CN106711556B - 一种小型化微带四工器 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种小型化微带四工器，包括输入端口，第一、二、三、四输出端口，十字形谐振器，第一、二、三、四、五阶梯阻抗谐振器，具有二分之一波长的第一、二开口谐振环，具有四分之一波长的第一短路谐振器，具有二分之一波长的第一开路谐振器；十字形谐振器在三个不同的频率产生谐振，三个频率对应三个通道，分别为第一、二、四通道，三个通道共用同一个输入端口和十字形谐振器，在输入端口的馈线处使用分布式耦合独立引入第三通道。本发明能够实现很好的滤波特性和小型化特性。
Description
技术领域
本发明涉及高频器件的技术领域，尤其是指一种小型化微带四工器。
背景技术
由于近年来无线通信的高速发展，无论是4G技术的普及、物联网的火热还是5G的到来，都标志着无线技术又将迎来一个蓬勃发展的高峰期。如今的无线通信系统，基本都是多工的系统，对于时分双工，只要将收与发安排在不同的时间片就可以解决问题了，而对于频分多工，为了减少天线的数量从而节省成本则需要设计专门的器件来使不同频率的电磁波共用一副天线而不互相引起干扰，这样的器件就是多工器。而随着通信技术的发展，无线通信对于多工器的性能要求也越来越高，小型化、宽阻带、高隔离、低成本、易设计，都成为评价一个多工器性能的标准之一。
多工器，一般都是由一个匹配网络再加上若干个带通滤波器构成。带通滤波器实现频率选择而匹配网络则实现各个通道与端口的匹配以及通道之间的隔离。以一个四工器为例，如果该四工器每个通道都是三阶的切比雪夫带通响应，则一般需要一个匹配网络加上12个谐振器，这样将使多工器的尺寸较大并且增加了生产成本。而通过使三个带通滤波器公用一个三模谐振器，将可以减少两个谐振器，并且共用谐振器还能够实现匹配网络的功能，这样四工器的尺寸将能够大大的减小，应用面也将更广。
对现有技术进行调查了解，具体如下：
2013年，Shi-Shan Luo,Ko-Wen Hsu,and Wen-Hua Tu等人在"Asia-PacificMicrowave Conference Proceeding"上发表题为"ComPact and High-IsolationMicrostriP QuadruPlexer"的文章，文中采用多模谐振器和阶梯阻抗谐振器，采用分布式耦合，形成一个四工器，该四工器结构紧凑但是该四工器中滤波器仅为二阶，带宽很窄并且隔离度和阻带特性都未给出。
2013年，Wei-Chung Hung,Ko-Wen Hsu,and Wen-Hua Tu等人在"2013IEEE MTT-SInternational Microwave SymPosium Digest"上发表题为"Wide-StoPband MicrostriPQuadruPlexer Using Asymmetric StePPed-ImPedance Resonators"的文章，采用阶梯阻抗谐振器和分布式的公共馈线，形成一个四工器，该结构具有宽阻带的特性但是尺寸较大，有0.18λ2。
总的来说，目前由带通滤波器组合而成的多工器设计已比较成熟，随着现代便携式无线电子产品的发展，小型化、成本低、高频化成为了双工器研究的标向，而微带多工器正好能满足这些要求。在小型化方面，各国的科研工作者都做过不少工作，其中一种方法就是采用共用谐振器。但是其中绝大部分研究都是基于双工器而做的，多工器方面的少之又少，阻带特性好结构简单紧凑的更少。
发明内容
本发明的目的在于克服现有技术的不足与缺点，提出了一种小型化微带四工器，能够实现良好的滤波特性和阻带特性，并且结构紧凑，具有设计灵活、体积小、成本低、宽阻带等优点。
为实现上述目的，本发明所提供的技术方案为：一种小型化微带四工器，包括输入端口、第一输出端口、第二输出端口、第三输出端口、第四输出端口、十字形谐振器、第一阶梯阻抗谐振器、第二阶梯阻抗谐振器、第三阶梯阻抗谐振器、第四阶梯阻抗谐振器、第五阶梯阻抗谐振器，具有二分之一波长的第一、第二开口谐振环，具有四分之一波长的第一短路谐振器，具有二分之一波长的第一开路谐振器；所述十字形谐振器能够在三个不同的频率产生谐振，三个频率对应三个通道，分别为第一通道、第二通道、第四通道，三个通道共用同一个输入端口和十字形谐振器，三个通道的中心频率能够通过调整十字形谐振器的短路截线和开路截线的长度来调节，并且通过在输入端口的馈线处使用分布式耦合独立引入第三通道；所述第一通道由顺序依次耦合的输入端口、十字形谐振器、第一短路谐振器、第一开路谐振器、第一输出端口构成，其中，所述第一短路谐振器与十字形谐振器的短路截线相耦合；所述第二通道由顺序依次耦合的输入端口、十字形谐振器、第一阶梯阻抗谐振器、第二阶梯阻抗谐振器、第二输出端口构成，所述第三通道由顺序依次耦合的输入端口、第三阶梯阻抗谐振器、第四阶梯阻抗谐振器、第五阶梯阻抗谐振器、第三输出端口构成，所述第四通道由顺序依次耦合的输入端口、十字形谐振器、第一开口谐振环、第二开口谐振环、第四输出端口构成。
所述十字形谐振器、第一短路谐振器、第一开路谐振器，第一、二、三、四、五阶梯阻抗谐振器均采用折弯结构来减小尺寸。
所述十字形谐振器、第一短路谐振器上均开设有接地通孔，为短路端。
所述第一短路谐振器、第一开路谐振器工作在2.4GHz处，所述第一、第二阶梯阻抗谐振器基模为3.5GHz，所述第三、第四、第五阶梯阻抗谐振器基模为在4.2GHz，第一、第二开口谐振环工作在5.2GHz处，每个通道均为三阶切比雪夫响应。
所述第二输出端口、第三输出端口采用抽头耦合结构。
所述输入端口、第一输出端口、第二输出端口、第三输出端口、第四输出端口均为50欧姆的阻抗匹配。
本发明与现有技术相比，具有如下优点与有益效果：
1、通过引入共用谐振器，在实现良好的滤波性能的同时减少了谐振器的数量并且避免了匹配网络的设计，有效的减小了尺寸和缩短了设计周期，使该结构更易于应用。
2、通过十字形谐振器和多种类型谐振器的混合使用，在保证它们基模谐振频率相同的情况下，使它们的高次模错开，从而能够实现一个较好的阻带特性，这在实际应用中将很好的实现对高频噪声的抑制。
3、本发明的小型化微带四工器具有较低插入损耗，带外选择性良好，滤波特性好的特点。
4、由于本发明的小型化微带四工器为微带结构，重量轻、成本低、适合工业批量生产。
附图说明
图1为本发明的小型化微带四工器的结构示意图。
图2为本发明的小型化微带四工器的散射参数仿真结果。
图3为本发明的小型化微带四工器的隔离带的参数仿真结果。
图4为本发明的小型化微带四工器的阻带特性仿真结果。
具体实施方式
下面结合具体实施例对本发明做进一步的说明。
本实施例所提供的小型化微带四工器主要基于十字形谐振器，使十字形谐振器分别在三个不同的频率谐振，使其被三个通带所共用，剩下的一个可以通带独立设计。每个通带的其他谐振器可以自行选择和设计。
参见图1所示，本实施例的小型化微带四工器以印刷电路板的方式制作在双面覆铜微带板上，微带板的另外一面是覆铜接地板。本实施例的小型化微带四工器包括输入端口PORT1、第一输出端口PORT2、第二输出端口PORT3、第三输出端口PORT4、第四输出端口PORT5、十字形谐振器1，第一阶梯阻抗谐振器2，第二阶梯阻抗谐振器3，第三阶梯阻抗谐振器7，第四阶梯阻抗谐振器8，第五阶梯阻抗谐振器9，具有二分之一波长的第一开口谐振环10、第二开口谐振环11，具有四分之一波长的第一短路谐振器4,具有二分之一波长的第一开路谐振器5；十字形谐振器1能够在三个不同的频率产生谐振，三个频率对应三个通道，分别为第一通道、第二通道、第四通道，三个通道共用同一个输入端口PORT1和十字形谐振器1，三个通道的中心频率可以通过调整十字形谐振器1的短路截线14和开路截线13的长度来调节，并且通过在输入端口PORT1的馈线处采用分布式耦合引入第三通道；第一通道由顺序依次耦合的输入端口PORT1、十字形谐振器1、第一短路谐振器4、第一开路谐振器5、端口馈线6、第一输出端口PORT2构成，其中，所述第一短路谐振器4与十字形谐振器1的短路截线14相耦合；第二通道由顺序依次耦合的输入端口PORT1、十字形谐振器1、第一阶梯阻抗谐振器2、第二阶梯阻抗谐振器3、第二输出端口PORT3构成，第三通道由输入端口PORT1、十字形谐振器1、第三阶梯阻抗谐振器7、第四阶梯阻抗谐振器8、第五阶梯阻抗谐振器9、第三输出端口PORT4构成，第四通道由输入端口PORT1、十字形谐振器1、具有二分之一波长的第一开口谐振环10、第二开口谐振环11、输出馈线12、第四输出端口PORT5构成。其中，第一短路谐振器4、第一开路谐振器5工作在2.4GHz处；第一阶梯阻抗谐振器2、第二阶梯阻抗谐振器3工作在3.5GHz处；第三阶梯阻抗谐振器7、第四阶梯阻抗谐振器8、第五阶梯阻抗谐振器9工作在4.2GHz处；具有二分之一波长的第一开口谐振环10、第二开口谐振环11工作在5.2GHz处；每个通道均为通带波纹为0.4321的三阶切比雪夫响应。设计中为了使结构更加紧凑，分别对十字形谐振器1、第一阶梯阻抗谐振器2、第二阶梯阻抗谐振器3、第三阶梯阻抗谐振器7、第四阶梯阻抗谐振器8、第五阶梯阻抗谐振器9、第一短路谐振器4、第一开路谐振器5进行了适当的弯折。第三通道为了提高通带矩形度，采用了CT结构，通过采用交叉耦合引入了传输零点。五个端口PORT1、PORT2、PORT3、PORT4、PORT5均为50欧姆的阻抗匹配，为便于SMA头的焊接，端口预留了足够长度的馈线，图中6、12、15为端口馈线，第二输出端口PORT3、第三输出端口PORT4、第四输出端口PORT5采用抽头耦合结构来获得合适端耦合。via是接地通孔，需要用焊锡与覆铜接地板连接上，为短路端。经测量该四工器尺寸为0.4λ×0.22λ，总大小为0.088λ2，其中λ为第一个通道中心频率出所对应的波长。
参见图2所示，显示了本实施例上述微带四工器的散射参数仿真结果，其中心频率分别为2.4Ghz，3.5GHz，4.2GHz，5.2GHZ。横轴表示小型化微带四工器的信号频率，纵轴表示幅度，包括插入损耗(S21、S31、S41、S51)的幅度以及回波损耗S11的幅度，其中S11表示PORT1的回波损耗，S21、S31、S41、S51分别表示PORT2、PORT3和PORT4、PORT5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|。在本实施例中，回波损耗可以达到20dB以上，第一通道的中心频率为2.4GHz，相对带宽为5.4％，插入损耗为2.38dB，第二通道的中心频率为3.5GHz，相对带宽为12.6％，插入损耗为0.86dB，第三通道的中心频率为4.2GHz，相对带宽为5.5％，插入损耗为1.6dB,第四通道的中心频率为5.2GHz，相对带宽为4.4％，插入损耗为2dB。
参见图3所示，显示了本实施例上述小型化微带四工器的隔离带的部分参数仿真结果，在1～6GHz的范围内，S32达的绝对值到了40dB以上，S43的绝对值达到60dB以上，S52的绝对值达到40dB以上，S53的绝对值达到40dB以上。
参见图4所示，显示了本实施例上述小型化微带四工器的阻带特性，从图中可以看到其20dB阻带可以达到基频的3倍以上，并且通过进一步的优化谐振器结构仍然有进一步的提高空间。
以上所述实施例只为本发明之较佳实施例，并非以此限制本发明的实施范围，故凡依本发明之形状、原理所作的变化，均应涵盖在本发明的保护范围内。
Claims (6)
1.一种小型化微带四工器，其特征在于：包括输入端口、第一输出端口、第二输出端口、第三输出端口、第四输出端口、十字形谐振器、第一阶梯阻抗谐振器、第二阶梯阻抗谐振器、第三阶梯阻抗谐振器、第四阶梯阻抗谐振器、第五阶梯阻抗谐振器，具有二分之一波长的第一、第二开口谐振环，具有四分之一波长的第一短路谐振器，具有二分之一波长的第一开路谐振器；所述十字形谐振器能够在三个不同的频率产生谐振，三个频率对应三个通道，分别为第一通道、第二通道、第四通道，三个通道共用同一个输入端口和十字形谐振器，三个通道的中心频率能够通过调整十字形谐振器的短路截线和开路截线的长度来调节，并且通过在输入端口的馈线处使用分布式耦合独立引入第三通道；所述第一通道由顺序依次耦合的输入端口、十字形谐振器、第一短路谐振器、第一开路谐振器、第一输出端口构成，其中，所述第一短路谐振器与十字形谐振器的短路截线相耦合；所述第二通道由顺序依次耦合的输入端口、十字形谐振器、第一阶梯阻抗谐振器、第二阶梯阻抗谐振器、第二输出端口构成，所述第三通道由顺序依次耦合的输入端口、第三阶梯阻抗谐振器、第四阶梯阻抗谐振器、第五阶梯阻抗谐振器、第三输出端口构成，所述第四通道由顺序依次耦合的输入端口、十字形谐振器、第一开口谐振环、第二开口谐振环、第四输出端口构成。
2.根据权利要求1所述的一种小型化微带四工器，其特征在于：所述十字形谐振器、第一短路谐振器、第一开路谐振器，第一、二、三、四、五阶梯阻抗谐振器均采用折弯结构来减小尺寸。
3.根据权利要求1所述的一种小型化微带四工器，其特征在于：所述十字形谐振器、第一短路谐振器上均开设有接地通孔，为短路端。
4.根据权利要求1所述的一种小型化微带四工器，其特征在于：所述第一短路谐振器、第一开路谐振器工作在2.4GHz处，所述第一、第二阶梯阻抗谐振器基模为3.5GHz，所述第三、第四、第五阶梯阻抗谐振器基模为在4.2GHz，第一、第二开口谐振环工作在5.2GHz处，每个通道均为三阶切比雪夫响应。
5.根据权利要求1所述的一种小型化微带四工器，其特征在于：所述第二输出端口、第三输出端口采用抽头耦合结构。
6.根据权利要求1所述的一种小型化微带四工器，其特征在于：所述输入端口、第一输出端口、第二输出端口、第三输出端口、第四输出端口均为50欧姆的阻抗匹配。
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Granted publication date: 20200922 |
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