CN106299560A - 一种高选择性宽带功分滤波器 - Google Patents

一种高选择性宽带功分滤波器 Download PDF

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相林
李冠男
马甲林
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Abstract

本发明公开一种高选择性宽带功分滤波器，包括下表面设有金属接地板的多边形介质基板，在所述多边形介质基板的上表面设有输入端口馈线、第一输出端口馈线和第二输出端口馈线，所述第一输出端口馈线与所述第二输出端口馈线分别靠近所述多边形介质基板的两个垂直相邻的长边，在所述第一输出端口馈线与输入端口馈线之间设有第一枝节加载型多模谐振器，在所述第二输出端口馈线与输入端口馈线之间设有第二枝节加载型多模谐振器。在所述第一枝节加载型多模谐振器与第二枝节加载型多模谐振器之间设有隔离电阻。本发明公开的一种高选择性宽带功分滤波器，结构紧凑、损耗低、选择性高、隔离度好，具有良好的带外抑制性能。

Description

一种高选择性宽带功分滤波器
技术领域
本发明涉及微波无源器件技术领域，特别是一种高选择性宽带功分滤波器。
背景技术
近年来，随着模块结构单元(Modular Building Block,MBB)和单片微波集成电路(Monolithic Microwave Integrated Circuit,MMIC)的发展，低成本、高度集成、小型化已经成为现代无线通信系统集成设计中非常重要的考虑因素。通常，射频前端电路由不同器件构成，如滤波器，功分器等，而单独设计这些器件无疑增加了前端电路的物理尺寸，因此，设计同时具有功分和滤波特性的器件成为了减小电路尺寸的最有效办法。功分滤波器作为一种功能集成的无源元件，受到了学术研究者的广泛关注。
文献1[C.F.Chen,T.Y.Huang,T.M.Shen and R.B.Wu,"Design of MiniaturizedFiltering Power Dividers for System-in-a-Package,"IEEE Transactions onComponents,Packaging and Manufacturing Technology,vol.3,no.10,pp.1663-1672,Oct.2013]通过利用网式谐振器，实现了一种带有切比雪夫和准椭圆带通响应的威尔金森功分器，但是，为了改善高阶响应的带内隔离特性，该种功分滤波器需要多层的隔离电阻才能实现，加大了交叉耦合拓扑的实现难度。
文献2[W.M.Chau,K.W.Hsu and W.H.Tu,"Filter-Based Wilkinson PowerDivider,"IEEE Microwave and Wireless Components Letters,vol.24,no.4,pp.239-241,April 2014]通过将一个带通滤波器和两个低通滤波器与威尔金森功分器集成，提出了一种具有宽阻带性能的功分滤波器，然而，其插损大、选择性差的问题限制了该功分滤波器的广泛应用。
文献3[S.S.Gao,S.Sun and S.Xiao,"A Novel Wideband Bandpass PowerDivider With Harmonic-Suppressed Ring Resonator,"IEEE Microwave and WirelessComponents Letters,vol.23,no.3,pp.119-121,March 2013]通过利用环形谐振器，设计了一款选择性高的宽带功分滤波器，但是其带内的隔离水平欠佳。
发明内容
本发明的目的在于提供一种高选择性宽带功分滤波器，同时具备结构紧凑、损耗低、选择性高、隔离度好以及良好的带外抑制特性。
实现本发明目的的技术解决方案为：一种高选择性宽带功分滤波器，包括下表面设有金属接地板的多边形介质基板，在所述多边形介质基板的上表面设有输入端口馈线、第一输出端口馈线和第二输出端口馈线，所述第一输出端口馈线与所述第二输出端口馈线分别靠近所述多边形介质基板的两个垂直相邻的长边，在所述第一输出端口馈线与输入端口馈线之间设有第一枝节加载型多模谐振器，在所述第二输出端口馈线与输入端口馈线之间设有第二枝节加载型多模谐振器。在所述第一枝节加载型多模谐振器与第二枝节加载型多模谐振器之间设有隔离电阻。
本发明与现有技术相比，其显著优点为：
(1)本发明的结构紧凑，可在单片PCB板上实现，便于加工集成，生产成本低。
(2)本发明利用枝节加载型多模谐振器的谐振机理和主传输线的电场分布特性，具有高选择性和宽频带特性。
(3)本发明利用一个波长主传输线与谐振器耦合以及开路枝节产生零点的特性，具有良好的带外抑制特性。
(4)本发明的功分滤波器利用谐振器之间接隔离电阻，隔离度好，适用于现代无线通信系统。
下面结合附图和具体实施例对本发明作进一步详细描述。
附图说明
图1是本发明一种高选择性宽带功分滤波器的立体结构示意图；
图2是图1的俯视图；
图3是实施例1的结构尺寸示意图；
图4是实施例1的S参数仿真图；
图5是实施例1的两个输出端口的匹配特性和隔离特性S参数仿真图。
附图中：输入端口馈线1、第一输出端口馈线2、第二输出端口馈线3、第一枝节加载型多模谐振器4、第二枝节加载型多模谐振器5、隔离电阻6、多边形介质基板7、金属接地板8、
50欧姆微带线导带11、阻抗匹配线12、一个波长主传输线13、
第一50欧姆微带线导带21、第一终端开路枝节22、第一耦合输出线23、
第二50欧姆微带线导带31、第二终端开路枝节32、第二耦合输出线33、
第一二分之一波长谐振器41、第一对称面枝节加载单元42、第二对称面枝节加载单元43、
第二二分之一波长谐振器51、第三对称面枝节加载单元52、第四对称面枝节加载单元53。
具体实施方式
如图1、图2所示，本发明一种高选择性宽带功分滤波器，包括下表面设有金属接地板8的多边形介质基板7，在所述多边形介质基板7的上表面设有输入端口馈线1、第一输出端口馈线2和第二输出端口馈线3，所述第一输出端口馈线2与所述第二输出端口馈线3分别靠近所述多边形介质基板7的两个垂直相邻的长边，在所述第一输出端口馈线2与输入端口馈线1之间设有第一枝节加载型多模谐振器4，在所述第二输出端口馈线3与输入端口馈线1之间设有第二枝节加载型多模谐振器5。在所述第一枝节加载型多模谐振器4与第二枝节加载型多模谐振器5之间设有隔离电阻6。
所述多边形介质基板7为等腰梯形切角的正方形，关于原正方形的对角线对称。
所述输入端口馈线1包括50欧姆微带线导带11，阻抗匹配线12和一个波长主传输线13，所述一个波长主传输线13在其中心处呈90°弯折，在末端呈U型弯折，并关于多边形介质基板7的对称面左右对称，所述50欧姆微带线导带11一个端面与阻抗匹配线12相接，另一端面在多边形介质基板7梯形凹面的上底面，阻抗匹配线12与50欧姆微带线导带11沿多边形介质基板7的对称面相接与一个波长主传输线13的中心相接。
所述第一输出端口馈线2包括第一50欧姆微带线导带21、第一终端开路枝节22和第一耦合输出线23，所述第一50欧姆微带线导带21一端位于多边形介质基板7两相邻垂直长边的一边，另一端与呈L型弯折的第一耦合输出线23的短边端面相接，所述第一耦合输出线23的L型长边与多边形介质基板7的相邻长边平行，并指向多边形介质基板7的对称面，所述第一终端开路枝节垂直端接于第一50欧姆微带线导带21与第一耦合输出线23相接位置处。
所述第二输出端口馈线3包括第二50欧姆微带线导带31、第二终端开路枝节32和第二耦合输出线33，所述第二50欧姆微带线导带31一端位于多边形介质基板7两相邻垂直长边的另一边，另一端与呈L型弯折的第二耦合输出线33的短边端面相接，所述第二耦合输出线33的L型长边与多边形介质基板7的相邻长边平行，并指向多边形介质基板7的对称面，所述第二终端开路枝节垂直端接于第二50欧姆微带线导带31与第二耦合输出线33相接位置处。
所述第一枝节加载型多模谐振器4与第二枝节加载型多模谐振器5关于多边形介质基板7对称面对称，其开口方向分别朝向多边形介质基板7上表面的两个对称直角短边。所述第一枝节加载型多模谐振器4在第一输出端口馈线2和输入端口馈线1的左臂之间，所述第二枝节加载型多模谐振器5在第二输出端口馈线3和输入端口馈线1的右臂之间。
所述第一枝节加载型多模谐振器4包括第一二分之一波长谐振器41、第一对称面枝节加载单元42和第二对称面枝节加载单元43，所述第一对称面枝节加载单元42加载于呈U型弯折的第一二分之一波长谐振器41的中心，并与一个波长主传输线13靠近中心位置的一段线段平行，所述第二对称面枝节加载单元43呈U型弯折，内置于第一二分之一波长谐振器41中，并于其中心处与第一对称面加载单元42相交。
所述第二枝节加载型多模谐振器5包括第二二分之一波长谐振器51、第三对称面枝节加载单元52和第四对称面枝节加载单元53，所述第三对称面枝节加载单元52加载于呈U型弯折的第二二分之一波长谐振器51的中心，并与一个波长主传输线13靠近中心位置的另一线段平行，所述第四对称面枝节加载单元53呈U型弯折，内置于第二二分之一波长谐振器51中，并于其中心处与第三对称面加载单元52相交。
所述隔离电阻6通过小三角形贴片连接于第一枝节加载型谐振器4与第二枝节加载型谐振器5距离最近位置处，即靠近阻抗匹配线12与一个波长主传输线13相交位置。
本发明运用多模谐振器的谐振机理，利用一个波长传输线的场分布原理，实现功率分配和滤波功能的集成，同时，巧妙的设计隔离电阻的位置，实现了一种结构紧凑、损耗低、选择性高、隔离度好以及具有良好的带外抑制特性的高选择性宽带功分滤波器，该功分滤波器非常适用于现代无线通信系统的应用。
本发明一种高选择性宽带功分滤波器中，信号由所述输入端口馈线1进入，激励起一个波长主传输线13上对称分布的电场，信号均分两路，分别通过第一和第二枝节加载型多模谐振器4、5耦合传输至第一和第二输出端口馈线2、3后输出，从而产生功率等分的特性；所述第一和第二谐振器4、5由于模式谐振，在通带内产生三个传输极点，在通带外产生两个传输零点，从而获得了宽带和高选择性的特性；由于所述一个波长主传输线13与第一和第二枝节加载型多模谐振器间4、5特殊的耦合拓扑，通带两侧产生了两个额外的传输零点，同时，通过在输出端口处加载开路枝节，带外产生了第5个位于二次谐波处的零点，从而改善了该功分滤波器的带外抑制性能；此外，通过巧妙地在谐振器之间引入隔离电阻，提高了该功分器两输出端口间的隔离水平和端口匹配性能。
本发明一种高选择性宽带功分滤波器中，枝节加载型多模谐振器4、5的二分之一波长谐振器41和51的长度和宽度决定了通带的位置，调节对称面枝节加载单元42、43、52、53的长度和宽度可以改变通带的带宽以及平坦度，一个波长主传输线13二分之一波长谐振器41和51之间的耦合间距以及耦合输出线23、33分别与二分之一波长谐振器41、52之间的耦合间距对耦合强度影响较大，间距越小耦合强度越大；终端开路枝节22和32的长度对二次谐波抑制水平影响较大，调节该长度可实现二次谐波抑制终端开路枝节22和32宽度对带内匹配特性有一定影响，线宽越窄，匹配特性越好；此外，隔离电阻6对两输出端口的隔离度影响较大，调节隔离电阻阻值的大小，可获得最佳隔离度。
本发明在制造上通过印制电路板制造工艺对电路基板正面及背面的金属面进行加工腐蚀，从而形成所需的金属图案，结构简单，可在单片PCB板上实现，便于加工集成，生产成本低。同时，利用枝节加载型多模谐振器和一个波长主传输线场分布特性，获得良好的功率分配特性和滤波特性，通过巧妙的在谐振器之间接隔离电阻，获得了良好的端口隔离特性。由于本发明的宽带功分滤波器选择性高、插入损耗小、带外抑制性能好，适用于现代无线通信系统。
下面结合实施例对本发明作进一步详细描述。
实施例1
一种高选择性宽带功分滤波器的结构如图1所示，俯视图如图2所示，有关尺寸规格如图3所示。所采用的介质基板7相对介电常数为3.55，厚度为0.508mm，损耗角正切为0.0027。结合图3，功分滤波器的各尺寸参数如下：Wp＝1.18mm，W＝0.4mm，Wstub＝0.1mm，L1＝38.4mm，L2＝15.5mm，L3＝20.9mm，L4＝17.8mm，L5＝6.8mm，L6＝1mm，L7＝1.6mm，Lp1＝6mm，Lf1＝7mm，Lp2＝6mm，Lf2＝4.8mm，Lstub＝10mm，g＝0.2mm,R＝80Ω。功分滤波器不包括50欧姆微带线导带的总面积为40.6×27.9mm2，对应的导波长尺寸为0.54λg×0.37λg，其中λg为通带中心频率对应的导波波长。
本实例功分滤波器是在电磁仿真软件HFSS.13.0中建模仿真的。图4是本实例中功分滤波器的S参数仿真图，从图中可以看出，该功分滤波器的通带中心频率为2.47GHz，相对带宽为22.3％，通带内回波损耗低于15dB，最小插入损耗为0.44dB。通带外有六个传输零点使得该实例功分滤波器具有很好的频率选择性和二次谐波抑制性。
图5是本实例中功分滤波器的两个功率输出端口匹配特性和隔离特性的S参数仿真图，从图中可以看出，该实例功分滤波器通带内的输出端口回波损耗低于12.1dB，隔离度好于15dB。
综上所述，本发明一种高选择性宽带功分滤波器，结合枝节加载型多模谐振器和一个波长终端开路传输线的场分布特性，利用谐振器间接隔离电阻，输出端加载开路枝节，实现了一种结构紧凑、损耗低、选择性高、隔离度好、具有较好带外抑制性能的宽带功分滤波器，该功分滤波器非常适用于现代无线通信系统。

Claims (9)

1.一种高选择性宽带功分滤波器，其特征在于，包括：下表面设有金属接地板(8)的多边形介质基板(7)，在所述多边形介质基板(7)的上表面设有输入端口馈线(1)、第一输出端口馈线(2)和第二输出端口馈线(3)，所述第一输出端口馈线(2)与所述第二输出端口馈线(3)分别靠近所述多边形介质基板(7)的两个垂直相邻的长边，在所述第一输出端口馈线(2)与输入端口馈线(1)之间设有第一枝节加载型多模谐振器(4)，在所述第二输出端口馈线(3)与输入端口馈线(1)之间设有第二枝节加载型多模谐振器(5)。在所述第一枝节加载型多模谐振器(4)与第二枝节加载型多模谐振器(5)之间设有隔离电阻(6)。
2.根据权利要求1所述的高选择性宽带功分滤波器，其特征在于：
所述多边形介质基板(7)为等腰梯形切角的正方形，关于原正方形的对角线对称。
3.根据权利要求1和2所述的高选择性宽带功分滤波器，其特征在于：
所述输入端口馈线(1)包括50欧姆微带线导带(11)，阻抗匹配线(12)和一个波长主传输线(13)，所述一个波长主传输线(13)在其中心处呈90°弯折，在末端呈U型弯折，并关于多边形介质基板(7)的对称面左右对称，所述50欧姆微带线导带(11)一个端面与阻抗匹配线(12)相接，另一端面在多边形介质基板(7)梯形凹面的上底面，阻抗匹配线(12)与50欧姆微带线导带(11)沿多边形介质基板(7)的对称面相接与一个波长主传输线(13)的中心相接。
4.根据权利要求1和2所述的高选择性宽带功分滤波器，其特征在于：
所述第一输出端口馈线(2)包括第一50欧姆微带线导带(21)、第一终端开路枝节(22)和第一耦合输出线(23)，所述第一50欧姆微带线导带(21)一端位于多边形介质基板(7)的两相邻垂直长边的一边，另一端与呈L型弯折的第一耦合输出线(23)的短边端面相接，所述第一耦合输出线(23)的L型长边与多边形介质基板(7)的垂直相邻的长边平行，并指向多边形介质基板(7)的对称面；所述第一终端开路枝节垂直端接于第一50欧姆微带线导带(21)与第一耦合输出线(23)相接位置处。
5.根据权利要求1或2所述的高选择性宽带功分滤波器，其特征在于：
所述第二输出端口馈线(3)包括第二50欧姆微带线导带(31)、第二终端开路枝节(32)和第二耦合输出线(33)，所述第二50欧姆微带线导带(31)一端位于多边形介质基板(7)的两相邻垂直长边的另一边，另一端与呈L型弯折的第二耦合输出线(33)的短边端面相接，所述第二耦合输出线(33)的L型长边与多边形介质基板(7)的垂直相邻的长边平行，并指向多边形介质基板(7)的对称面，所述第二终端开路枝节垂直端接于第二50欧姆微带线导带(31)与第二耦合输出线(33)相接位置处。
6.根据权利要求1或2所述的高选择性宽带功分滤波器，其特征在于：
所述第一枝节加载型多模谐振器(4)与第二枝节加载型多模谐振器(5)关于多边形介质基板(7)对称面对称，其开口方向分别朝向多边形介质基板(7)上表面的两个对称直角短边。所述第一枝节加载型多模谐振器(4)在第一输出端口馈线(2)和输入端口馈线(1)的左臂之间，所述第二枝节加载型多模谐振器(5)在第二输出端口馈线(3)和输入端口馈线(1)的右臂之间。
7.根据权利要求6所述的高选择性宽带功分滤波器，其特征在于：
所述第一枝节加载型多模谐振器(4)包括第一二分之一波长谐振器(41)、第一对称面枝节加载单元(42)和第二对称面枝节加载单元(43)，所述第一对称面枝节加载单元(42)加载于呈U型弯折的第一二分之一波长谐振器(41)的中心，并与一个波长主传输线(13)靠近中心位置的一段线段平行，所述第二对称面枝节加载单元(43)呈U型弯折，内置于第一二分之一波长谐振器(41)中，并于其中心处与第一对称面加载单元(42)相交。
8.根据权利要求6所述的高选择性宽带功分滤波器，其特征在于：
所述第二枝节加载型多模谐振器(5)包括第二二分之一波长谐振器(51)、第三对称面枝节加载单元(52)和第四对称面枝节加载单元(53)，所述第三对称面枝节加载单元(52)加载于呈U型弯折的第二二分之一波长谐振器(51)的中心，并与一个波长主传输线(13)靠近中心位置的另一线段平行，所述第四对称面枝节加载单元(53)呈U型弯折，内置于第二二分之一波长谐振器(51)中，并于其中心处与第三对称面加载单元(52)相交。
9.根据权利要求1或2所述的高选择性宽带功分滤波器，其特征在于：
所述隔离电阻(6)通过小三角形贴片连接于第一枝节加载型谐振器(4)与第二枝节加载型谐振器(5)距离最近位置处，即靠近阻抗匹配线(12)与一个波长主传输线(13)相交位置。
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