CN106972233A - 一种基于三线耦合结构的四路滤波型功分器 - Google Patents

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徐开达
柏叶成
许晗
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Abstract

一种基于三线耦合结构的四路滤波型功分器，涉及微波无源器件。其五条输入输出馈线由微带线构成，微带线串联阶跃阻抗结构，分成上下对称的两条支路，每条支路由三线耦合结构、金属化过孔接地结构、弯折微带线、二路功分结构及接在两个三线耦合结构之间的一个隔离电阻和接在二路功分结构中的两个隔离电阻组成；阶跃阻抗结构包括两节特性阻抗不同的矩形微带线串联在电路中，三线耦合结构包括三条宽度相同的微带线，三条微带线互相平行靠近且间隙相同，在三线耦合结构中间微带线末端接有金属化过孔接地结构；弯折微带线接在三线耦合结构一端，二路功分结构包括并联接在弯折微带线之后的两条支路微带线及连接在两条微带线末端之间的隔离电阻。

Description

一种基于三线耦合结构的四路滤波型功分器
技术领域
本发明涉及微波无源器件，尤其是涉及一种基于三线耦合结构的四路滤波型功分器。
背景技术
近年来，随着微波和射频技术的迅猛发展，有着高质量信号传输和集成化小型化优点的微波电路越来越受到青睐([1]D.M.Pozar,Microwave Engineering,第三版.NewYork,NY,USA:Wiley,2005)。功分器具有信号分离和合成功能，被广泛应用在一些微波和射频电路中，如功率合成系统、阵列天线、混频器和倍频器等等。滤波器具有滤除无用信号的能力，因此也被广泛应用在射频微波电路中([2]G.L.Matthaei,L.Young,andE.M.T.Jones,Microwave filters,impedance-matching networks,and couplingstructures.Norwood,MA:Artech House,1980)。在很多应用中，滤波器和功分器都需要连接在电路中，用来分配信号和滤除无用信号。传统的系统设计中，通常采用各自独立的器件来实现这两个功能。但是这样会导致大体积，高插损。因此，设计一个具有滤波功能的功分器可以有效地缩小尺寸，降低成本，减少插损([3]X.Y.Zhang,K.X.Wang and B.J.Hu,“Compact filtering power divider with enhanced second-harmonic suppression,”IEEE Microwave and Wireless Components Letters,vol.23,no.9,pp.483-485,Sep.2013.)。
为了在满足高性能设计的基础上适应电路更加小型化的发展趋势，许多学者做出了大量的研究工作，并在许多领域取得重要成果。滤波型功分器主要有两类：一类是谐波抑制型；一类是带通响应型。其中设计理论都相对比较完善的谐波抑制型功分器主要实现方法有：(a)缺陷地法(DGS)，这种方法是在原有的微带线结构的接地板上蚀刻出缺陷结构，利用其带阻性能和慢波效应实现抑制谐波的特性，所以这种结构也具备了小型化的特点。但由于缺陷地结构的尺寸与所要抑制的谐波频率对应的波长有关，在不改变原电路板尺寸大小情况下能构造的DGS结构个数有限，故一般只能抑制一两个谐波。同时，DGS结构的功分器需要悬置安装。(b)电磁带隙结构(EBG)法，其优点是产生的阻带宽且深，但在通带内的纹波较大。(c)开路分支线法，这种方法增加了设计的灵活性，而且结构简单，对谐波的抑制效果也非常好，但是尺寸小型化比较困难。目前带通响应型功分器的实现技术方案各异，结构种类不同，性能也有很大的差别。但是从近年来的发展现状来看，基本步骤是，先确定功分器所需的滤波特性，相应地选择一个滤波器并通过理论分析，拓展成一个具有带通响应特性的功分器。当然，这种理论并不是很成熟，很多该类型的功分器的体积往往设计的很大，且隔离度不是很好。
发明内容
鉴于以上问题，本发明的目的在于提供具有宽通带、小型化、可靠性能高、结构简单以及性能优越等特点的一种基于三线耦合结构的四路滤波型功分器。
本发明的五条输入输出馈线由50Ω微带线构成，微带线串联一个阶跃阻抗结构，分成上下对称的两条支路，每条支路由三线耦合结构、金属化过孔接地结构、弯折微带线、Wilkinson二路功分结构及接在两个三线耦合结构之间的一个隔离电阻和接在Wilkinson二路功分结构中的两个隔离电阻组成；
所述阶跃阻抗结构包括两节特性阻抗不同的矩形微带线串联在电路中，所述三线耦合结构包括三条宽度相同的矩形微带线，三条微带线互相平行靠近且间隙相同，在三线耦合结构中间微带线末端接有一个金属化过孔接地结构；所述弯折微带线接在三线耦合结构一端，所述Wilkinson二路功分结构包括并联接在弯折微带线之后的两条支路微带线以及连接在这两条微带线末端之间的100Ω隔离电阻。
所述五条输入输出馈线50Ω微带线由通带中心频率、基板参数等计算得到，50Ω微带线线宽为1.13mm，接同轴线缆的特性阻抗均为50Ω。
所述阶跃阻抗结构呈结构对称，两节矩形微带线的参数分别为：第一节微带线长度L1为2.2mm，宽度W1为3.6mm；第二节微带线长度L2为1.6mm，宽度W2为0.1mm。
所述三线耦合部分，三条矩形微带线的宽度W相等，都是0.1mm，该结构中三条微带线之间的两个间隙宽度S相同，都是0.1mm。耦合线的长度L为19mm。另外在阶跃阻抗结构之后并与两个三线耦合部分连接的矩形微带线长度L3为1.5mm，宽度与三线耦合微带线的线宽度相同，为0.1mm。
所述金属化过孔接地结构，接在三线耦合结构中间微带线末端中心处，由一圆形金属化过孔与底层接地板相连。该圆形金属化过孔的圆心距离所述三线耦合结构中间微带线末端0.4mm，圆形金属化过孔的直径d为0.5mm。
所述弯折微带线，呈直角L形弯角，宽度为0.4mm。其中长边的长L4为4.6mm，短边长度L5为1.1mm。
所述Wilkinson二路功分结构，两条支路微带线长度为L＝19mm，宽度W4为0.6mm。在弯折微带线之后并与这两条支路微带线始端连接的微带线长度为2×L6+W3＝2×1.15mm+0.4mm＝2.7mm，宽度为W4＝0.6mm。
所述隔离电阻，其中一个接在两个三线耦合结构之间的隔离电阻R阻值为200Ω，另外两个分别接在Wilkinson二路功分结构之间的电阻R1阻值为100Ω。
本发明的原理在于：本发明提供一种基于三线耦合结构的四路滤波型功分器应用于中心频率为2.4GHz无线技术标准设计要求，具有明显的工程使用价值，本发明通过三线耦合结构和阶跃阻抗结构的应用，设计出具有通带响应的宽带滤波型四路功分器，并有效地减少了该功分器的物理尺寸。该功分器通过三线耦合结构的设计，将通带滤波的性能引入了功分器当中，使功分器有很好的频率选择性。同时，通过引入阶跃阻抗结构改善了端口阻抗匹配，而弯折微带线部分起到了阻抗变化以及信号传输作用，并通过后面的二路功分结构，使整个滤波型功分器实现了四路等分输出。三个隔离电阻起到了各端口间的隔离作用。由此，该电路就可以兼具功分器和滤波器的功能。
本发明的优点和有益效果：
(1)本发明相对带宽较宽。因为三线耦合结构所产生的滤波通带较宽，所以该功分器就具备了这个功能。
(2)本发明的带外抑制性能好。
(3)本发明具有优良的隔离度。隔离电阻的阻值都可以通过计算仿真得到，所以能实现较好的通带隔离度。
(4)本发明的结构紧凑，实现了体积的小型化。
附图说明
图1为本发明一种基于三线耦合结构的四路滤波型功分器结构示意图；
图2为本发明一种基于三线耦合结构的四路滤波型功分器俯视图；
图3为仿真得到的本发明的散射参数随频率变化曲线图(S11为滤波型功分器输入端的反射系数(回波损耗)，S21、S31、S41、S51分别为从输入端至四个输出端口的传输系数(插入损耗))；
图4为仿真得到的本发明的散射参数随频率变化曲线图(S22、S33、S44、S55分别为四个输出端的反射系数(回波损耗))；
图5为仿真得到的本发明的散射参数随频率变化曲线图(S32、S42、S52、S54分别为四个输出端两两端口之间的隔离度)。
具体实施方式
下面将结合附图，对本发明的优选实施例进行详细的描述。
一种基于三线耦合结构的四路滤波型功分器，如图1所示。该功分器包括输入馈线1、输出馈线9、阶跃阻抗结构2、三线耦合结构3、金属化过孔接地结构8、弯折微带线4、Wilkinson二路功分结构5、接在两个三线耦合结构之间的一个隔离电阻和接在Wilkinson二路功分结构中的两个隔离电阻6、中间层介质基板7和底层接地板。
弯折微带线4的对称面与中间层介质基板7的一个对称面重合；中间层介质基板7下表面紧贴与基板表面积相等的底层接地板，底层接地板完全覆盖中间层介质基板，底层接地板接同轴线缆外导体。
中间层介质基板7为长方体，该长方体的长边为31.5mm，宽边为18.4mm，高度为0.508mm，材料为Rogers R04350B，介质基板的相对介电常数为3.48。
连接在两个三线耦合结构之间的隔离电阻R为200Ω，如图2所示。连接在Wilkinson二路功分结构末端之间的两个隔离电阻阻值R1大小相同，为100Ω。
金属化过孔接地结构的过孔直径d为0.5mm，过孔中心位于一边长a为0.8mm的正方形微带线的对称中心，且该正方形微带线位于三线耦合结构中间一条微带线的末端，靠近隔离电阻。
依照发明内容中所提的图2中的各个参数，使用HFSS仿真软件对所设计的滤波型功分器的各项特性参数进行仿真分析，对散射参数进行联合仿真分析。
图3～图5所示为本发明的S参数仿真曲线图。其中图3中的S11为滤波型功分器输入端的反射系数(回波损耗)，S21、S31、S41、S51分别为从输入端至四个输出端口的传输系数(插入损耗)，图4中的S22、S33、S44、S55分别为四个输出端的反射系数(回波损耗)，图5中的S32、S42、S52、S54分别为四个输出端两两端口之间的隔离度。如图3所示，中心频率为2.40GHz，中心频率处的插入损耗为0.26dB(不包括自带四路功分插损6dB)，3dB带宽为2.32GHz，通带覆盖范围为1.25～3.57GHz，相对带宽可达96.7％。在通带外有多个传输零点，使功分器具有非常好的阻带衰减特性，带外抑制达到-30dB。如图4所示，四个输出端口的回波损耗大于20dB的频率范围为1.6GHz～3.2GHz。如图5所示，任何两个输出端口之间的隔离度在频率范围1.25GHz～3.3GHz处均优于15dB。
本发明在利用三线耦合结构的基础上设计的基于三线耦合结构的四路滤波型功分器，对三线耦合结构的输入输出端做了阻抗匹配处理，很好的兼容了通带滤波特性和端口的阻抗匹配；并利用隔离电阻实现对输出端口间的有效隔离。Wilkinson二路功分结构进一步将原本的一分二路滤波型功分器改进成一分四路滤波型。通过理论计算以及数据仿真，确定两个三线耦合结构之间的隔离电阻和Wilkinson二路功分结构中的隔离电阻阻值。三线耦合结构的滤波特性以及带外抑制特性使本发明具有优良的滤波和功分性能。在应用过程中，可以通过调节三线耦合结构的耦合线长以及Wilkinson二路功分结构的线长L可以灵活地调整滤波型功分器的中心频率，从而可以实现该功分器的广泛应用。适当调节阻抗匹配结构三节阻抗部分的宽度W1及W2，以及弯折微带线的线宽W3可以实现各端口的阻抗匹配，即反射系数达到最优。通过以上几个方面的调谐，从而达到滤波型功分器的结构深度紧凑化和工作频率的大幅度扩展。基于该优点，可以在实现结构紧凑化和宽频带的情况下对同一个滤波型功分器的各参数调谐，实现所需频段的滤波和功分要求，无需重新设计新的滤波型功分器，缩短了功分器的设计时间，使得该滤波型功分器在实际工程设计中具有普适性。

Claims (8)

1.一种基于三线耦合结构的四路滤波型功分器，其特征在于其五条输入输出馈线由50Ω微带线构成，微带线串联一个阶跃阻抗结构，分成上下对称的两条支路，每条支路由三线耦合结构、金属化过孔接地结构、弯折微带线、Wilkinson二路功分结构及接在两个三线耦合结构之间的一个隔离电阻和接在Wilkinson二路功分结构中的两个隔离电阻组成；
所述阶跃阻抗结构包括两节特性阻抗不同的矩形微带线串联在电路中，所述三线耦合结构包括三条宽度相同的矩形微带线，三条微带线互相平行靠近且间隙相同，在三线耦合结构中间微带线末端接有一个金属化过孔接地结构；所述弯折微带线接在三线耦合结构一端，所述Wilkinson二路功分结构包括并联接在弯折微带线之后的两条支路微带线以及连接在这两条微带线末端之间的100Ω隔离电阻。
2.如权利要求1所述一种基于三线耦合结构的四路滤波型功分器，其特征在于所述五条输入输出馈线50Ω微带线由通带中心频率、基板参数计算得到，50Ω微带线线宽为1.13mm，接同轴线缆的特性阻抗均为50Ω。
3.如权利要求1所述一种基于三线耦合结构的四路滤波型功分器，其特征在于所述阶跃阻抗结构呈结构对称，两节矩形微带线的参数分别为：第一节微带线长度L1为2.2mm，宽度W1为3.6mm；第二节微带线长度L2为1.6mm，宽度W2为0.1mm。
4.如权利要求1所述一种基于三线耦合结构的四路滤波型功分器，其特征在于所述三线耦合部分，三条矩形微带线的宽度W相等，都是0.1mm，该结构中三条微带线之间的两个间隙宽度S相同，都是0.1mm；耦合线的长度L为19mm；在阶跃阻抗结构之后并与两个三线耦合部分连接的矩形微带线长度L3为1.5mm，宽度与三线耦合微带线的线宽度相同，为0.1mm。
5.如权利要求1所述一种基于三线耦合结构的四路滤波型功分器，其特征在于所述金属化过孔接地结构，接在三线耦合结构中间微带线末端中心处，由一圆形金属化过孔与底层接地板相连；该圆形金属化过孔的圆心距离所述三线耦合结构中间微带线末端0.4mm，圆形金属化过孔的直径d为0.5mm。
6.如权利要求1所述一种基于三线耦合结构的四路滤波型功分器，其特征在于所述弯折微带线，呈直角L形弯角，宽度为0.4mm，其中长边的长L4为4.6mm，短边长度L5为1.1mm。
7.如权利要求1所述一种基于三线耦合结构的四路滤波型功分器，其特征在于所述Wilkinson二路功分结构，两条支路微带线长度为L＝19mm，宽度W4为0.6mm；在弯折微带线之后并与这两条支路微带线始端连接的微带线长度为2×L6+W3＝2×1.15mm+0.4mm＝2.7mm，宽度为W4＝0.6mm。
8.如权利要求1所述一种基于三线耦合结构的四路滤波型功分器，其特征在于所述隔离电阻，其中一个接在两个三线耦合结构之间的隔离电阻R阻值为200Ω，另外两个分别接在Wilkinson二路功分结构之间的电阻R1阻值为100Ω。
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