CN106058391A - 一种基于新型匹配网络的平面cq双工器 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种以微带电路实现的基于新型匹配网络的平面CQ双工器，该双工器包括左右对称的CQ结构的带通滤波器和1个新型的匹配网络。本发明提出的平面CQ双工器具有新型的匹配网络结构，可以广泛运用于各种类型的双工器的设计中；通过使用结构紧凑的CQ结构滤波器来实现通带响应，不仅实现了双工器的高选择特性，也保证了良好的隔离度。由于本双工器为微带结构，重量轻、成本低、适合工业批量生产，所以双工器具备结构简单、设计容易、制造成本低廉的优点。
Description
技术领域
本发明涉及微带线形式双工器的技术领域，特别涉及一种基于新型匹配网络的平面CQ双工器。
背景技术
随着无线通信的快速发展，频率资源日益紧张，作为无线通信系统重要的组成部分，双工器的性能好坏直接影响到通信系统的质量。通信领域中常用的双工器有：
1、波导双工器：这种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。
2、同轴双工器：用空气作为介质且内外导体镀银的同轴双工器，其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。
3、介质双工器：它实现了双工器的小型化，但是由于成本太高，所以没有被广泛应用于通信领域。
4、SAW双工器：这种双工器由于可以实现任意精度的频率特性，而且体积小、设计灵活性好，可靠性高等优点，在通信领域得到了广泛的应用，其不足之处是成本高，而且插入损耗大，高频承受功率低，所以适合于小型化要求很高的移动通信终端。
随着移动通信技术的不断发展，双工器的发展要求其成本低，小型化，频段向高频发展，所以微带形式的双工器得到了很高的重视。微带双工器具有设计简单，成本低，体积小，频率较高等优点，在承受高功率和带内损耗要求不是很高的情况下，它是一个很好的选择。
目前比较常用的微带双工器是采用T型接头将两个不同中心频率的带通滤波器相连，再调整不同端口之间的匹配，并可以通过改变传输线的长度来调整带通滤波器的中心频率，进而调整两个通带之间的距离，以满足不同通信系统的需求。
2006年，Chi-Feng Chen等人在"IEEE TRANSACTIONS ON MICROWAVE THEORY ANDTECHNIQUES"上发表的题为"Microstrip Diplexers Design With Common ResonatorSections for Compact Size,But High Isolation"，采用了普通谐振器(下图中的Resonator 1、2、3、4)，该双工器具有体积小，隔离度高的特点。该结构如附图1所示。
2011年，Ming-Lin Chuang等人在"IEEE MICROWAVE AND WIRELESS COMPONENTSLETTERS"上发表题为"Microstrip Diplexer Design Using Common T-ShapedResonator"，采用T型接头，将两个带通滤波器相连，形成一个双工器。该结构如附图2所示。
2011年，Ming-Lin Chuang等人在"IEEE MICROWAVE AND WIRELESS COMPONENTSLETTERS"上发表题为"Microstrip Diplexer Design Using Common T-ShapedResonator"，采用T型接头，将两个带通滤波器相连，形成一个双工器。该结构如附图3所示。
发明内容
本发明的目的在于克服现有技术的缺点与不足，提供一种基于新型匹配网络的平面CQ双工器，该双工器采用的是CQ结构的带通滤波器来实现带通特性,实现了高选择特性，保证了良好的隔离度。同时还提出了一种可以广泛用于双工器设计的新型匹配网络。
本发明的目的通过下述技术方案实现：
一种基于新型匹配网络的平面CQ双工器，以印刷电路板的方式制作在介质基板1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第一输入端馈线头P1、用于输出电磁波信号的第一输出端馈线头P2和第二输出端馈线头P3、与所述第一输入端馈线头P1相连的左边CQ结构的第一输入端口馈线2、右边CQ结构的第二输入端口馈线3、和具有第一短路通孔17的短路传输线4、与所述第一输出端馈线头P2相连的第一输出端口馈线5、与所述第二输出端馈线头P3相连的第二输出端口馈线6、由第一谐振器7与第四谐振器8以及第二谐振器9与第三谐振器10组成的左边CQ结构、由第五谐振器11与第八谐振器12以及第六谐振器13与第七谐振器14组成的右边CQ结构；
上述两组CQ结构的带通滤波器分别左右平行对称设置；
所述第一谐振器7与所述第四谐振器8以及所述第二谐振器9与所述第三谐振器10上下平行设置；所述第一输入端口馈线2和所述第一输出端口馈线5分别位于所述第四谐振器8和所述第一谐振器7的上下两侧，并且所述第一输入端口馈线2和所述第一输出端口馈线5上下平行设置；所述第二输入端口馈线3和所述第二输出端口馈线6分别位于所述第八谐振器12和所述第五谐振器11的上下两侧，并且所述第二输入端口馈线3和所述第二输出端口馈线6上下平行设置。
进一步地，所述第一谐振器7、所述第四谐振器8、所述第五谐振器11、所述第八谐振器12均为半波长均匀阻抗谐振器；所述第二谐振器9、所述第三谐振器10、所述第六谐振器13、所述第七谐振器14均为四分之一波长均匀阻抗谐振器；所述第二谐振器9、所述第三谐振器10共用第二短路通孔15；所述第六谐振器13、所述第七谐振器14共用第三短路通孔16。
进一步地，所述第一谐振器7与所述第四谐振器8和所述第五谐振器11与所述第八谐振器12分别为上下对称设置的C型谐振器，其中，所述第一谐振器7的开口方向为右下方，所述第四谐振器8的开口方向为右上方，所述第五谐振器11的开口方向为左下方，所述第八谐振器12的开口方向为左上方，其中，所述第一谐振器7、所述第四谐振器8、所述第五谐振器11、所述第八谐振器12的微带线采用波浪线弯折设置。
进一步地，所述第二谐振器9与所述第三谐振器10和所述第六谐振器13与所述第七谐振器14分别为上下对称设置的C型谐振器，其中，所述第二谐振器9的开口方向为左下方，所述第三谐振器10的开口方向为左上方，所述第六谐振器13的开口方向为右下方，所述第七谐振器14的开口方向为右上方。
进一步地，所述第一谐振器7与所述第二谐振器9、所述第三谐振器10与所述第四谐振器8、所述第一谐振器7与所述第四谐振器8、第五谐振器11与所述第六谐振器13、所述第七谐振器14与所述第八谐振器12、所述第五谐振器11与所述第八谐振器12之间存在电耦合，分别通过调节上述谐振器之间的第一耦合间隙18、第二耦合间隙19、第三耦合间隙20、第四耦合间隙22、第五耦合间隙23、第六耦合间隙24的大小控制电耦合的大小。
进一步地，所述第二谐振器9与所述第三谐振器10、第六谐振器13与所述第七谐振器14之间存在磁耦合，通过调节上述谐振器之间的第七耦合间隙21、第八耦合间隙25的大小控制磁耦合的大小。
进一步地，所述第一输入端馈线头P1的左右两端分别与所述第一输入端口馈线2的一端垂直连接以及所述第二输入端口馈线3的一端垂直连接，所述第一输入端馈线头P1的前端与所述短路传输线4的一端直线连接，所述第一输出端馈线头P2与所述第一输出端口馈线5的一端垂直连接，所述第二输出端馈线头P3与所述第二输出端口馈线6的一端垂直连接。
本发明相对于现有技术具有如下的优点及效果：
1、本发明了提出了一种新型的匹配网络结构，可以广泛运用于双工器的设计中；
2、通过使用结构紧凑的CQ结构滤波器来实现通带响应，不仅提高了双工器的选择特性，也保证了较好的隔离度。
3、由于本双工器为微带结构，重量轻、成本低、适合工业批量生产，所以巴特勒矩阵具备结构简单、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是现有技术3中公开的一种双工器的结构示意图；
图4是本发明提出的基于新型匹配网络的平面CQ双工器的结构示意图；
图5是本发明提出的基于新型匹配网络的平面CQ双工器的结构尺寸示意图；
图6(a)是双工器的散射参数S11，S21，S31仿真结果图；
图6(b)是双工器的散射参数S22，S33，S32仿真结果图。
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
本实施例公开一种基于新型匹配网络的平面CQ双工器如图4所示，该微带线双工器以印刷电路板的方式制作在双面覆铜微带板1上，微带板的另外一面是覆铜接地板。在本发明中的双工器的结构图中。
一种基于新型匹配网络的平面CQ双工器，以印刷电路板的方式制作在介质基板1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第一输入端馈线头P1、用于输出电磁波信号的第一输出端馈线头P2和第二输出端馈线头P3、与所述第一输入端馈线头P1相连的左边CQ结构的第一输入端口馈线2、右边CQ结构的第二输入端口馈线3、和具有第一短路通孔17的短路传输线4、与所述第一输出端馈线头P2相连的第一输出端口馈线5、与所述第二输出端馈线头P3相连的第二输出端口馈线6、由第一谐振器7与第四谐振器8以及第二谐振器9与第三谐振器10组成的左边CQ结构、由第五谐振器11与第八谐振器12以及第六谐振器13与第七谐振器14组成的右边CQ结构；
上述两组CQ结构的带通滤波器分别左右平行对称设置；
所述第一谐振器7与所述第四谐振器8以及所述第二谐振器9与所述第三谐振器10上下平行设置；所述第一输入端口馈线2和所述第一输出端口馈线5分别位于所述第四谐振器8和所述第一谐振器7的上下两侧，并且所述第一输入端口馈线2和所述第一输出端口馈线5上下平行设置；所述第二输入端口馈线3和所述第二输出端口馈线6分别位于所述第八谐振器12和所述第五谐振器11的上下两侧，并且所述第二输入端口馈线3和所述第二输出端口馈线6上下平行设置。
其中，所述第一谐振器7、所述第四谐振器8、所述第五谐振器11、所述第八谐振器12均为半波长均匀阻抗谐振器；所述第二谐振器9、所述第三谐振器10、所述第六谐振器13、所述第七谐振器14均为四分之一波长均匀阻抗谐振器；所述第二谐振器9、所述第三谐振器10共用第二短路通孔15；所述第六谐振器13、所述第七谐振器14共用第三短路通孔16。
其中，所述第一谐振器7与所述第四谐振器8和所述第五谐振器11与所述第八谐振器12分别为上下对称设置的C型谐振器，其中，所述第一谐振器7的开口方向为右下方，所述第四谐振器8的开口方向为右上方，所述第五谐振器11的开口方向为左下方，所述第八谐振器12的开口方向为左上方。需要指出，所述第一谐振器7、所述第四谐振器8、所述第五谐振器11、所述第八谐振器12的微带线采用波浪线弯折设置，以达到上述谐振器在介质基板上布局紧凑的目的。
其中，所述第二谐振器9与所述第三谐振器10和所述第六谐振器13与所述第七谐振器14分别为上下对称设置的C型谐振器，其中，所述第二谐振器9的开口方向为左下方，所述第三谐振器10的开口方向为左上方，所述第六谐振器13的开口方向为右下方，所述第七谐振器14的开口方向为右上方。
带通滤波器的外部品质因素可以通过改变馈线的长度和馈线和谐振器间的耦合调节。所述第一谐振器7与所述第二谐振器9、所述第三谐振器10与所述第四谐振器8、所述第一谐振器7与所述第四谐振器8、第五谐振器11与所述第六谐振器13、所述第七谐振器14与所述第八谐振器12、所述第五谐振器11与所述第八谐振器12之间存在电耦合，分别通过调节上述谐振器之间的第一耦合间隙18、第二耦合间隙19、第三耦合间隙20、第四耦合间隙22、第五耦合间隙23、第六耦合间隙24的大小控制电耦合的大小。
其中，所述第二谐振器9与所述第三谐振器10、第六谐振器13与所述第七谐振器14之间存在磁耦合，通过调节上述谐振器之间的第七耦合间隙21、第八耦合间隙25的大小控制磁耦合的大小。
其中，所述第一输入端馈线头P1的左右两端分别与所述第一输入端口馈线2的一端垂直连接以及所述第二输入端口馈线3的一端垂直连接，所述第一输入端馈线头P1的前端与所述短路传输线4的一端直线连接，所述第一输出端馈线头P2与所述第一输出端口馈线5的一端垂直连接，所述第二输出端馈线头P3与所述第二输出端口馈线6的一端垂直连接。
通过控制CQ结构中谐振器之间耦合的大小可以有效控制左右两侧传输零点的位置。当中心频率为f1附近的信号从P1端口输入时，信号通过左边的CQ结构的滤波器从P2输出，此时第二输入端口馈线3与短路传输线4组成的网络的输入阻抗为无穷大，所以P3端口的输出很小，同理当中心频率为f2附近的信号从P1端口输入时，信号通过右边的CQ结构的滤波器从P3输出，此时第一输入端口馈线2与短路传输线4组成的网络的输入阻抗为无穷大，所以P2端口的输出很小，因此左右两个CQ结构的滤波器具有良好的隔离度。这三个端口均为50欧姆的匹配阻抗。
图5是本发明提出的双工器结构尺寸示意图。该结构图是对称的。
使用三维仿真软件ZELAND IE3D对双工器进行仿真，本发明设计的双工器使用的微带基板的相对介电常数为2.55，介质高度为0.8，双工器的主要结构参数为：L1＝14.40mm,L2＝15.83mm,L3＝3.67mm,L4＝20.05mm,L5＝7.91mm,L6＝2.93mm,L7＝2.00mm,L8＝2.69mm,L9＝3.88mm,L10＝11.00mm,L11＝4.75mm,L12＝5.55mm,L13＝2.95mm,L14＝18.22mm,L15＝8.23mm,L16＝4.64mm,L17＝5.03mm,L18＝3.08mm,L19＝7.68mm,L20＝1.81mm,L21＝2.89mm,L22＝3.18mm,L23＝17.62mm,L24＝8.51mm,L25＝10.7mm,L26＝12.00mm,L27＝4.45mm,L28＝20.95mm,L29＝2.00mm,D＝0.60mm,W1＝0.40，mm,W2＝0.70mm,S1＝0.20mm,S2＝0.98mm,S3＝0.50mm,S4＝0.83mm,S5＝0.20mm,S6＝1.30mm,S7＝1.46mm。
图6(a)和图6(b)分别显示双工器的散射参数仿真结果，其带通滤波特性的中心频率分别为2.4Ghz，横轴表示本发明中双工器的信号频率，纵轴表示幅度，包括插入损耗(S31、S41、S32、S42)的幅度、回波损耗(S11，S22)的幅度以及隔离度(S21，S12)的幅度，其中S11，S22分别表示port1与port2的回波损耗，S31表示port1和port3的插入损耗，S41表示port1和port4的插入损耗，S32表示port2和port3的插入损耗，S42表示port2和port4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|。
在双工器的两个工作通带内，每个通带的回波损耗都大于15dB,每个通带的左右各有一个传输零点，实现了高选择特性，同时两个通带的隔离度大于35dB，展现了良好的隔离度。
综上所述，本实施例提出的一种具有带通滤波特性的双工器的设计方案，它包括2个CQ结构的带通滤波器和1个新型的匹配网络。通过匹配网络的输入阻抗特性，实现了双工器良好的隔离特性。具有隔离度高；选择性好；结构简单；成本低；适合批量生产的优点。
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 (7)
1.一种基于新型匹配网络的平面CQ双工器，以印刷电路板的方式制作在介质基板(1)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第一输入端馈线头P1、用于输出电磁波信号的第一输出端馈线头P2和第二输出端馈线头P3、与所述第一输入端馈线头P1相连的左边CQ结构的第一输入端口馈线(2)、右边CQ结构的第二输入端口馈线(3)、和具有第一短路通孔(17)的短路传输线(4)、与所述第一输出端馈线头P2相连的第一输出端口馈线(5)、与所述第二输出端馈线头P3相连的第二输出端口馈线(6)、由第一谐振器(7)与第四谐振器(8)以及第二谐振器(9)与第三谐振器(10)组成的左边CQ结构、由第五谐振器(11)与第八谐振器(12)以及第六谐振器(13)与第七谐振器(14)组成的右边CQ结构；
上述两组CQ结构的带通滤波器分别左右平行对称设置；
所述第一谐振器(7)与所述第四谐振器(8)以及所述第二谐振器(9)与所述第三谐振器(10)上下平行设置；所述第一输入端口馈线(2)和所述第一输出端口馈线(5)分别位于所述第四谐振器(8)和所述第一谐振器(7)的上下两侧，并且所述第一输入端口馈线(2)和所述第一输出端口馈线(5)上下平行设置；所述第二输入端口馈线(3)和所述第二输出端口馈线(6)分别位于所述第八谐振器(12)和所述第五谐振器(11)的上下两侧，并且所述第二输入端口馈线(3)和所述第二输出端口馈线(6)上下平行设置。
2.根据权利要求1所述的一种基于新型匹配网络的平面CQ双工器，其特征在于，所述第一谐振器(7)、所述第四谐振器(8)、所述第五谐振器(11)、所述第八谐振器(12)均为半波长均匀阻抗谐振器；所述第二谐振器(9)、所述第三谐振器(10)、所述第六谐振器(13)、所述第七谐振器(14)均为四分之一波长均匀阻抗谐振器；所述第二谐振器(9)、所述第三谐振器(10)共用第二短路通孔(15)；所述第六谐振器(13)、所述第七谐振器(14)共用第三短路通孔(16)。
3.根据权利要求2所述的一种基于新型匹配网络的平面CQ双工器，其特征在于，所述第一谐振器(7)与所述第四谐振器(8)和所述第五谐振器(11)与所述第八谐振器(12)分别为上下对称设置的C型谐振器，其中，所述第一谐振器(7)的开口方向为右下方，所述第四谐振器(8)的开口方向为右上方，所述第五谐振器(11)的开口方向为左下方，所述第八谐振器(12)的开口方向为左上方，其中，所述第一谐振器(7)、所述第四谐振器(8)、所述第五谐振器(11)、所述第八谐振器(12)的微带线采用波浪线弯折设置。
4.根据权利要求2所述的一种基于新型匹配网络的平面CQ双工器，其特征在于，所述第二谐振器(9)与所述第三谐振器(10)和所述第六谐振器(13)与所述第七谐振器(14)分别为上下对称设置的C型谐振器，其中，所述第二谐振器(9)的开口方向为左下方，所述第三谐振器(10)的开口方向为左上方，所述第六谐振器(13)的开口方向为右下方，所述第七谐振器(14)的开口方向为右上方。
5.根据权利要求1至4任一所述的一种基于新型匹配网络的平面CQ双工器，其特征在于，所述第一谐振器(7)与所述第二谐振器(9)、所述第三谐振器(10)与所述第四谐振器(8)、所述第一谐振器(7)与所述第四谐振器(8)、第五谐振器(11)与所述第六谐振器(13)、所述第七谐振器(14)与所述第八谐振器(12)、所述第五谐振器(11)与所述第八谐振器(12)之间存在电耦合，分别通过调节上述谐振器之间的第一耦合间隙(18)、第二耦合间隙(19)、第三耦合间隙(20)、第四耦合间隙(22)、第五耦合间隙(23)、第六耦合间隙(24)的大小控制电耦合的大小。
6.根据权利要求1至4任一所述的一种基于新型匹配网络的平面CQ双工器，其特征在于，所述第二谐振器(9)与所述第三谐振器(10)、第六谐振器(13)与所述第七谐振器(14)之间存在磁耦合，通过调节上述谐振器之间的第七耦合间隙(21)、第八耦合间隙(25)的大小控制磁耦合的大小。
7.根据权利要求1所述的一种基于新型匹配网络的平面CQ双工器，其特征在于，
所述第一输入端馈线头P1的左右两端分别与所述第一输入端口馈线(2)的一端垂直连接以及所述第二输入端口馈线(3)的一端垂直连接，所述第一输入端馈线头P1的前端与所述短路传输线(4)的一端直线连接，所述第一输出端馈线头P2与所述第一输出端口馈线(5)的一端垂直连接，所述第二输出端馈线头P3与所述第二输出端口馈线(6)的一端垂直连接。
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| CN107579317A (zh) * | 2017-08-15 | 2018-01-12 | 南京理工大学 | 基于槽线和微带多模谐振器的巴伦带通滤波器 |
| CN107579317B (zh) * | 2017-08-15 | 2019-04-12 | 南京理工大学 | 基于槽线和微带多模谐振器的巴伦带通滤波器 |
| CN114447546A (zh) * | 2022-01-22 | 2022-05-06 | 北京邮电大学 | 一种通信用高隔离度超小型平面双工器 |
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| CN106058391B (zh) | 2019-04-09 |
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