CN106935948A - 一种功分滤波器 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种功分滤波器，PCB板的电路层包括输入端口馈线和两组镜像电路，镜像电路以PCB板的中轴线为对称轴对称布置；输入端口馈线沿PCB板的中轴线布置，起始于PCB板的前端，延伸至PCB板的后部，后端与PCB板底层的金属接地板短接；镜像电路包括输出端口馈线、耦合微带线条带、四分之一波长开路线和二分之一波长开路线，耦合微带线条带靠近输入端口馈线的后段，并与输入端口馈线的后段平行布置；输出端口馈线、四分之一波长开路线和二分之一波长开路线分别连接耦合微带线条带的前端，第一隔离电阻和第二隔离电阻分别跨接于两条耦合微带线条带的前端及后端。本发明的功分滤波器结构紧凑、选择性高、插入损耗小、隔离度好，适用于现代无线通信系统。

Description

一种功分滤波器
[技术领域]
本发明涉及射频前端电路的微波无源器件，尤其涉及一种功分滤波器。
[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[Y.C.Li,Q.Xue and X.Y.Zhang,“Single-and Dual-Band Power DividersIntegrated With Bandpass Filters,”IEEE Trans.Microw.Theory Tech.,vol.61,no.1,pp.69-76,Jan.2013.]通过把威尔金森功分器的四分之一波长传输线替换成双通带滤波器，实现了一种带有增强滚降特性的双通带功分滤波器，但是，这种功分滤波器的两个通带带宽窄，隔离度不高。
文献2[Q.Li,Y.Zhang and Y.Fan,“Dual-band in-phase filtering powerdividers integrated with stub-loaded resonators,”IET Microw.Antennas Propag.,vol.9,no.7,pp.695-699,May 2015.]通过集成两个枝节加载型谐振器，设计了一种双通带功分滤波器，虽然结构紧凑，但是实现的仍然是两个窄带的通带。
文献3[S.S.Gao,S.Sun and S.Xiao,“A Novel Wideband Bandpass PowerDivider With Harmonic-Suppressed Ring Resonator,”IEEE Microw.WirelessCompon.Lett.,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]
本发明要解决的技术问题是提供一种结构紧凑、损耗低、选择性高、隔离度好的功分滤波器。
为了解决上述技术问题，本发明采用的技术方案是，一种功分滤波器，包括双面、矩形的PCB板和两个隔离电阻，PCB板包括顶面的电路层、介质基板和底面的金属接地板；电路层包括输入端口馈线和两组镜像电路，两组镜像电路以PCB板的中轴线为对称轴对称布置，所述的中轴线为PCB板的长轴；输入端口馈线沿PCB板的中轴线布置，起始于PCB板的前端，延伸至PCB板的后部，输入端口馈线的后端与金属接地板短接；镜像电路包括输出端口馈线、耦合微带线条带、四分之一波长开路线和二分之一波长开路线，耦合微带线条带靠近输入端口馈线的后段，并与输入端口馈线的后段平行布置；输出端口馈线、四分之一波长开路线和二分之一波长开路线分别连接耦合微带线条带的前端，第一隔离电阻跨接于两条耦合微带线条带的前端，第二隔离电阻跨接于两条耦合微带线条带的后端。
以上所述的功分滤波器，输入端口馈线包括由前向后串接的50欧姆微带线导带和终端短路主传输线，终端短路主传输线靠近与50欧姆微带线导带的前段包括S形等长直角弯折，后段为直线段；S形等长直角弯折由两个等边的门形的传输线串接而成；终端短路主传输线的后端通过金属化过孔与金属接地板短接。
以上所述的功分滤波器，输出端口馈线为50欧姆微带线导带，包括串接的两直线段，第一直线段起始于PCB板的长边，并与PCB板的长边正交；第二直线段的前端与第一直线段连接，后端与耦合微带线条带的前端连接；第二直线段与第一直线段的夹角为135°。
以上所述的功分滤波器，耦合微带线条带靠近终端短路主传输线的直线段，并与所述的直线段平行布置。
以上所述的功分滤波器，四分之一波长开路线布置在耦合微带线条带的外侧，包括串接的两段，四分之一波长开路线第一段的前端与耦合微带线条带连接，交角为45°；四分之一波长开路线第二段的前端与四分之一波长开路线第一段的后端连接，交角为135°。
以上所述的功分滤波器，二分之一波长开路线布置在四分之一波长开路线的外侧，包括串接的两段；二分之一波长开路线第一段与PCB板的中轴线正交，内侧与耦合微带线条带的前端连接；二分之一波长开路线第二段的后端与第一段的外端连接，二分之一波长开路线的第二段靠近PCB板的长边，并与PCB板的长边平行。
以上所述的功分滤波器，介质基板相对介电常数为3.5-3.6，厚度为0.50-0.52mm，损耗角正切为0.0027。
本发明的功分滤波器结构紧凑、选择性高、插入损耗小、隔离度好，适用于现代无线通信系统。
[附图说明]
下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。
图1是本发明实施例功分滤波器的立体结构示意图。
图2是本发明实施例功分滤波器的俯视图。
图3是本发明实施例功分滤波器的尺寸图。
图4是本发明实施例功分滤波器的S参数仿真图。
图5本发明实施例功分滤波器的两个输出端口的匹配特性和隔离特性S参数仿真图。
图中，1-输入端口馈线，2-第一输出端口馈线，3-第二输出端口馈线，4-第一耦合微带线条带，5-第二耦合微带线条带，6-第一四分之一波长开路线，7-第二四分之一波长开路线，8-第一二分之一波长开路线，9-第二二分之一波长开路线，10-金属通孔，11-第一隔离电阻，12-第二隔离电阻；
101-50欧姆微带线导带，102-终端短路主传输线(阻抗匹配线)。
[具体实施方式]
本发明实施例功分滤波器的结构和尺寸如图1至图3所示，包括双面、矩形的PCB板和两个隔离电阻。
PCB板包括顶面的电路层、介质基板13和底面的金属接地板14。
电路层包括输入端口馈线1和左右两组镜像电路，左右两组镜像电路以PCB板的中轴线为对称轴对称布置，PCB板的中轴线为PCB板的长轴。
输入端口馈线1沿PCB板的中轴线布置，起始于PCB板的前端，延伸至PCB板的后部，输入端口馈线1的后端与金属接地板14短接。
输入端口馈线1包括由前向后串接的50欧姆微带线导带101和终端短路主传输线102，终端短路主传输线102在靠近与50欧姆微带线导带101的前段有一个S形等长直角弯折，后段为直线段。S形等长直角弯折由两个等边的门形的传输线串接而成。终端短路主传输线102的后端通过金属化过孔10与金属接地板14短接。
左右镜像电路各包括输出端口馈线(第一输出端口馈线2、第二输出端口馈线3)、耦合微带线条带(第一耦合微带线条带4、第二耦合微带线条带5)、四分之一波长开路线(第一四分之一波长开路线6、第二四分之一波长开路线7)和二分之一波长开路线(第一二分之一波长开路线8、第二二分之一波长开路线9)。
第一耦合微带线条带4和第二耦合微带线条带5分别布置在输入端口馈线1终端短路主传输线102后部直线段的两侧，且靠近输入端口馈线1终端短路主传输线102后部的直线段，与终端短路主传输线102后面的直线段平行。
第一输出端口馈线2、第一四分之一波长开路线6和第一二分之一波长开路线8分别连接第一耦合微带线条带4的前端。
第二输出端口馈线3、第二四分之一波长开路线7和第二二分之一波长开路线9分别连接第二耦合微带线条带5的前端。
第一隔离电阻11跨接于两条耦合微带线条带4和5的前端，第二隔离电阻12跨接于两条耦合微带线条带4和5的后端。
输出端口馈线2为50欧姆微带线导带，包括串接的两直线段，第一直线段起始于PCB板的长边，并与PCB板的长边正交。第二直线段的前端与第一直线段连接，后端与耦合微带线条带4的前端连接。第二直线段与第一直线段的夹角为135°。
同样，输出端口馈线3为50欧姆微带线导带，包括串接的两直线段，第一直线段起始于PCB板的长边，并与PCB板的长边正交。第二直线段的前端与第一直线段连接，后端与耦合微带线条带5的前端连接。第二直线段与第一直线段的夹角为135°。
第一四分之一波长开路线6布置在第一耦合微带线条带4的外侧，包括串接的两段，第一段的前端与第一耦合微带线条带4的前端连接，交角为45°。第二段的前端与第一段的后端连接，交角为135°。
与此对称地，第二四分之一波长开路线7布置在第二耦合微带线条带5的外侧，包括串接的两段，第一段的前端与第一耦合微带线条带5的前端连接，交角为45°。第二段的前端与第一段的后端连接，交角为135°。
第一二分之一波长开路线8布置在第一四分之一波长开路线6的外侧，包括串接的两段。第一二分之一波长开路线8的第一段与PCB板的中轴线垂直，内侧与第一耦合微带线条带4的前端连接。第一二分之一波长开路线8第二段的后端与第一段的外端连接，第一二分之一波长开路线8的第二段靠近PCB板的长边，并与PCB板的长边平行。
与此对称的是，第二二分之一波长开路线9布置在第二四分之一波长开路线7的外侧，包括串接的两段。第二二分之一波长开路线9的第一段与PCB板的中轴线垂直，内侧与第二耦合微带线条带5的前端连接。第二二分之一波长开路线9第二段的后端与第一段的外端连接，第二二分之一波长开路线9的第二段靠近另一侧PCB板的长边，并与PCB板的长边平行。
本发明的功分滤波器中，耦合微带线条带4、5的长度决定了通带的位置，宽度、与输入端口馈线的距离以及主传输线的宽度决定了耦合强度；四分之一波长开路线6、7的长度决定了两个通带之间零点的位置，长度越长零点频率越低，宽度影响两通带内的端口匹配特性；二分之一波长开路线8、9的长度决定了两个通带带外两个零点的位置，长度越长零点频率越低，宽度影响两通带内的端口匹配特性；隔离电阻11、12影响输出端口之间的隔离和端口匹配特性，调节隔离电阻阻值的大小，可获得最佳隔离度和端口匹配。
本发明实施例功分滤波器的有关尺寸规格如图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，W1＝0.4mm，W2＝0.1mm，W3＝0.1mm,W4＝1.6mm,L1＝2.4mm，L2＝3mm，L3＝4.2mm，L4＝3.9mm，L5＝14mm，L6＝7.89mm，L7＝8.7mm，L8＝10.5mm,L9＝18.4mm,Lp1＝6mm，Lp2＝7mm，Lp3＝8.3mm，g＝0.1mm,R1＝600Ω,R2＝520Ω。功分滤波器不包括50欧姆微带线导带的总面积为33.45×25mm2，对应的导波长尺寸为0.54λg×0.4λg，其中λg为虚拟宽带的中心频率对应的导波波长。
本发明实施例功分滤波器是在电磁仿真软件ANSYS EM 16.1(HFSS 16.1)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，该功分滤波器虚拟宽带中心频率为3GHz，两通带的中心频率分别为2.33GHz和3.63GHz，相对带宽分别为33.5％和21.2％，通带内回波损耗均低于18.5dB，最小插入损耗分别为0.20dB和0.34dB。通带外有三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。
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，该实例功分滤波器两通带内的输出端口回波损耗均低于15dB，端口间隔离度均好于18.2dB。
综上，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，利用四分之一波长终端短路的三线耦合结构，结合枝节加载，和阻抗匹配原理，实现了功率分配和频率选择功能的集成，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。由于本发明的双功分滤波器选择性高、插入损耗小、隔离度好，适用于现代无线通信系统。

Claims (7)

1.一种功分滤波器，包括双面、矩形的PCB板，PCB板包括顶面的电路层、介质基板和底面的金属接地板，其特征在于，包括两个隔离电阻，电路层包括输入端口馈线和两组镜像电路，两组镜像电路以PCB板的中轴线为对称轴对称布置，所述的中轴线为PCB板的长轴；输入端口馈线沿PCB板的中轴线布置，起始于PCB板的前端，延伸至PCB板的后部，输入端口馈线的后端与金属接地板短接；镜像电路包括输出端口馈线、耦合微带线条带、四分之一波长开路线和二分之一波长开路线，耦合微带线条带靠近输入端口馈线的后段，并与输入端口馈线的后段平行布置；输出端口馈线、四分之一波长开路线和二分之一波长开路线分别连接耦合微带线条带的前端，第一隔离电阻跨接于两条耦合微带线条带的前端，第二隔离电阻跨接于两条耦合微带线条带的后端。
2.根据权利要求1所述的功分滤波器，其特征在于，输入端口馈线包括由前向后串接的50欧姆微带线导带和终端短路主传输线，终端短路主传输线靠近与50欧姆微带线导带的前段包括S形等长直角弯折，后段为直线段；S形等长直角弯折由两个等边的门形的传输线串接而成；终端短路主传输线的后端通过金属化过孔与金属接地板短接。
3.根据权利要求1所述的功分滤波器，其特征在于，输出端口馈线为50欧姆微带线导带，包括串接的两直线段，第一直线段起始于PCB板的长边，并与PCB板的长边正交；第二直线段的前端与第一直线段连接，后端与耦合微带线条带的前端连接；第二直线段与第一直线段的夹角为135°。
4.根据权利要求2所述的功分滤波器，其特征在于，耦合微带线条带靠近终端短路主传输线的直线段，并与所述的直线段平行布置。
5.根据权利要求1所述的功分滤波器，其特征在于，四分之一波长开路线布置在耦合微带线条带的外侧，包括串接的两段，四分之一波长开路线第一段的前端与耦合微带线条带连接，交角为45°；四分之一波长开路线第二段的前端与四分之一波长开路线第一段的后端连接，交角为135°。
6.根据权利要求1所述的功分滤波器，其特征在于，二分之一波长开路线布置在四分之一波长开路线的外侧，包括串接的两段；二分之一波长开路线第一段与PCB板的中轴线正交，内侧与耦合微带线条带的前端连接；二分之一波长开路线第二段的后端与第一段的外端连接，二分之一波长开路线的第二段靠近PCB板的长边，并与PCB板的长边平行。
7.根据权利要求1所述的功分滤波器，其特征在于，介质基板相对介电常数为3.5-3.6，厚度为0.50-0.52mm，损耗角正切为0.0027。
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