CN106602200A - 一种微带功分滤波器 - Google Patents
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Abstract
本发明公开一种微带功分滤波器，包括贴覆于矩形介质基板(1)下表面的金属接地板(2)和上表面的输入端口馈线(3)、第一输出端口馈线(41)、第二输出端口馈线(42)、第一槽线‑微带过渡结构(51)、第二槽线‑微带过渡结构(52)、第一E型谐振器(61)、第二E型谐振器(62)和隔离电阻(7)；第一槽线‑微带过渡结构(51)与第二槽线‑微带过渡结构(52)之间以隔离电阻(7)相连；第一E型谐振器(61)位于第一槽线‑微带过渡结构(51)与第一输出端口馈线(41)之间，第二E型谐振器(62)位于第二槽线‑微带过渡结构(52)与第二输出端口馈线(42)之间。本发明的微带功分滤波器，选择性好、隔离度高。
Description
技术领域
本发明涉及微波无源器件技术领域，特别是一种选择性好、隔离度高的微带功分滤波器。
背景技术
功分滤波器是一个独立的微波无源器件，在功能上，它实现了射频电路里功分器和滤波器的有效结合，即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(ModularBuilding Block,MBB)和单片微波集成电路(Monolithic Microwave IntegratedCircuit,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广大学者的研究热点。
2005年，Chi-Feng Chen,Ting-Yi Huang和Ruey-Beei Wu在IEEETransaction.Microwave Theory Technique期刊(vol.53,no.12,pp.3788-3793,2005)上发表“Design of Microstrip Bandpass Filters With Multiorder Spurious-ModeSuppression”，提出在平行耦合的理论基础上结合电容终端加载枝节的谐振特性来实现高次谐波抑制的设计方法。这种设计方法虽然设计理论较为简单，但是由于该结构引入了阶梯阻抗谐振器，使得所设计的功分滤波器的带宽较窄。
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隔离电阻实现两个输出端口之间的隔离，通带内隔离度较差。
总之，现有技术存在的问题是：宽带功分滤波器带宽窄、隔离度低。
发明内容
本发明的目的在于提供一种宽带功分滤波器，选择性好、隔离度高。
实现本发明目的的技术解决方案为：
一种微带功分滤波器，包括贴覆于矩形介质基板下表面的金属接地板和贴覆于介质基板上表面的输入端口馈线、第一输出端口馈线、第二输出端口馈线、第一槽线-微带过渡结构、第二槽线-微带过渡结构、第一E型谐振器、第二E型谐振器和隔离电阻；
所述输入端口馈线置于介质基板长边中线上，其输入端置于介质基板一个长边的中点；
所述第一输出端口馈线与第二输出端口馈线、第一槽线-微带过渡结构与第二槽线-微带过渡结构、第一E型谐振器与第二E型谐振器均关于介质基板长边中线对称布置；
所述第一槽线-微带过渡结构与第二槽线-微带过渡结构之间以隔离电阻相连；
所述第一E型谐振器位于第一槽线-微带过渡结构与第一输出端口馈线)之间，第二E型谐振器位于第二槽线-微带过渡结构与第二输出端口馈线之间；
在所述金属接地板上开有一条关于介质基板长边中线对称U型槽线。
本发明与现有技术相比，其显著优点为：
1、选择性好：带宽宽，利用E型谐振器的双模和槽线谐振器的寄生模式，提高了滤波器的带宽，适用于现代无线通信系统；
2、隔离度高：通过简单的引入隔离电阻网络就可使通带内的隔离度达到20dB。
附图说明
图1是本发明的微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和S31参数仿真图。
图5是实施例的S23参数仿真图。
图6是实施例的两个输出端口幅度差的仿真图。
图7是实施例的两个输出端口相位差的仿真图。
图中，介质基板1，金属接地板2，输入端口馈线3，
第一输出端口馈线41，第一输出端50欧姆微带线导带411，L形状的第一输出端耦合馈线412，
第二输出端口馈线42，第二输出端50欧姆微带线导带421，L形状的第二输出端耦合馈线422，
第一槽线-微带过渡结构51，第一四分之一波长高阻抗线谐振器511，第一四分之一波长低阻抗线谐振器512，
第二槽线-微带过渡结构52，第二四分之一波长高阻抗线谐振器521，第二四分之一波长低阻抗线谐振器522，
第一E型谐振器61，第一二分之一波长谐振器611，第一对称面枝节加载单元612，
第二E型谐振器62，第二二分之一波长谐振器621，第二对称面枝节加载单元622，
隔离电阻7，金属柱8，U型槽线9。
具体实施方式
如图1所示，本发明一种微带功分滤波器，包括贴覆于矩形介质基板1下表面的金属接地板2和贴覆于介质基板1上表面的输入端口馈线3、第一输出端口馈线41、第二输出端口馈线42、第一槽线-微带过渡结构51、第二槽线-微带过渡结构52、第一E型谐振器61、第二E型谐振器62和隔离电阻7；
所述输入端口馈线3置于介质基板1长边中线上，其输入端置于介质基板1一个长边的中点；
所述第一输出端口馈线41与第二输出端口馈线42、第一槽线-微带过渡结构51与第二槽线-微带过渡结构52、第一E型谐振器61与第二E型谐振器62均关于介质基板1长边中线对称布置；
所述第一槽线-微带过渡结构51与第二槽线-微带过渡结构52之间以隔离电阻7相连；
所述第一E型谐振器61位于第一槽线-微带过渡结构51与第一输出端口馈线41之间，第二E型谐振器62位于第二槽线-微带过渡结构52与第二输出端口馈线42之间；
在所述金属接地板2上开有一条关于介质基板1长边中线对称U型槽线9。
所述的输入端口馈线3为一50欧姆微带线导带，其输入端置于介质基板1一个长边的中点，其输出端沿介质基板1长边中线延伸入介质基板1上表面内，并通过一穿过介质基板1的金属柱8与金属接地板2相连。
如图2所示，
所述第一输出端口馈线41包括直线形状的第一输出端50欧姆微带线导带411和L形状的第一输出端耦合馈线412，所述第一输出端50欧姆微带线导带411的输出端置于介质基板1与输入端口馈线3相对的长边上，其输入端与第一输出端耦合馈线412的输出臂末端相连，所述第一输出端耦合馈线412的输入臂与第一E型谐振器61平行耦合；
所述第二输出端口馈线42包括直线形状的第二输出端50欧姆微带线导带421和L形状的第二输出端耦合馈线422，所述第二输出端50欧姆微带线导带421的输出端置于介质基板1与输入端口馈线3相对的长边上，其输入端与第二输出端耦合馈线422的输出臂末端相连，所述第二输出端耦合馈线422的输入臂与第二E型谐振器62平行耦合；
所述第一输出端50欧姆微带线导带411、第二输出端口馈线42及第一输出端耦合馈线412的输出臂、第二输出端耦合馈线422的输出臂均与介质基板1长边中线平行。
如图2所示，
所述第一槽线-微带过渡结构51包括直线形状的第一四分之一波长高阻抗线谐振器511和L形状的第一四分之一波长低阻抗线谐振器512，第一四分之一波长低阻抗线谐振器512的输出臂的末端与第一四分之一波长高阻抗线谐振器511的一端连接，且第一四分之一波长低阻抗线谐振器512的输出臂与第一四分之一波长高阻抗线谐振器511同轴，第一四分之一波长低阻抗线谐振器512的输入臂与介质基板1长边中线平行；
所述第二槽线-微带过渡结构52包括直线形状的第二四分之一波长高阻抗线谐振器521和L形状的第二四分之一波长低阻抗线谐振器522，第二四分之一波长低阻抗线谐振器522的输出臂的末端与第二四分之一波长高阻抗线谐振器521的一端连接，且第二四分之一波长低阻抗线谐振器522的输出臂与第二四分之一波长高阻抗线谐振器521同轴，第二四分之一波长低阻抗线谐振器522的输入臂与介质基板1长边中线平行；
所述第一四分之一波长低阻抗线谐振器512的输入端与第二四分之一波长低阻抗线谐振器522的输入端通过隔离电阻7相连。
如图2所示，
所述第一E型谐振器61包含第一二分之一波长谐振器611和加载于第一二分之一波长谐振器611中心的第一对称面枝节加载单元612，第一二分之一波长谐振器611的输入臂与第一四分之一波长高阻抗线谐振器511平行耦合，第一二分之一波长谐振器611的输出臂与第一输出端耦合馈线412的输入臂平行耦合；
所述第二E型谐振器62包含第二二分之一波长谐振器621和加载于第二二分之一波长谐振器621中心的第二对称面枝节加载单元622，第二二分之一波长谐振器621的输入臂与第二四分之一波长高阻抗线谐振器521平行耦合，第二二分之一波长谐振器621的输出臂与第二输出端耦合馈线422的输入臂平行耦合。
如图3所示，所述第一输出端口馈线41与第二输出端口馈线42形状、尺寸相同，第一槽线-微带过渡结构51与第二槽线-微带过渡结构52形状、尺寸相同，第一E型谐振器61与第二E型谐振器62形状、尺寸相同。
本发明的工作过程为：
如图2所示，所述的贴覆于介质基板1上表面的输入端口馈线3通过金属柱8激励起金属接地板2的能量并通过U型槽线9一分为二。实现功率平均分配两路信号功能。利用分布在U型槽线9两边反相的场分布信号，分别与L形状的第一四分之一波长低阻抗线谐振器512和L形状的第二四分之一波长低阻抗线谐振器522这两个过渡枝节耦合，同时激励起U型槽线9谐振器的寄生模；
所述的第一二分之一波长谐振器611通过与直线形状的第一四分之一波长高阻抗线谐振器511和L形状的第一输出端耦合馈线412之间强耦合，激励起所述第一E型双模谐振器61和U型槽线9的寄生模式，在端口1到2实现宽带带通响应。同样，所述的第二二分之一波长谐振器612通过与直线形状的第二四分之一波长高阻抗线谐振器512和L形状的第二输出端耦合馈线422之间强耦合，激励起所述第二E型双模谐振器62和U型槽线9的寄生模式，在端口1到3实现宽带带通响应。
通过简单地在L形状的第一四分之一波长低阻抗线谐振器512和L形状的第二四分之一波长低阻抗线谐振器522之间引入隔离电阻7，就能使通带内的隔离度达到20dB，使整个隔离网络简单稳定。
所分两路信号最后分别通过第一输出端口馈线41和第二输出端口馈线42耦合输出。
优选地，所述介质基板(1)的相对介电常数为3.55，厚度为0.508mm。
本发明基于分立元件隔离网络及多模谐振器、槽线—微带过渡结构所设计的宽带功分滤波器，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1
一种新型的微带功分滤波器的立体结构如图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101相对介电常数为3.55，厚度为0.508mm，损耗角正切为0.0035。结合图三，功分滤波器的各种尺寸如下：W1＝1.16mm，L1＝6mm,W2＝0.7mm，L2＝12mm，L3＝3.45mm，L4＝3mm，W3＝1mm，W4＝1.4mm，L5＝11.3mm，L6＝5mm，L7＝10.3mm，L8＝3mm，L9＝6mm，g＝0.1mm，SL＝26mm，SW＝0.3mm，隔离电阻为250欧姆。微带功分滤波器整体面积为38×22mm，对应的导波长尺寸为0.88λg×0.51λg，其中λg为通带中心频率对应的导波波长。
本实例的微带功分滤波器是在电磁仿真软件HFSS.13中建模仿真的。图4是本实例中微带功分滤波器的S参数仿真图，从图中可以看出，该具有陷波特性的超宽带滤波器的通带中心频率为3.62GHz，相对带宽为24.8％，通带内回波损耗低于15dB。通带内隔离低于20dB。通带外分别有两个传输零点使得该实例具有很好的选择性。
图6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0.01dB以内。
图7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度以内。
综上所述，本发明基于分立元件隔离网络及多模谐振器、槽线—微带过渡结构所设计的宽带功分滤波器，实现了选择性好、隔离度高的特点，该功分滤波器非常适用于现代无线通信系统。
Claims (7)
1.一种微带功分滤波器，其特征在于：
包括贴覆于矩形介质基板(1)下表面的金属接地板(2)和贴覆于介质基板(1)上表面的输入端口馈线(3)、第一输出端口馈线(41)、第二输出端口馈线(42)、第一槽线-微带过渡结构(51)、第二槽线-微带过渡结构(52)、第一E型谐振器(61)、第二E型谐振器(62)和隔离电阻(7)；
所述输入端口馈线(3)置于介质基板(1)长边中线上，其输入端置于介质基板(1)一个长边的中点；
所述第一输出端口馈线(41)与第二输出端口馈线(42)、第一槽线-微带过渡结构(51)与第二槽线-微带过渡结构(52)、第一E型谐振器(61)与第二E型谐振器(62)均关于介质基板(1)长边中线对称布置；
所述第一槽线-微带过渡结构(51)与第二槽线-微带过渡结构(52)之间以隔离电阻(7)相连；
所述第一E型谐振器(61)位于第一槽线-微带过渡结构(51)与第一输出端口馈线(41)之间，第二E型谐振器(62)位于第二槽线-微带过渡结构(52)与第二输出端口馈线(42)之间；
在所述金属接地板(2)上开有一条关于介质基板(1)长边中线对称U型槽线(9)。
2.根据权利要求1所述的微带功分滤波器，其特征在于：所述的输入端口馈线(3)为一50欧姆微带线导带，其输入端置于介质基板(1)一个长边的中点，其输出端沿介质基板(1)长边中线延伸入介质基板(1)上表面内，并通过一穿过介质基板(1)的金属柱(8)与金属接地板(2)相连。
3.根据权利要求2所述的微带功分滤波器，其特征在于：
所述第一输出端口馈线(41)包括直线形状的第一输出端50欧姆微带线导带(411)和L形状的第一输出端耦合馈线(412)，所述第一输出端50欧姆微带线导带(411)的输出端置于介质基板(1)与输入端口馈线(3)相对的长边上，其输入端与第一输出端耦合馈线(412)的输出臂末端相连，所述第一输出端耦合馈线(412)的输入臂与第一E型谐振器(61)平行耦合；
所述第二输出端口馈线(42)包括直线形状的第二输出端50欧姆微带线导带(421)和L形状的第二输出端耦合馈线(422)，所述第二输出端50欧姆微带线导带(421)的输出端置于介质基板(1)与输入端口馈线(3)相对的长边上，其输入端与第二输出端耦合馈线(422)的输出臂末端相连，所述第二输出端耦合馈线(422)的输入臂与第二E型谐振器(62)平行耦合；
所述第一输出端50欧姆微带线导带(411)、第二输出端口馈线(42)及第一输出端耦合馈线(412)的输出臂、第二输出端耦合馈线(422)的输出臂均与介质基板(1)长边中线平行。
4.根据权利要求3所述的微带功分滤波器，其特征在于：
所述第一槽线-微带过渡结构(51)包括直线形状的第一四分之一波长高阻抗线谐振器(511)和L形状的第一四分之一波长低阻抗线谐振器(512)，第一四分之一波长低阻抗线谐振器(512)的输出臂的末端与第一四分之一波长高阻抗线谐振器(511)的一端连接，且第一四分之一波长低阻抗线谐振器(512)的输出臂与第一四分之一波长高阻抗线谐振器(511)同轴，第一四分之一波长低阻抗线谐振器(512)的输入臂与介质基板(1)长边中线平行；
所述第二槽线-微带过渡结构(52)包括直线形状的第二四分之一波长高阻抗线谐振器(521)和L形状的第二四分之一波长低阻抗线谐振器(522)，第二四分之一波长低阻抗线谐振器(522)的输出臂的末端与第二四分之一波长高阻抗线谐振器(521)的一端连接，且第二四分之一波长低阻抗线谐振器(522)的输出臂与第二四分之一波长高阻抗线谐振器(521)同轴，第二四分之一波长低阻抗线谐振器(522)的输入臂与介质基板(1)长边中线平行；
所述第一四分之一波长低阻抗线谐振器(512)的输入端与第二四分之一波长低阻抗线谐振器(522)的输入端通过隔离电阻(7)相连。
5.根据权利要求4所述的微带功分滤波器，其特征在于：
所述第一E型谐振器(61)包含第一二分之一波长谐振器(611)和加载于第一二分之一波长谐振器(611)中心的第一对称面枝节加载单元(612)，第一二分之一波长谐振器(611)的输入臂与第一四分之一波长高阻抗线谐振器(511)平行耦合，第一二分之一波长谐振器(611)的输出臂与第一输出端耦合馈线(412)的输入臂平行耦合；
所述第二E型谐振器(62)包含第二二分之一波长谐振器(621)和加载于第二二分之一波长谐振器(621)中心的第二对称面枝节加载单元(622)，第二二分之一波长谐振器(621)的输入臂与第二四分之一波长高阻抗线谐振器(521)平行耦合，第二二分之一波长谐振器(621)的输出臂与第二输出端耦合馈线(422)的输入臂平行耦合。
6.根据权利要求5所述的微带功分滤波器，其特征在于：
所述第一输出端口馈线(41)与第二输出端口馈线(42)形状、尺寸相同，第一槽线-微带过渡结构(51)与第二槽线-微带过渡结构(52)形状、尺寸相同，第一E型谐振器(61)与第二E型谐振器(62)形状、尺寸相同。
7.根据权利要求1所述的微带功分滤波器，其特征在于：所述介质基板(1)的相对介电常数为3.55，厚度为0.508mm。
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