低通带通三工器中第一带通滤波器的结构示意图；

图6是本发明提出的高隔离度低通带通三工器中第二带通滤波器的结构示意图；

图7是本发明提出的高隔离度低通带通三工器的直通效果仿真图；

图8是本发明提出的高隔离度低通带通三工器的隔离效果仿真图。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚、明确，以下参照附图并举实施例对本发明进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

实施例

请参见图3，图3是本发明实施例中公开的高隔离度低通带通三工器的整体结构示意图。如图所示的高隔离度低通带通三工器，以印刷电路板的方式制作在介质基板上，所述介质基板的同一面上分别制作有用于输入电磁波信号的输入端馈线头port1、一个低通滤波器5和该低通滤波器5用于输出电磁波信号的输出端馈线头port2、一个工作在频段1的第一带通滤波器6和该第一带通滤波器6用于输出电磁波信号的输出端馈线头port3、一个工作在频段2的第二带通滤波器7和该第二带通滤波器7用于输出电磁波信号的输出端馈线头port4、一条50欧姆的传输线8，该介质基板的另一面为接地板。

传输线8的第一端与所述输入端馈线头port1连接，其第二端与所述低通滤波器5连接；第一带通滤波器6和第二带通滤波器7分别位于所述传输线8的上下两侧。

传输线8上设有三个定位点p1、p2、p3，其中定位点p3作为参考点位于传输线8的第二端，定位点p1到定位点p3距离长度对应第一带通滤波器6中心频率的四分之一波长，定位点p2到定位点p3距离分别对应第二带通滤波器7中心频率的四分之一波长；定位点p1用于限定所述第一带通滤波器6到所述定位点p3的距离，且进行了弯曲，用以减小多工器的尺寸。定位点p2用于限定所述第二带通滤波器7到所述定位点p3的水平距离。根据四分之一波长阻抗倒置，带通滤波器6工作时，p1、p2处分别相当于开路状态，低通滤波器5对其基本无影响，该设计最大优点是可以做到独立设计各个低通带通滤波器，而其相互不会受到影响，大大提高隔离性能，并缩短设计周期，提高设计效率。

低通滤波器5的结构如图4中所示，包括用于馈入电磁波信号的输入馈线501、用于馈出电磁波信号的输出馈线头port2和输出馈线502、其中输入馈线501和输出馈线502均为50欧姆的匹配阻抗。输入馈线501为所述传输线8的一部分，并且输入馈线501的第一端对应为传输线8的第二端。定义输入馈线501靠近低通滤波器5的那一端为第一端，远离低通滤波器5的那一端为第二端，传输线8靠近低通滤波器5的那一端为第二端，传输线8远离低通滤波器5的那一端为第一端。

低通滤波器5还包括3对低阻抗短截线51、52、53、54、55、56和2段高阻抗短截线57、58。其中低阻抗短截线53、55和低阻抗短截线54、56关于高阻抗短截线57、58的中心线对称。低阻抗短截线53由两段不均匀阻抗短截线531、532连接而成，低阻抗短截线54由两段不均匀阻抗短截线541、542连接而成，比传统均匀阻抗短截线结构相比，可多产生一个传输零点，从而改善低通滤波器的带外特性。

第一带通滤波器6的结构如图5中所示，包括用于馈入电磁波信号的输入馈线601、用于馈出电磁波信号的输出馈线头port3和输出馈线602、其中输入馈线601和输出馈线602均为50欧姆的匹配阻抗。

第一带通滤波器6还包括三个谐振器，三个谐振器分别为第一谐振器61、第二谐振器62、第三谐振器63，其中第一谐振器61和第三谐振器63的谐振器长度均为该第一带通滤波器6中心频率对应的二分之一波长，其中第二谐振器62的谐振频率为第一带通滤波器6的中心频率。同时，第一谐振器61和第三谐振器63以第二谐振器62为中心，对称设置。

另外，第一带通滤波器6的第一谐振器61和第三谐振器63的两端均为开路，且谐振器的传输线进行了弯曲折叠，目的是为了减小尺寸。

第一带通滤波器6的第二谐振器62为U型阶跃阻抗谐振器，U型阶跃阻抗的两端均是开路，通过合理设计阶跃阻抗谐振器，可使第一带通滤波器得到宽阻带的特性。

第一带通滤波器6的输入馈电以及输出馈电都采用耦合馈电的方式进行。输入馈线601与第一带通滤波器6中第一谐振器61的上侧传输线611相耦合，输入馈线601与第一谐振器611耦合的间距和长度都可以用来优化第一带通滤波器6的带内特性。

输入馈线601对应传输线8的第一端到所述定位点p1的那段；第一带通滤波器6的第一谐振器61包括上侧传输线611、中间传输线612和下侧传输线613，其中上侧传输线611与输入馈线601相邻并且平行，中间传输线612的两端分别与上侧传输线611和下侧传输线613垂直连接，并且中间传输线612与定位点p1位于一条直线上。

第二带通滤波器7的结构如图6中所示，包括用于馈入电磁波信号的输入馈线701、用于馈出电磁波信号的输出馈线头port4和输出馈线702、其中输入馈线701和输出馈线702均为50欧姆的匹配阻抗。

第二带通滤波器还包括三个谐振器，三个谐振器分别为第四谐振器71、第五谐振器72、第六谐振器73，其中第四谐振器71和第六谐振器73的谐振器长度均为该第一带通滤波器7中心频率对应的二分之一波长，其中第五谐振器72的谐振频率为第二带通滤波器7的中心频率；同时，第四谐振器71和第六谐振器73以第五谐振器72为中心，对称设置。

另外，第二带通滤波器7的第四谐振器71和第六谐振器73的两端均为开路，且谐振器的传输线进行了弯曲折叠，目的是为了减小尺寸。

第二带通滤波器7的第五谐振器72为U型阶跃阻抗谐振器，U型阶跃阻抗的两端均是开路，通过合理设计阶跃阻抗谐振器，可使第二带通滤波器得到宽阻带的特性。

第二带通滤波器7的输入馈电以及输出馈电都采用耦合馈电的方式进行。输入馈线701与第一带通滤波器7中第四谐振器71的下侧传输线711相耦合，输入馈线701与第四谐振器71耦合的间距和长度都可以用来优化第一带通滤波器7的带内特性。

输入馈线701对应传输线8的第一端到所述定位点p2的那段；第二带通滤波器7的第四谐振器71包括下侧传输线711、中间传输线712和上侧传输线713，其中下侧传输线711与输入馈线701相邻并且平行，中间传输线712的两端分别与上侧传输线711和下侧传输线713垂直连接，并且中间传输线612与定位点p2位于一条直线上。

以上第一带通滤波器6、第二带通滤波器7和低通滤波器5的输入馈电和输出馈电采用抽头馈电或者耦合馈电，并且它们的带宽由谐振器之间的间距决定。以上所述传输线采用微带线，并且为直线或者折线的形式。

高隔离度低通-带通三工器整体制作在双面覆铜的介质基板上，使用机械刻制、激光刻制、电路板腐蚀等技术均可容易地制作。本发明的核心内容在于通过简单的开路枝节结构规范低通滤波器的传输零点，规范三个滤波器的放置的相对位置从而可以做到独立设计三个滤波器，而其性能不会相互影响，大大改善三工器的隔离度。

本实施例的高隔离度低通带通三工器以印刷电路板的方式制作在介电常数为2.55，厚度为0.8mm的聚四氟乙烯双面覆铜微带板上，详细结构如图1、2、3、4所示，整体尺寸为102mm×58mm，仿真效果如图5、6所示。该平面低通带通三工器性能优越，尤其是隔离特性，在0～5GHz均大于49dB,满足实际使用要求。

图7、8显示了高隔离度低通带通三工器的直通效果和隔离效果的仿真结果，横轴表示本发明中高隔离度低通带通三工器的信号频率，纵轴表示信号幅度，其中S₁₁表示向端口1看去的反射系数，S_ij(i≠j)表示示端口j到端口i的传输系数。信号向某一端口输入时，信号的部分输入功率被反射回信号源，被反射的功率成为反射功率。S₁₁反应了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|，而S_ij(i≠j)相应的数学函数为：输出功率/输入功率(dB)＝20*log|S_ij|。

本发明的高隔离度低通带通三工器中的低通滤波器-1dB截止频率为1GHz，阻带抑制超过22dB，阻带最高频率超过7.5GHz。工作在频段1的带通滤波器6中心频率为2.4GHz，插入损耗小于1.8dB，回波损耗绝对值大于24dB，3dB带宽为120MHz。工作在频段2的带通滤波器7中心频率为3.5GHz，插入损耗小于2.0dB，回波损耗绝对值大于33dB，3dB带宽为150MHz。在0-5GHz频率内，平面低通-带通三工器的隔离度S₂₃的绝对值大于54dB，隔离度S₂₄的绝对值大于54dB，隔离度S₄₃的绝对值大于49dB。该低通带通三工器性能优越，隔离度高，满足实际使用要求。

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 (9)

1.一种高隔离度低通带通三工器，以印刷电路板的方式制作在介质基板上，其特征在于：

所述介质基板的同一面上分别制作有用于输入电磁波信号的输入端馈线头port1、低通滤波器(5)和其用于输出电磁波信号的输出端馈线头port2、工作在频段1的第一带通滤波器(6)和其用于输出电磁波信号的输出端馈线头port3、工作在频段2的第二带通滤波器(7)和其用于输出电磁波信号的输出端馈线头port4、传输线(8)，该介质基板的另一面为接地板；

所述传输线(8)的第一端与所述输入端馈线头port1连接，其第二端与所述低通滤波器(5)连接；所述第一带通滤波器(6)和第二带通滤波器(7)分别位于所述传输线(8)的两侧；

所述传输线(8)上设有定位点p1、p2、p3，所述定位点p1到所述定位点p3距离、所述定位点p2到所述定位点p3距离分别对应所述第一带通滤波器(6)、第二带通滤波器(7)中心频率的四分之一波长。

2.根据权利要求1所述的一种高隔离度低通带通三工器，其特征在于：所述低通滤波器(5)包括3对低阻抗短截线(51，52，53，54，55，56)和2个高阻抗短截线(57，58)、输入馈线Port1和输出馈线Port2，所述输入馈线(501)为所述传输线(8)的一部分，并且所述输入馈线(501)的第一端对应为所述传输线(8)的第二端。

3.根据权利要求2所述的一种高隔离度低通带通三工器，其特征在于：所述低阻抗开路短截线(51)的第二端到输入馈线(501)的第一端的传输线长度对应为所述第二带通滤波器(6)中心频率对应的四分之一波长，所述传输线(52)的第二端到输入馈线(501)的第一端的传输线长度对应为所述第一带通滤波器(7)中心频率对应的四分之一波长。

4.根据权利要求1所述的一种高隔离度低通带通三工器，其特征在于：所述第一带通滤波器(6)包括输入馈线(601)、输出馈线(602)、第一谐振器(61)、第二谐振器(62)和第三谐振器(63)，其中所述第一谐振器(61)和所述第三谐振器(63)的谐振器长度均为所述第一带通滤波器(6)中心频率对应的二分之一波长，两端均为开路；

其中所述第二谐振器(62)为U型阶跃阻抗谐振器，两端均是开路，并且所述第二谐振器(62)的谐振频率为所述第一带通滤波器(6)的中心频率。

5.根据权利要求4所述的一种高隔离度低通带通三工器，其特征在于：所述输入馈线(601)对应所述传输线(8)的第一端到所述定位点p1的那段；

所述第一谐振器(61)包括上侧传输线(611)、中间传输线(612)和下侧传输线(613)，其中所述上侧传输线(611)与所述输入馈线(601)相邻并且平行，所述中间传输线(612)的两端分别与所述左侧传输线(611)和右侧传输线(613)垂直连接，并且所述右侧传输线(612)与所述定位点p1位于一条直线上。

6.根据权利要求1所述的一种高隔离度低通带通三工器，其特征在于：所述第二带通滤波器(7)包括输入馈线(701)、输出馈线(702)、第四谐振器(71)、第五谐振器(72)和第六谐振器(73)，其中所述第四谐振器(71)和所述第六谐振器(73)的谐振器长度均为所述第二带通滤波器(7)中心频率对应的二分之一波长，两端均为开路；

其中所述第五谐振器(72)为U型阶跃阻抗谐振器，两端均是开路，并且所述第五谐振器(72)的谐振频率为所述第二带通滤波器(7)的中心频率。

7.根据权利要求6所述的一种高隔离度低通带通三工器，其特征在于：所述输入馈线(701)对应所述传输线(8)的第一端到所述定位点p2的那段，输入馈线包含水平部分(7011)和竖直部分(7012)；

所述第四谐振器(71)包括下侧传输线(711)和中间传输线(712)和上侧传输线(713)，其中所述中下侧传输线(711)与所述输入馈线的水平部分(7011)相邻并且平行，所述中间传输线(712)与所述输入馈线的竖直部分(7012)相邻并且平行，所述中间传输线(712)的两端分别与所述左侧传输线(711)和右侧传输线(713)垂直连接，并且所述上侧传输线(713)与所述定位点p2位于一条直线上。

8.根据权利要求1所述的一种高隔离度低通带通三工器，其特征在于：所述第一带通滤波器(6)、所述第二带通滤波器(7)和所述低通滤波器(5)的输入馈电或者输出馈电采用抽头馈电或者耦合馈电。

9.根据权利要求1至8任一所述的一种高隔离度低通带通三工器，其特征在于：各传输线采用微带线，并且为直线或者折线的形式。