CN106972228B - 一种基于槽线形式的高选择性巴伦滤波器 - Google Patents
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Abstract
一种基于槽线的高选择性巴伦滤波器，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型谐振器和第一终端开路微带均匀加载谐振器、第二终端开路微带均匀加载谐振器，本发明基于槽线—微带过渡结构及中心枝节加载的双模谐振器所设计的巴伦滤波器，具有原理简单、频率选择特性好、矩形系数高、工作频带宽的优点，适用于现代无线通信系统。
Description
[技术领域]
本发明涉及微波无源器件技术领域，具体是一种基于槽线形式的高选择性巴伦滤波器，该巴伦滤波器具有原理简单、结构新颖、带内信号平衡特性好以及带外选择性高等优点。
[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)的快速发展，低成本、高度集成、小型化是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。为实现这些设计目标，具有多功能集成特性的新型无源微波器件正成为当前国内外的研究热点，其中一个非常热门的课题就是高性能巴伦滤波器的设计。
巴伦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滤波器和巴伦的有效结合，也就是说巴伦滤波器兼备了滤波器的频率选择特性以及巴伦的由非平衡输入信号到平衡输出信号的转换功能。因此，高性能的巴伦滤波器不仅能够有效减小电路的尺寸，而且能够简化电路设计的复杂度，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。
2007年，Lap Kun Yeung和Ke-Li Wu在IEEE Transaction.Microwave TheoryTechnique期刊(vol.55,no.11,pp.2406-2411,2007)上发表“A Dual-Band Coupled-LineBalun Filter”，提出在Marchand巴伦的理论基础上结合阶梯阻抗谐振器的谐振特性来实现巴伦滤波器的设计方法。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，使得所设计的巴伦滤波器的带宽较窄。此外，由于该电路涉及到三线耦合，使得必须采用锯齿形的耦合形式来增强阶梯阻抗谐振器和主传输线间的耦合强度，因此该巴伦滤波器的结构较复杂，电路尺寸也较大。
2016年，Jin-Xu Xu和Xiu Yin Zhang在IEEE Microw Wireless Compon.Lett期刊(vol.26,no.7,pp.493-495,Jul,2016)上发表“Compact LTCC Balun With BandpassResponse Based on Marchand Balun”，提出利用LTCC技术来设计新型巴伦滤波器。虽然这种设计方法能够实现结构紧凑，但是结构设计非常复杂，制作成本高。
基于上述背景，我们结合槽线多模谐振器的谐振机理和枝节加载的双模谐振器实现了一种结构简单、损耗低、选择性好、具有较好的端口匹配特性的双模巴伦带通滤波器，该巴伦滤波器非常适用于现代无线通信系统。
[发明内容]
本发明的目的在于利用微带线—槽线过渡结构和中心枝节加载的双模谐振器以及两端开路的微带均匀谐振器设计一种结构简单、选择性高、工作频带较宽的巴伦滤波器。
实现本发明的技术解决方案为：一种基于槽线的高选择性巴伦滤波器，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E型谐振器、第二E型谐振器、第一槽线-微带过渡结构、第二槽线-微带过渡结构、第一终端开路微带均匀加载谐振器、第二终端开路微带均匀加载谐振器和金属孔；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；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的直线型槽线；所述第一输出端口馈线与第二输出端口馈线、第一E型谐振器、第二E型谐振器、第一槽线-微带过渡结构、第二槽线-微带过渡结构、第一终端开路微带均匀加载谐振器、第二终端开路微带均匀加载谐振器均关于介质基板中心成中心对称布置。
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；所述的输入端口馈线为一50欧姆微带线导带，其输入端置于介质基板一个长边的中点，其输出端沿介质基板长边中线延伸入介质基板上表面内，并通过一穿过介质基板的金属孔与金属接地板相连。
所述第一输出端口馈线包括直线形状的第一输出端50欧姆微带线导带和L形状的第一输出端耦合馈线，所述第一输出端50欧姆微带线导带的输出端置于介质基板与输入端口馈线相对的长边上，其输入端与第一输出端耦合馈线的输入臂末端相连，所述第一输出端耦合馈线的输入臂与第一E型谐振器平行耦合；所述第二输出端口馈线括直线形状的第二输出端50欧姆微带线导带和L形状的第二输出端耦合馈线，所述第二输出端50欧姆微带线导带的输出端置于介质基板与输入端口馈线相平行的短边上，其输入端与第二输出端耦合馈线的输入臂末端相连，所述第二输出端耦合馈线的输入臂与第二E型谐振器平行耦合；所述第一输出端50欧姆微带线导带、第二输出端50欧姆微带线导带均与介质基板长边平行。第一输出端耦合馈线的输入臂、第二输出端耦合馈线的输入臂均与介质基板长边垂直。
所述的第一终端开路微带均匀加载谐振器包括直线形状的二分之一波长微带谐振器、第二终端开路微带均匀加载谐振器包括直线形状的二分之一波长微带谐振器，且均与介质基板长边垂直；两个终端开路微带均匀加载谐振器分别位于输入端口馈线的两边；所述第一槽线-微带过渡结构包括直线形状的第一四分之一波长高阻抗线谐振器和第一四分之一波长低阻抗线谐振器，第一四分之一波长低阻抗线谐振器的输出臂的末端与第一四分之一波长高阻抗线谐振器的一端连接，且第一槽线-微带过渡结构与介质基板长边垂直；所述第二槽线-微带过渡结构包括直线形状的第二四分之一波长高阻抗线谐振器和第二四分之一波长低阻抗线谐振器，第二四分之一波长低阻抗线谐振器的输出臂的末端与第二四分之一波长高阻抗线谐振器的一端连接，且第二槽线-微带过渡结构与介质基板长边垂直；所述第一槽线-微带过渡结构与第二槽线-微带过渡结构关于介质基板中心成中心对称放置。
所述第一E型谐振器包含第一二分之一波长谐振器和加载于第一二分之一波长谐振器中心的第一对称面枝节加载单元，第一二分之一波长谐振器的输入臂与第一四分之一波长高阻抗线谐振器平行耦合，第一二分之一波长谐振器的输出臂与第一输出端耦合馈线的输入臂平行耦合；所述第二E型谐振器包含第二二分之一波长谐振器和加载于第二二分之一波长谐振器中心的第二对称面枝节加载单元，第二二分之一波长谐振器的输入臂与第二四分之一波长高阻抗线谐振器平行耦合，第二二分之一波长谐振器的输出臂与第一输出端耦合馈线的输入臂平行耦合。
所述第一输出端口馈线与第二输出端口馈线形状、尺寸相同，第一槽线-微带过渡结构与第二槽线-微带过渡结构形状、尺寸相同，第一E型谐振器与第二E型谐振器形状、尺寸相同。第一终端开路微带均匀加载谐振器，第二终端开路微带均匀加载谐振器形状、尺寸相同。
所述介质基板的相对介电常数为3.55，厚度为0.508mm。
本发明与现有技术相比，其显著优点为：
1、选择性好：利用微带到槽线的过渡结构与输出端口馈线之间通过槽线的耦合，在设计上形成多路径交叉耦合形式，从而在通带的带外低端引入零点，提高该巴伦滤波器的矩形系数；此外，通过在槽线上表面引入终端开路的微带均匀加载谐振器，在带外二次谐波处产生零点，提高该巴伦滤波器的带外抑制，所以该巴伦滤波器选择性好。
2、带宽较宽：综合利用E型谐振器的双谐振模式和槽线谐振器的自谐振模式，在通带内形成了三种谐振模式，有效提高了滤波器的带宽，适用于现代无线通信系统；
[附图说明]
图1是本发明的基于槽线的高选择性巴伦滤波器立体结构示意图。
图2是图1的上俯视图。
图3是图1的下仰视图。
图4是图1的整个俯视图
图5是实施例的结构尺寸示意图。
图6是实施例的S11、S21和S31参数仿真图。
图7是实施例的两个输出端口幅度差的仿真图。
图8是实施例的两个输出端口相位差的仿真图。
图中，介质基板8，金属接地板9，输入端口馈线1，
第一输出端口馈线2，第一输出端50欧姆微带线导带21，L形状的第一输出端耦合馈线22，
第二输出端口馈线3，第二输出端50欧姆微带线导带31，L形状的第二输出端耦合馈线32，
第一E型谐振器51，第一二分之一波长谐振器511，第一对称面枝节加载单元512，
第二E型谐振器52，第二二分之一波长谐振器521，第二对称面枝节加载单元522，
第一槽线-微带过渡结构61，第一四分之一波长高阻抗线谐振器611，第一四分之一波长低阻抗线谐振器612，
第二槽线-微带过渡结构62，第二四分之一波长高阻抗线谐振器621，第二四分之一波长低阻抗线谐振器622，
第一终端开路微带均匀加载谐振器71和第二终端开路微带均匀加载谐振器72。
金属柱10，直线型槽线4。
[具体实施方式]
为了使本发明实现的技术手段清晰明了，下面进一步阐述本发明。
如图1-3所示，本发明一种基于槽线高选择性的巴伦滤波器，包括贴覆于矩形介质基板8下表面的金属接地板9和贴覆于介质基板8上表面的输入端口馈线1、第一输出端口馈线2、第二输出端口馈线3、第一E型谐振器51、第二E型谐振器52、第一槽线-微带过渡结构61、第二槽线-微带过渡结构62、第一终端开路微带均匀加载谐振器71、第二终端开路微带均匀加载谐振器72和金属孔10；
所述输入端口馈线1置于介质基板8长边中线上，其输入端置于介质基板8一个长边的中点；
所述第一输出端口馈线2与第二输出端口馈线3、第一E型谐振器51、第二E型谐振器52、第一槽线-微带过渡结构61、第二槽线-微带过渡结构62、第一终端开路微带均匀加载谐振器71、第二终端开路微带均匀加载谐振器72均关于介质基板8中心成中心对称布置；
所述第一E型谐振器51位于第一槽线-微带过渡结构61与第一输出端口馈线2之间，第二E型谐振器52位于第二槽线-微带过渡结构62与第二输出端口馈线3之间；
在所述金属接地板9上开有一条关于介质基板8长边中线对称的直线型槽线4。
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8一个长边的中点，其输出端沿介质基板8长边中线延伸入介质基板8上表面内，并通过一穿过介质基板8的金属柱10与金属接地板2相连。
如图4所示，
所述第一输出端口馈线2包括直线形状的第一输出端50欧姆微带线导带21和L形状的第一输出端耦合馈线22，所述第一输出端50欧姆微带线导带21的输出端置于介质基板8与输入端口馈线1相对的长边上，其输入端与第一输出端耦合馈线22的输入臂末端相连，所述第一输出端耦合馈线22的输入臂与第一E型谐振器51平行耦合；
所述第二输出端口馈线3包括直线形状的第二输出端50欧姆微带线导带31和L形状的第二输出端耦合馈线32，所述第二输出端50欧姆微带线导带31的输出端置于介质基板8与输入端口馈线1相平行的短边上，其输入端与第二输出端耦合馈线32的输入臂末端相连，所述第二输出端耦合馈线32的输入臂与第二E型谐振器52平行耦合；
所述第一输出端50欧姆微带线导带21、第二输出端50欧姆微带线导带31均与介质基板8长边平行。第一输出端耦合馈线22的输入臂、第二输出端耦合馈线32的输入臂均与介质基板8长边垂直。
如图4所示，所述的第一终端开路微带均匀加载谐振器71包括直线形状的二分之一波长微带谐振器711、第二终端开路微带均匀加载谐振器72包括直线形状的二分之一波长微带谐振器721，且均与介质基板8长边垂直，两个终端开路微带均匀加载谐振器分别位于输入端口馈线1的两边；
所述第一槽线-微带过渡结构61包括直线形状的第一四分之一波长高阻抗线谐振器611和第一四分之一波长低阻抗线谐振器612，第一四分之一波长低阻抗线谐振器612的输出臂的末端与第一四分之一波长高阻抗线谐振器611的一端连接，且第一槽线-微带过渡结构61与介质基板8长边垂直；
所述第二槽线-微带过渡结构62包括直线形状的第二四分之一波长高阻抗线谐振器621和第二四分之一波长低阻抗线谐振器622，第二四分之一波长低阻抗线谐振器622的输出臂的末端与第二四分之一波长高阻抗线谐振器621的一端连接，且第二槽线-微带过渡结构62与介质基板8长边垂直；
所述第一槽线-微带过渡结构61与第二槽线-微带过渡结构62关于介质基板8中心成中心对称放置。
如图4所示，所述第一E型谐振器51包含第一二分之一波长谐振器511和加载于第一二分之一波长谐振器511中心的第一对称面枝节加载单元512，第一二分之一波长谐振器511的输入臂与第一四分之一波长高阻抗线谐振器611平行耦合，第一二分之一波长谐振器511的输出臂与第一输出端耦合馈线22的输入臂平行耦合；
所述第二E型谐振器52包含第二二分之一波长谐振器521和加载于第二二分之一波长谐振器521中心的第二对称面枝节加载单元522，第二二分之一波长谐振器521的输入臂与第二四分之一波长高阻抗线谐振器621平行耦合，第二二分之一波长谐振器521的输出臂与第一输出端耦合馈线32的输入臂平行耦合；
如图5所示，所述第一输出端口馈线2与第二输出端口馈线3形状、尺寸相同，第一槽线-微带过渡结构61与第二槽线-微带过渡结构62形状、尺寸相同，第一E型谐振器51与第二E型谐振器52形状、尺寸相同。第一终端开路微带均匀加载谐振器71，第二终端开路微带均匀加载谐振器72形状、尺寸相同。
本发明的工作过程为：
如图4所示，所述的贴覆于介质基板8上表面的输入端口馈线1通过金属柱10激励起金属接地板9上的能量并通过直线型槽线4一分为二。实现功率平均分配两路信号功能。利用分布在直线型槽线4两边反相的场分布信号，分别与第一四分之一波长低阻抗线谐振器612和第二四分之一波长低阻抗线谐振器622这两个过渡枝节耦合。在第一四分之一波长高阻抗线谐振器611和第二四分之一波长高阻抗线谐振器621得到相位相反的两路信号，实现巴伦等幅反相性能。
所述的第一二分之一波长谐振器511通过与直线形状的第一四分之一波长高阻抗线谐振器611和L形状的第一输出端耦合馈线22之间强耦合，激励起所述第一E型双模谐振器51的两个模式，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512通过与直线形状的第二四分之一波长高阻抗线谐振器612和L形状的第二输出端耦合馈线32之间强耦合，激励起所述第二E型双模谐振器52的两个模式，在端口1到3实现宽带带通响应。
通过引入直线形状的二分之一波长微带谐振器711、直线形状的二分之一波长微带谐振器721在带外产生零点来实现谐波抑制功能。
所分两路信号最后分别通过第一输出端口馈线21和第二输出端口馈线31耦合输出。
所述介质基板8的相对介电常数为3.55，厚度为0.508mm。
本发明基于槽线—微带过渡结构及中心枝节加载的双模谐振器所设计的巴伦滤波器，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
一种基于槽线的高选择性巴伦滤波器的立体结构如图1所示，俯视图如图2到4所示，有关尺寸规格如图5所示。所采用的介质基板8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5，巴伦滤波器的各种尺寸如下：g1＝0.1mm,Ls＝26mm,Ws＝0.3mm,L1＝16.8mm,W1＝0.16mm,L2＝6.9mm,W2＝1.4mm,L3＝16mm,W3＝0.7mm,L4＝14.2mm,W4＝1.4mm,L5＝16mm,L6＝5mm,L7＝2.3mm，短路柱直径为0.6mm。巴伦滤波器的整体面积为38×38mm，对应的导波长尺寸为0.567λg×0.567λg，其中λg为通带中心频率对应的导波波长。
本实例的巴伦滤波器是在电磁仿真软件HFSS.13中建模仿真的。图6是本实例中巴伦滤波器的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2.78GHz，相对带宽为23.4％，通带内回波损耗低于20dB。通带外分别有四个传输零点使得该实例具有非常高的频率选择特性。
图7是本实例中巴伦滤波器的两个输出端口幅度差，从图中可以看出，该实例巴伦滤波器通带内的两个平衡输出端口幅度差在0.02dB以内。
图8是本实例中巴伦滤波器的两个输出端口相位差，从图中可以看出，该实例巴伦滤波器通带内的两个平衡输出端口相位差在180±1度以内。
综上所述，本发明基于槽线—微带过渡结构及中心枝节加载的双模谐振器所设计的巴伦滤波器，具有原理简单、频率选择特性好、矩形系数高、工作频带宽的优点，适用于现代无线通信系统。
以上实施例仅为本发明的优选实施方式，本发明的保护范围并不仅限于上述实施方式，凡是属于本发明原理的技术方案均属于本发明的保护范围。对于本领域的技术人员而言，在不脱离本发明的原理的前提下进行的若干改进，这些改进也应视为本发明的保护范围。
Claims (6)
1.一种基于槽线的高选择性巴伦滤波器，其特征在于：包括贴覆于矩形介质基板(8)下表面的金属接地板(9)和贴覆于介质基板(8)上表面的输入端口馈线(1)、第一输出端口馈线(2)、第二输出端口馈线(3)、第一E型谐振器(51)、第二E型谐振器(52)、第一槽线-微带过渡结构(61)、第二槽线-微带过渡结构(62)、第一终端开路微带均匀加载谐振器(71)、第二终端开路微带均匀加载谐振器(72)和金属孔(10)；所述输入端口馈线(1)置于介质基板(8)长边中线上，其输入端置于介质基板(8)一个长边的中点；在所述金属接地板(9)上开有一条关于介质基板(8)长边中线对称的直线型槽线(4)；所述第一输出端口馈线(2)与第二输出端口馈线(3)、第一E型谐振器(51)、第二E型谐振器(52)、第一槽线-微带过渡结构(61)、第二槽线-微带过渡结构(62)、第一终端开路微带均匀加载谐振器(71)、第二终端开路微带均匀加载谐振器(72)均关于介质基板(8)中心成中心对称布置；
所述第一E型谐振器(51)位于第一槽线-微带过渡结构(61)与第一输出端口馈线(2)之间，第二E型谐振器(52)位于第二槽线-微带过渡结构(62)与第二输出端口馈线(3)之间；所述的输入端口馈线(1)为一50欧姆微带线导带，其输入端置于介质基板(8)一个长边的中点，其输出端沿介质基板(8)长边中线延伸入介质基板(8)上表面内，并通过一穿过介质基板(8)的金属孔(10)与金属接地板(2)相连；
两个终端开路微带均匀加载谐振器分别位于输入端口馈线(1)的两边；所述第一槽线-微带过渡结构(61)包括直线形状的第一四分之一波长高阻抗线谐振器(611)和第一四分之一波长低阻抗线谐振器(612)，所述第二槽线-微带过渡结构(62)包括直线形状的第二四分之一波长高阻抗线谐振器(621)和第二四分之一波长低阻抗线谐振器(622)。
2.根据权利要求1所述的一种基于槽线的高选择性巴伦滤波器，其特征在于：所述第一输出端口馈线(2)包括直线形状的第一输出端50欧姆微带线导带(21)和L形状的第一输出端耦合馈线(22)，所述第一输出端50欧姆微带线导带(21)的输出端置于介质基板(8)与输入端口馈线(1)相对平行的左侧短边上，其输入端与第一输出端耦合馈线(22)的输入臂末端相连，所述第一输出端耦合馈线(22)的输入臂与第一E型谐振器(51)平行耦合；所述第二输出端口馈线(3)括直线形状的第二输出端50欧姆微带线导带(31)和L形状的第二输出端耦合馈线(32)，所述第二输出端50欧姆微带线导带(31)的输出端置于介质基板(8)与输入端口馈线(1)相平行的右侧短边上，其输入端与第二输出端耦合馈线(32)的输入臂末端相连，所述第二输出端耦合馈线(32)的输入臂与第二E型谐振器(52)平行耦合；所述第一输出端50欧姆微带线导带(21)、第二输出端50欧姆微带线导带(31)均与介质基板(8)长边平行；第一输出端耦合馈线(22)的输入臂、第二输出端耦合馈线(32)的输入臂均与介质基板(8)长边垂直。
3.根据权利要求1所述的一种基于槽线的高选择性巴伦滤波器，其特征在于：所述的第一终端开路微带均匀加载谐振器(71)包括直线形状的二分之一波长微带谐振器(711)、第二终端开路微带均匀加载谐振器(72)包括直线形状的二分之一波长微带谐振器(721)，且均与介质基板(8)长边垂直；第一四分之一波长低阻抗线谐振器(612)的输出臂的末端与第一四分之一波长高阻抗线谐振器(611)的一端连接，且第一槽线-微带过渡结构(61)与介质基板(8)长边垂直；第二四分之一波长低阻抗线谐振器(622)的输出臂的末端与第二四分之一波长高阻抗线谐振器(621)的一端连接，且第二槽线-微带过渡结构(62)与介质基板(8)长边垂直；所述第一槽线-微带过渡结构(61)与第二槽线-微带过渡结构(62)关于介质基板(8)中心成中心对称放置。
4.根据权利要求1所述的一种基于槽线的高选择性巴伦滤波器，其特征在于：所述第一E型谐振器(51)包含第一二分之一波长谐振器(511)和加载于第一二分之一波长谐振器(511)中心的第一对称面枝节加载单元(512)，第一二分之一波长谐振器(511)的输入臂与第一四分之一波长高阻抗线谐振器(611)平行耦合，第一二分之一波长谐振器(511)的输出臂与第一输出端耦合馈线(22)的输入臂平行耦合；所述第二E型谐振器(52)包含第二二分之一波长谐振器(521)和加载于第二二分之一波长谐振器(521)中心的第二对称面枝节加载单元(522)，第二二分之一波长谐振器(521)的输入臂与第二四分之一波长高阻抗线谐振器(621)平行耦合，第二二分之一波长谐振器(521)的输出臂与第一输出端耦合馈线(32)的输入臂平行耦合。
5.根据权利要求1所述的一种基于槽线的高选择性巴伦滤波器，其特征在于：所述第一输出端口馈线(2)与第二输出端口馈线(3)形状、尺寸相同，第一槽线-微带过渡结构(61)与第二槽线-微带过渡结构(62)形状、尺寸相同，第一E型谐振器(51)与第二E型谐振器(52)形状、尺寸相同；第一终端开路微带均匀加载谐振器(71)，第二终端开路微带均匀加载谐振器(72)形状、尺寸相同。
6.根据权利要求1所述的一种基于槽线的高选择性巴伦滤波器，其特征在于：所述介质基板(8)的相对介电常数为3.55，厚度为0.508mm。
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