CN106299575A - 一种紧凑型宽带功分滤波器 - Google Patents

一种紧凑型宽带功分滤波器 Download PDF

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Abstract

本发明公开一种紧凑型宽带功分滤波器，包括介质基板(9)，介质基板(9)的上表面设有输入端馈线(1)、第一输出端馈线(2)、第二输出端馈线(3)、第一三模谐振器(4)、第二三模谐振器(5)、第一四分之一波长传输线(6)、第二四分之一波长传输线(7)、隔离电阻(8)；所述第一三模谐振器(4)、第二三模谐振器(5)的输入端分别与输入端馈线(1)耦合，其输出端分别与第一输出端馈线(2)、第二输出端馈线(3)耦合，所述第一四分之一波长传输线(6)与第一输出端馈线(2)的输出端相连，第二四分之一波长传输线(7)与第二输出端馈线(3)的输出端相连。本发明的功分滤波器，带宽较宽，结构紧凑。

Description

一种紧凑型宽带功分滤波器
技术领域
本发明涉及微波无源器件技术领域，特别是一种尺寸小，带宽宽的基于三模谐振器的紧凑型宽带功分滤波器。
背景技术
功分滤波器是一个独立的微波无源器件，它在功能上实现了射频电路中功分器和滤波器的有效结合，也就是说功分滤波器兼备了信号的功率分配和滤波功能。因此，高性能的功分滤波器不仅能够有效减小系统的尺寸，而且能够简化系统设计的复杂度，从而进一步实现无线通信系统的低成本、高性能、小型化设计。
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、高集成度、小型化的高性能功分滤波器成为了研究热点。
2016年，Y.J.Deng,J.P.Wang和J.L.Li在IEEE Electronics Letters期刊(vol.52,no.16,pp.1387-1389,2016)上发表“Design of compact wideband filteringpower divider with extended isolation and rejection bandwidth”，提出在基于三模谐振器和分立隔离网络实现的功分滤波器。这种设计方法虽然产生较宽的带宽，但由于隔离网络较复杂，导致电路尺寸较大。
2015年，Kaijun Song在IEEE Electronics Letters期刊(vol.51,no.6,pp.495-497,2015)上发表“Compact filtering power divider with high frequencyselectivity and wide stopband using embedded dual-mode resonator”，提出通过嵌入双模谐振器来实现功分和滤波功能，同时利用源载耦合引入带外零点提高带外抑制，信号选择性较好。但是，由于该结构单纯使用双模谐振器实现信号耦合，通带带宽较窄。
总之，现有技术存在的问题是：功分滤波器尺寸较大，带宽较窄。
发明内容
本发明的目的在于提供一种紧凑型宽带功分滤波器，尺寸较小，带宽宽。
实现本发明目的的技术解决方案为：
一种紧凑型宽带功分滤波器，包括下表面覆有金属接地板的介质基板，
在所述介质基板的上表面设有输入端馈线、第一输出端馈线、第二输出端馈线、第一三模谐振器、第二三模谐振器、第一四分之一波长传输线、第二四分之一波长传输线、隔离电阻，所述第一三模谐振器、第二三模谐振器的输入端分别与输入端馈线耦合，其输出端分别与第一输出端馈线、第二输出端馈线耦合，所述第一四分之一波长传输线与第一输出端馈线的输出端相连，第二四分之一波长传输线与第二输出端馈线的输出端相连，输入端馈线的输出端穿过介质基板与金属接地板相连。
本发明与现有技术相比，其显著优点为：
1、尺寸较小：现有功分滤波器一般尺寸较大，本专利提出的电路设计通过对三模谐振器的合理变形和折叠，在保持电路性能的条件下能够实现较小的电路尺寸。
2、带宽较宽：现有的功分滤波器结构一般带宽较窄，本专利提出基于三模谐振器的功分滤波器，能够实现较宽的通带。
附图说明
图1是本发明紧凑型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是实施例的结构尺寸示意图。
图4是实施例的S11、S21、S31和S23参数仿真图。
图5是实施例的两个输出端口幅度差的仿真图。
图6是实施例的两个输出端口相位差的仿真图。
图中，介质基板9，金属接地板10，
输入端馈线1，第一输出端馈线2，第二输出端馈线3，第一三模谐振器4，第二三模谐振器5，第一四分之一波长传输线6，第二四分之一波长传输线7，隔离电阻8，
第一50欧姆微带线导带11，第一四分之一波长主传输线12，第二四分之一波长主传输线13，
第二50欧姆微带线导带21，第一微带传输线22，
第三50欧姆微带线导带31，第二微带传输线32，
第一四分之一波长谐振器41，第二四分之一波长谐振器42，第一对称面枝节加载低阻抗谐振器43，第一对称面枝节加载高阻抗谐振器44，
第三四分之一波长谐振器51，第四四分之一波长谐振器52，第二对称面枝节加载低阻抗谐振器53，第二对称面枝节加载高阻抗谐振器54。
具体实施方式
如图1所示，本发明紧凑型宽带功分滤波器，包括下表面覆有金属接地板10的介质基板9，
在所述介质基板9的上表面设有输入端馈线1、第一输出端馈线2、第二输出端馈线3、第一三模谐振器4、第二三模谐振器5、第一四分之一波长传输线6、第二四分之一波长传输线7、隔离电阻8，
所述第一三模谐振器4、第二三模谐振器5的输入端分别与输入端馈线1耦合，其输出端分别与第一输出端馈线2、第二输出端馈线3耦合，所述第一四分之一波长传输线6与第一输出端馈线2的输出端相连，第二四分之一波长传输线7与第二输出端馈线3的输出端相连。输入端馈线1的输出端穿过介质基板9与金属接地板10相连。
如图1所示，所述介质基板9为矩形，输入端馈线1靠近其一个宽边，其输入端置于该宽边上，第一输出端馈线2、第二输出端馈线3靠近另一个宽边且与该宽边平行，第一输出端馈线2的输出端置于介质基板9的一个窄边上，第二输出端馈线3的输出端置于介质基板9的另一个窄边上，第一三模谐振器4置于输入端馈线1与第一输出端馈线2之间，第二三模谐振器5置于输入端馈线1与第二输出端馈线3之间。
如图2所示，所述输入端馈线1包括与矩形介质基板9宽边垂直的第一50欧姆微带线导带11、与该宽边平行的第一四分之一波长主传输线12和第二四分之一波长主传输线13，所述第一50欧姆微带线导带11的输入端位于与其靠近的矩形介质基板9的宽边中点，所述第一四分之一波长主传输线12和第二四分之一波长主传输线13相对于第一50欧姆微带线导带11轴对称，其输入端均与第一50欧姆微带线导带11的输出端相连，其输出端穿过介质基板9与金属接地板10相连。
如图2所示，所述第一输出端馈线2包括与矩形介质基板9宽边平行的第二50欧姆微带线导带21和第一微带传输线22；
所述第一微带传输线22的输出端与第二50欧姆微带线导带21的输入端相连，所述第二50欧姆微带线导带21的输出端位于矩形介质基板9的一个窄边上；
所述第一四分之一波长传输线6为L形折线，其一端与第一微带传输线22垂直相连；
所述第二输出端馈线3包括与矩形介质基板9宽边平行的第三50欧姆微带线导带31和第二微带传输线32；
所述第二微带传输线32的输出端与第三50欧姆微带线导带31的输入端相连，所述第三50欧姆微带线导带31的输出端位于矩形介质基板9的另一个窄边上；
所述第二四分之一波长传输线7为L形折线，其一端与第二微带传输线32垂直相连。
如图2所示，所述第一三模谐振器4包括第一四分之一波长谐振器41、第二四分之一波长谐振器42、第一对称面枝节加载低阻抗谐振器43、第一对称面枝节加载高阻抗谐振器44，
所述第一四分之一波长谐振器41和第二四分之一波长谐振器42与矩形介质基板9宽边平行，第一对称面枝节加载低阻抗谐振器43的轴线和第一对称面枝节加载高阻抗谐振器44的轴线均与矩形介质基板9宽边平行，
第一对称面枝节加载低阻抗谐振器43的一端同时与第一四分之一波长谐振器41的输出端和第二四分之一波长谐振器42的输入端相连，其另一端与第一对称面枝节加载高阻抗谐振器44的中轴相连，
所述第一四分之一波长谐振器41与第一四分之一波长主传输线12平行耦合，第二四分之一波长谐振器42与第一微带传输线22平行耦合；
所述第二三模谐振器5包括第三四分之一波长谐振器51、第四四分之一波长谐振器52、第二对称面枝节加载低阻抗谐振器53、第二对称面枝节加载高阻抗谐振器54，
所述第三四分之一波长谐振器51和第四四分之一波长谐振器52与矩形介质基板9宽边平行，第二对称面枝节加载低阻抗谐振器53的轴线和第二对称面枝节加载高阻抗谐振器54的轴线均与矩形介质基板9宽边平行，
第二对称面枝节加载低阻抗谐振器53的一端同时与第三四分之一波长谐振器51的输出端和第四四分之一波长谐振器52的输入端相连，其另一端与第二对称面枝节加载高阻抗谐振器54的中轴相连，
所述第三四分之一波长谐振器51与第二四分之一波长主传输线13平行耦合，第四四分之一波长谐振器52与第二微带传输线32平行耦合。
所述隔离电阻8位于第一三模谐振器4和第二三模谐振器5之间，两端分别与第一四分之一波长谐振器41和第三四分之一波长谐振器51的输出端相连。
本发明基于三模谐振器的紧凑型宽带功分滤波器，其中第一三模谐振器4和第二三模谐振器5的第一四分之一波长谐振器41、第二四分之一波长谐振器42、第三四分之一波长谐振器51、第四四分之一波长谐振器52的长度和宽度决定了通带的位置，调节第一对称面枝节加载低阻抗谐振器43、第一对称面枝节加载高阻抗谐振器44、第二对称面枝节加载低阻抗谐振器53、第二对称面枝节加载高阻抗谐振器54可以改变两个模式的位置，从而使得通带更加平坦；第一四分之一波长主传输线12和第二四分之一波长主传输线13分别和与其平行耦合的第一四分之一波长谐振器41、第三四分之一波长谐振器51的间距以及第一微带传输线22和第二微带传输线32分别和与其平行耦合的第二四分之一波长谐振器42、第四四分之一波长谐振器52的间距对其耦合的强度影响较大，间距越小耦合强度越大，两个输出端口的幅度和相位吻合度越高。
本发明基于三模谐振器的紧凑型宽带功分滤波器，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。
下面结合具体实施例对本发明作进一步详细描述。
实施例
基于分立元件隔离网络及三模谐振器的紧凑型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10相对介电常数为3.55，厚度为0.508mm，损耗角正切为0.0027。输入端50欧姆微带线导带11、二端口输出端50欧姆微带线导带21和三端口输出端50欧姆微带线导带31的特性阻抗均为50欧姆，其宽度均为w1＝1.11mm。结合图3，功分滤波器的各尺寸参数如下：w1＝1.08mm，L1＝4mm，w2＝0.28mm，L2＝18.5mm，w3＝0.28mm，L3＝17.4mm，w4＝5.5mm，L4＝2.72mm，w5＝0.2mm，L5＝24.72mm，w6＝0.1mm，L6＝1.25mm,L7＝3.5mm,L8＝16.9mm,L9＝22mm,L10＝1.6mm,L11＝10.5mm,L12＝1.9mm,L13＝0.92mm,g1＝0.1mm,g2＝0.16mm。功分滤波器的整体面积为18.5×60mm，对应的导波长尺寸为0.23λg×0.75λg，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2.0GHz，相对带宽为32.5％，通带内回波损耗低于23dB。
图5是本实例中功分滤波器的两个输出端口幅度差，从图中可以看出，该实例功分滤波器通带内的两个平衡输出端口幅度差在0.03dB以内。
图6是本实例中功分滤波器的两个输出端口相位差，从图中可以看出，该实例功分滤波器通带内的两个平衡输出端口相位差在0±1.2度以内。
综上所述，本发明基于三模谐振器的紧凑型宽带功分滤波器，实现了一种结构紧凑，带宽较宽的三模紧凑型宽带功分滤波器，该功分滤波器非常适用于现代无线通信系统。

Claims (5)

1.一种紧凑型宽带功分滤波器，其特征在于：
包括下表面覆有金属接地板(10)的介质基板(9)，
在所述介质基板(9)的上表面设有输入端馈线(1)、第一输出端馈线(2)、第二输出端馈线(3)、第一三模谐振器(4)、第二三模谐振器(5)、第一四分之一波长传输线(6)、第二四分之一波长传输线(7)、隔离电阻(8)；
所述第一三模谐振器(4)、第二三模谐振器(5)的输入端分别与输入端馈线(1)耦合，其输出端分别与第一输出端馈线(2)、第二输出端馈线(3)耦合，所述第一四分之一波长传输线(6)与第一输出端馈线(2)的输出端相连，第二四分之一波长传输线(7)与第二输出端馈线(3)的输出端相连，输入端馈线(1)的输出端穿过介质基板(9)与金属接地板(10)相连。
2.根据权利要求1所述的功分滤波器，其特征在于：所述介质基板(9)为矩形，输入端馈线(1)靠近其一个宽边，其输入端置于该宽边上，第一输出端馈线(2)、第二输出端馈线(3)靠近另一个宽边且与该宽边平行，第一输出端馈线(2)的输出端置于介质基板(9)的一个窄边上，第二输出端馈线(3)的输出端置于介质基板(9)的另一个窄边上，第一三模谐振器(4)置于输入端馈线(1)与第一输出端馈线(2)之间，第二三模谐振器(5)置于输入端馈线(1)与第二输出端馈线(3)之间。
3.根据权利要求2所述的功分滤波器，其特征在于：
所述输入端馈线(1)包括与矩形介质基板(9)宽边垂直的第一50欧姆微带线导带(11)、与该宽边平行的第一四分之一波长主传输线(12)和第二四分之一波长主传输线(13)，所述第一50欧姆微带线导带(11)的输入端位于与其靠近的矩形介质基板(9)的宽边中点，所述第一四分之一波长主传输线(12)和第二四分之一波长主传输线(13)相对于第一50欧姆微带线导带(11)轴对称，其输入端均与第一50欧姆微带线导带(11)的输出端相连，其输出端穿过介质基板(9)与金属接地板(10)相连。
4.根据权利要求3所述的紧凑型宽带功分滤波器，其特征在于：
所述第一输出端馈线(2)包括第二50欧姆微带线导带(21)和第一微带传输线(22)，所述第一微带传输线(22)的输出端与第二50欧姆微带线导带(21)的输入端相连；所述第一四分之一波长传输线(6)为L形折线，其一端与第一微带传输线(22)垂直相连；
所述第二输出端馈线(3)包括第三50欧姆微带线导带(31)和第二微带传输线(32)，所述第二微带传输线(32)的输出端与第三50欧姆微带线导带(31)的输入端相连；
所述第二四分之一波长传输线(7)为L形折线，其一端与第二微带传输线(32)垂直相连。
5.根据权利要求4所述的紧凑型宽带功分滤波器，其特征在于：
所述第一三模谐振器(4)包括第一四分之一波长谐振器(41)、第二四分之一波长谐振器(42)、第一对称面枝节加载低阻抗谐振器(43)、第一对称面枝节加载高阻抗谐振器(44)，
所述第一四分之一波长谐振器(41)和第二四分之一波长谐振器(42)与矩形介质基板(9)宽边平行，第一对称面枝节加载低阻抗谐振器(43)的轴线和第一对称面枝节加载高阻抗谐振器(44)的轴线均与矩形介质基板(9)宽边平行，
第一对称面枝节加载低阻抗谐振器(43)的一端同时与第一四分之一波长谐振器(41)的输出端和第二四分之一波长谐振器(42)的输入端相连，其另一端与第一对称面枝节加载高阻抗谐振器(44)的中轴相连，
所述第一四分之一波长谐振器(41)与第一四分之一波长主传输线(12)平行耦合，第二四分之一波长谐振器(42)与第一微带传输线(22)平行耦合；
所述第二三模谐振器(5)包括第三四分之一波长谐振器(51)、第四四分之一波长谐振器(52)、第二对称面枝节加载低阻抗谐振器(53)、第二对称面枝节加载高阻抗谐振器(54)，
所述第三四分之一波长谐振器(51)和第四四分之一波长谐振器(52)与矩形介质基板(9)宽边平行，第二对称面枝节加载低阻抗谐振器(53)的轴线和第二对称面枝节加载高阻抗谐振器(54)的轴线均与矩形介质基板(9)宽边平行，
第二对称面枝节加载低阻抗谐振器(53)的一端同时与第三四分之一波长谐振器(51)的输出端和第四四分之一波长谐振器(52)的输入端相连，其另一端与第二对称面枝节加载高阻抗谐振器(54)的中轴相连，
所述第三四分之一波长谐振器(51)与第二四分之一波长主传输线(13)平行耦合，第四四分之一波长谐振器(52)与第二微带传输线(33)平行耦合，
所述隔离电阻(8)位于第一三模谐振器(4)和第二三模谐振器(5)之间，两端分别与第一四分之一波长谐振器(41)和第三四分之一波长谐振器(51)的输出端相连。
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