CN107611540A - 一种混合有耗双工器 - Google Patents
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Abstract
本发明提出了一种混合有耗双工器，旨在保证传输零点单独可控和实现小型化的同时，提高双工器的带内平坦度，包括介质基板、印制于介质板上表面的复合微带线结构和下表面的共面波导结构，复合微带线结构包括三个端口馈线、四个微带开环谐振器和弯曲微带线，三个端口馈线通过弯曲微带线连接，共面波导结构包括两个共面波导环形谐振器，该两个结构构成微带线‑共面波导分层混合结构，其中的每两个相同的微带开环谐振器和一个共面波导环形谐振器构成一个非均匀Q值谐振器通道滤波器，不一致谐振器Q值可提高带内平坦度，再通过微带开环谐振器引入接地贴片电阻，降低谐振器Q值，进一步提高带内平坦度。
Description
技术领域
本发明属于电子通信领域，涉及一种混合有耗双工器，可用于带内平坦度要求较高、频率选择性要求较高的无线通信系统，特别是卫星通信系统。
背景技术
在无线通信系统中，射频收发机和天线连接共同完成接收和发送信号的处理工作。如果接收机和发送机各接一个天线，不仅电路尺寸和成本增加，两个天线之间也会相互干扰，使系统稳定性和可靠性降低。双工器可以使收发机共用一副天线实现发射与接收工作，显著减小了互扰，因此其具有广泛的应用范围。
双工器是由两个滤波器组成的三端口网络，有一个公共端口。根据使用的传输线种类可以分为波导双工器、同轴双工器、介质双工器和平面传输线双工器等。平面传输线双工器的优点在于小型化、低成本、易加工、易集成等，所以广泛应用在射频和微波通信系统中。
随着射频电路技术的发展以及系统对小型化高性能电路设计要求的不断提高，使得需求方不仅要求射频滤波电路具有良好的幅频特性以及小体积、低价格，而且要求良好的相频特性以提高电路和系统的线性度。良好的通带平坦度可以有效改善电路的相位线性度。现有记载的技术中没有涉及双工器通带平坦度问题，例如申请公布号CN 103633400 A，名称为“一种基于电磁混合耦合的微带双工器”的专利申请，公开了一种基于电磁混合耦合的微带双工器，包括双面覆铜微带板，双面覆铜微带板的同一面上分别制作有两个通带频率和带宽可控的滤波器、第一端口馈线、第二端口馈线、T型接头、第一端口、第二端口、第三端口，该双面覆铜微带板的另一面为覆铜接地板；所述两个滤波器均主要由三个相互耦合的四分之一波长的微带谐振器组成，三条微带谐振器一端的相连接处存在接地通孔，每个滤波器中相邻两个微带谐振器之间存在电耦合，虽然双工器通带两侧均有传输零点，提高了双工器的频率选择性，但是带内平坦度低并且没有涉及任何改进技术。
发明内容
本发明的目的在于克服上述现有技术存在的缺陷，提供了一种混合有耗双工器，旨在保证传输零点单独可控和实现小型化的同时，提高双工器的带内平坦度。
为实现上述目的，本发明采取的技术方案为：
一种混合有耗双工器，包括介质基板1、复合微带线结构2和共面波导结构3，所述复合微带线结构2包括印制在介质基板1上表面的四个微带开环谐振器和三个端口馈线，所述共面波导结构3包括印制在介质基板1下表面的两个共面波导环形谐振器，该两个结构2，3构成微带线-共面波导分层混合结构，其中的四个微带开环谐振器与两个共面波导环形谐振器构成两个通道滤波器，每个通道滤波器中的微带开环谐振器与共面波导谐振器具有不同的谐振器Q值，用于提高带内平坦度。
上述混合有耗双工器，所述四个微带开环谐振器分别为大小相同和开口相对的第一微带开环谐振器21和第二微带开环谐振器22，及大小相同和开口相对的第三微带开环谐振器23和第四微带开环谐振器24；所述三个端口馈线分别为通过弯曲微带线25连通的第一端口馈线27、第二端口馈线28和公共端口馈线29，所述弯曲微带线25的左侧横微带线通过耦合间隙与第一端口馈线27对接，右侧横微带线通过耦合间隙与第二端口馈线28对接，中间横微带线连接有公共端口馈线29；所述第一微带开环谐振器21和第二微带开环谐振器22分布在第一端口馈线27的两侧；所述第三微带开环谐振器23和第四微带开环谐振器24分布在第二端口馈线28的两侧；所述第一微带开环谐振器21和第二微带开环谐振器22与第三微带开环谐振器23和第四微带开环谐振器24形状相同、大小不同，其中第二微带开环谐振器22和第四微带开环谐振器24各连接一个接地贴片电阻26，用于降低谐振器的Q值；
所述两个共面波导环形谐振器为与接地板35通过接地短截线33相连的第一共面波导环形谐振器31和与接地板35通过接地短截线34相连的第二共面波导环形谐振器32，每个接地贴片电阻26通过金属化过孔4与共面波导结构3中的接地板35连接；
所述第一微带开环谐振器21和第二微带开环谐振器22与第一共面波导环形谐振器31构成第一通道滤波器，所述第三微带开环谐振器23和第四微带开环谐振器24与第二共面波导环形谐振器32构成与第一通道滤波器工作频率不同的第二通道滤波器。
上述混合有耗双工器，所述第一微带开环谐振器21、第二微带开环谐振器22、第三微带开环谐振器23和第四微带开环谐振器24，均采用矩形开环谐振器，第一微带开环谐振器21和第二微带开环谐振器22对称分布在第一端口馈线27的两侧；第三微带开环谐振器23和第四微带开环谐振器24对称分布在第二端口馈线28的两侧。
上述混合有耗双工器，所述第一共面波导环形谐振器31和第二共面波导环形谐振器32均采用矩形环谐振器，且第一共面波导环形谐振器31位于第一微带开环谐振器21的正下方，第二共面波导环形谐振器32位于第三微带开环谐振器23的正下方，第一共面波导环形谐振器31和第二共面波导环形谐振器32的大小关系与第一微带开环谐振器21和第三微带开环谐振器23的大小关系相对应。
上述混合有耗双工器，所述第一微带开环谐振器21和第二微带开环谐振器22开口处产生的电耦合，与接地短截线33处产生的磁耦合，构成电磁分层耦合结构，产生第一通道滤波器通带两侧的传输零点；第三微带开环谐振器23和第四微带开环谐振器24开口处产生的电耦合，与接地短截线34处产生的磁耦合，构成电磁分层耦合结构，产生第二通道滤波器通带两侧的传输零点。
上述混合有耗双工器，所述第一端口馈线27，其与左侧横微带线之间耦合间隙的中心，与第一微带开环谐振器21和第二微带开环谐振器22开口中心的连线重合，所述第二端口馈线28，其与弯曲微带线25右侧横微带线之间耦合间隙的中心，与第三微带开环谐振器23和第四微带开环谐振器24开口中心的连线重合。
上述混合有耗双工器，所述贴片电阻26，位于第二微带开环谐振器22和第四微带开环谐振器24长边的中间位置。
上述混合有耗双工器，所述接地短截线33，位于第一微带开环谐振器21开口相对侧的第一共面波导环形谐振器31长边的中间位置，且中心与第一微带开环谐振器21开口的中心对齐，接地短截线34接于第三微带开环谐振器23开口相对侧的第二共面波导环形谐振器32长边的中间位置，且中心与第三开环谐振器23开口的中心对齐。
上述混合有耗双工器，所述弯曲微带线25，其从与公共端口馈线29相连的点到第一通道滤波器结构的长度，等于第二通道滤波器工作频率波导波长的四分之一，弯曲微带线25从与公共端口馈线29相连的点到第二通道滤波器结构的长度，等于第一通道滤波器工作频率波导波长的四分之一，且四个弯折位置均设置有切角。
本发明与现有技术相比，具有如下优点：
1.本发明由于采用的微带线-共面波导分层混合结构是由两个形状相同、大小不同的微带线-共面波导混合结构的通道滤波器和公共端构成，每个通道滤波器，包括介质板上表面两个相同的金属微带线结构的矩形开口环低Q值谐振器和下表面金属共面波导结构的矩形环高Q值谐振器，构成了谐振器Q值不一致的微带线-共面波导混合结构，提高了每个通道滤波器的带内平坦度。
2.本发明中对于双工器的任一通道滤波器，通过金属化过孔为介质基板上表面的一个微带矩形开环谐振器引入接地电阻，用于降低矩形开环谐振器的Q值，使金属微带线结构的两个相同矩形开环谐振器具有不一致的Q值，通过牺牲少许插入损耗进一步改善双工器的带内平坦度。
3.本发明中采用电磁分层耦合结构，对于任一通道滤波器，介质基板上表面的微带矩形开环谐振器开口处产生电耦合，下表面的与共面波导矩形环谐振器相连的接地短截线处产生磁耦合，使每个通道滤波器两侧均能产生传输零点，传输零点分别由磁主耦合效应和电主耦合效应产生，并相互影响很小，可以实现传输零点单独可控，提高了双工器的频率选择性。
4.本发明中采用微带线-共面波导分层混合结构，使用的都是平面传输线结构，可以有效减小电路尺寸，实现小型化设计。
5.本发明结构简单，易于制作加工，易集成，可广泛应用于射频和微波通信系统中。
附图说明
图1是本发明实施例的整体结构示意图；
图2是本发明实施例的复合微带线结构的示意图；
图3是本发明实施例的共面波导结构的示意图；
图4是本发明对实施例有无外接电阻时的频率响应仿真波形对比图；
图5是本发明图4中S31和S32的局部放大图。
具体实施方式
以下结合附图和具体实施例，对本发明进行进一步详细说明。
参照图1，一种混合有耗双工器，介质基板1是介电常数为10.2，厚度为1.27mm的矩形介质板，复合微带线结构2印制在介质板1的上表面和共面波导结构3印制在介质板1的下表面，该两个结构构成微带线-共面波导分层混合结构。
所述复合微带线结构2，其结构如图2所示，包括第一微带开环谐振器21、第二微带开环谐振器22、第三微带开环谐振器23、第四微带开环谐振器24、第一端口馈线27、第二端口馈线28和公共端口馈线29；所述第一微带开环谐振器和第二微带开环谐振器均为矩形开环谐振器，且大小相同，长度l1为13mm，高度l2为3.9mm，窄边的宽w1为1.2mm，宽边的宽w2为2mm，开口s2为0.2mm；第三微带开环谐振器和第四微带开环谐振器均为矩形开环谐振器，且大小相同，长度l3为10.2mm，高度l4为3.9mm，窄边的宽w3为1.2mm，宽边的宽w4为2mm，开口s5为0.2mm，所述第一端口馈线27与左侧横微带线通过耦合间隙对接，耦合间隙的宽s1为0.2mm，第二端口馈线28与弯曲微带线25的右侧横微带线通过耦合间隙对接，耦合间隙的宽s4为0.2mm，公共端口馈线29与弯曲微带线25的中间横微带线连接，三个端口馈线的宽均为w，w为1.2mm，用于满足端口50欧姆阻抗匹配，弯曲微带线的宽度w5为1.2mm，且四个弯折位置均有切角，切角是边长为2mm的等腰直角三角形，弯曲微带线从与公共端口馈线相连的点到第一通道滤波器上面右侧边的长度为9.5mm，从与公共端口馈线相连的点到第二通道滤波器上面左侧边的长度为11.9mm，所述第一微带开环谐振器21和第二微带开环谐振器22开口相对，对称分布在第一端口馈线27的两侧，与第一端口馈线的间隙s3为0.3mm，所述第三微带开环谐振器23和第四微带开环谐振器24开口相对，对称分布在第二端口馈线28的两侧，与第二端口馈线的间隙s6为0.3mm；所述第一微带开环谐振器21和第二微带开环谐振器22与第三微带开环谐振器23和第四微带开环谐振器24形状相同、大小不同，其中第二微带开环谐振器22和第四微带开环谐振器24各连接一个接地贴片电阻26，每个接地贴片电阻26通过金属化过孔4与共面波导结构3中的接地板35连接，用于降低谐振器的Q值，接地贴片电阻尺寸大小为1.6mm×0.8mm，金属化过孔的直径d为1.14mm。
所述共面波导结构3，其结构如图3所示，包括接地板、通过接地短截线33连接接地板的第一共面波导环形谐振器31和通过接地短截线34连接接地板的第二共面波导环形谐振器32，第一共面波导环形谐振器为矩形环谐振器，长度l5为12mm，高度l6为2.3mm，环宽w6为1.1mm，四周距离接地板的间距为1mm，接地短截线33的宽w7为1.2mm；第二共面波导环形谐振器为矩形环谐振器，长度l7为8.4mm，高度l8为2.3mm，环宽w8为1.1mm，四周距离接地板的间距为1mm，接地短截线34的宽w9为1.2mm。
所述第一微带开环谐振器21和第二微带开环谐振器22与第一共面波导环形谐振器31构成第一通道滤波器，工作频率为2.42GHz，第一共面波导环形谐振器位于第一微带开环谐振器正下方偏向第一端口馈线一侧0.4mm的位置，第一端口馈线处耦合间隙中心、两个微带开环谐振器开口中心和接地短截线的中心对齐，改变微带开环谐振器和共面波导环形谐振器的长度和高度，可以调节第一通道滤波器的工作频率，第一通道滤波器中，两个微带开环谐振器的开口处产生电耦合，调节开口s2的大小可以控制第一通道滤波器右侧传输零点的位置，接地短截线33处产生磁耦合，调节接地短截线的宽w7的大小可以控制第一通道滤波器通带左侧的传输零点的位置。
所述第三微带开环谐振器23和第四微带开环谐振器24与第二共面波导环形谐振器32构成第二通道滤波器，工作频率为3.03GHz，第二共面波导环形谐振器位于第三微带开环谐振器正下方偏向第二端口馈线一侧0.4mm的位置，第二端口馈线处耦合间隙中心、两个微带开环谐振器开口中心和接地短截线的中心对齐，改变微带开环谐振器和共面波导环形谐振器的长度和高度，可以调节第二通道滤波器的工作频率，第二通道滤波器中，两个微带开环谐振器的开口处产生电耦合，调节开口s5的大小可以控制第二通道滤波器通带右侧传输零点的位置，接地短截线34处产生磁耦合，调节接地短截线宽w9的大小可以控制第二通道滤波器通带左侧的传输零点的位置。
双工器的传输零点单独可控。其微带开环谐振器开口越大，通道右侧的传输零点越远离中心频率，且左侧的传输零点基本不变；接地短截线的宽度越大，通道左侧的传输零点位置越靠近中心频率，且右侧的传输零点基本不变。
所述接地贴片电阻采用封装为0603，接地贴片电阻的阻值大小会影响双工器的插入损耗和带内平坦度，综合考虑插入损耗和带内平坦度，选取的阻值为2500Ω。
所述弯曲微带线，其从与公共端口馈线相连的点到第一通道滤波器结构上面右侧边的长度，等于第二通道滤波器工作频率波导波长的四分之一，从与公共端口馈线相连的点到第二通道滤波器结构上面左侧边的长度，等于第一通道滤波器工作频率波导波长的四分之一，降低两个通道滤波器之间的相互影响，提高隔离度，双工器的隔离度达到-25dB，四个弯折位置均设置有切角，以减小传输线阻抗不连续性，避免了拐角处线宽增大引起的功率损耗。
以下结合仿真实验，对本发明的技术效果作进一步说明：
1、仿真条件和内容。
1.1利用商业仿真软件HFSS，对上述实施例有无外接电阻时的频率响应仿真波形对比图，如图4所示，对图4中仿真波形的S31和S32的局部放大图，如图5所示。
2、仿真结果分析。
参照图4和图5，实线为无外接接地贴片电阻时实施例的频率响应仿真波形，虚线为有外接接地贴片电阻时实施例的频率响应仿真波形，两者对比可看出，接了外接接地贴片电阻后，两个通带插入损耗略微降低，但带内平坦度得到明显提高，另外，两个仿真波形的每个通带两侧均有传输零点，其由电磁分层耦合结构产生，提高了频率选择性。
以上仿真结果说明，本发明双工器具有理想的带内平坦度和频率选择性。
以上描述仅是本发明的一个具体实例，并未构成本发明的任何限制。显然对于本领域的专业人员来说，在了解了本发明内容和原理后，都可能在不背离本发明原理、结构的情况下，进行形式和参数这些细节上的各种修正和改变，但是这些基于本发明思想的修正和改变仍在本发明的权利要求保护范围之内。
Claims (9)
1.一种混合有耗双工器，其特性在于包括介质基板(1)、复合微带线结构(2)和共面波导结构(3)，所述复合微带线结构(2)包括印制在介质基板(1)上表面的四个微带开环谐振器和三个端口馈线，所述共面波导结构(3)包括印制在介质基板(1)下表面的两个共面波导环形谐振器，该两个结构(2，3)构成微带线-共面波导分层混合结构，其中的四个微带开环谐振器与两个共面波导环形谐振器构成两个通道滤波器，每个通道滤波器中的微带开环谐振器与共面波导谐振器具有不同的谐振器Q值，用于提高带内平坦度。
2.根据权利要求1所述的一种混合有耗双工器，其特性在于：所述四个微带开环谐振器分别为大小相同和开口相对的第一微带开环谐振器(21)和第二微带开环谐振器(22)，及大小相同和开口相对的第三微带开环谐振器(23)和第四微带开环谐振器(24)；所述三个端口馈线分别为通过弯曲微带线(25)连通的第一端口馈线(27)、第二端口馈线(28)和公共端口馈线(29)，所述弯曲微带线(25)的左侧横微带线通过耦合间隙与第一端口馈线(27)对接，右侧横微带线通过耦合间隙与第二端口馈线(28)对接，中间横微带线连接有公共端口馈线(29)；所述第一微带开环谐振器(21)和第二微带开环谐振器(22)分布在第一端口馈线(27)的两侧；所述第三微带开环谐振器(23)和第四微带开环谐振器(24)分布在第二端口馈线(28)的两侧；所述第一微带开环谐振器(21)和第二微带开环谐振器(22)与第三微带开环谐振器(23)和第四微带开环谐振器(24)形状相同、大小不同，其中第二微带开环谐振器(22)和第四微带开环谐振器(24)各连接一个接地贴片电阻(26)，用于降低谐振器的Q值；
所述两个共面波导环形谐振器为与接地板(35)通过接地短截线(33)相连的第一共面波导环形谐振器(31)和与接地板(35)通过接地短截线(34)相连的第二共面波导环形谐振器(32)，每个接地贴片电阻(26)通过金属化过孔(4)与共面波导结构(3)中的接地板(35)连接；
所述第一微带开环谐振器(21)和第二微带开环谐振器(22)与第一共面波导环形谐振器(31)构成第一通道滤波器，所述第三微带开环谐振器(23)和第四微带开环谐振器(24)与第二共面波导环形谐振器(32)构成与第一通道滤波器工作频率不同的第二通道滤波器。
3.根据权利要求2所述的一种混合有耗双工器，其特性在于：所述第一微带开环谐振器(21)、第二微带开环谐振器(22)、第三微带开环谐振器(23)和第四微带开环谐振器(24)，均采用矩形开环谐振器，第一微带开环谐振器(21)和第二微带开环谐振器(22)对称分布在第一端口馈线(27)的两侧；第三微带开环谐振器(23)和第四微带开环谐振器(24)对称分布在第二端口馈线(28)的两侧。
4.根据权利要求2所述的一种混合有耗双工器，其特性在于：所述第一共面波导环形谐振器(31)和第二共面波导环形谐振器(32)均采用矩形环谐振器，且第一共面波导环形谐振器(31)位于第一微带开环谐振器(21)的正下方，第二共面波导环形谐振器(32)位于第三微带开环谐振器(23)的正下方，第一共面波导环形谐振器(31)和第二共面波导环形谐振器(32)的大小关系与第一微带开环谐振器(21)和第三微带开环谐振器(23)的大小关系相对应。
5.根据权利要求2所述的一种混合有耗双工器，其特性在于：所述第一微带开环谐振器(21)和第二微带开环谐振器(22)开口处产生的电耦合，与接地短截线(33)处产生的磁耦合，构成电磁分层耦合结构，产生第一通道滤波器通带两侧的传输零点；第三微带开环谐振器(23)和第四微带开环谐振器(24)开口处产生的电耦合，与接地短截线(34)处产生的磁耦合，构成电磁分层耦合结构，产生第二通道滤波器通带两侧的传输零点。
6.根据权利要求2所述的一种混合有耗双工器，其特性在于：所述第一端口馈线(27)，其与左侧横微带线之间耦合间隙的中心，与第一微带开环谐振器(21)和第二微带开环谐振器(22)开口中心的连线重合，所述第二端口馈线(28)，其与弯曲微带线(25)右侧横微带线之间耦合间隙的中心，与第三微带开环谐振器(23)和第四微带开环谐振器(24)开口中心的连线重合。
7.根据权利要求2所述的一种混合有耗双工器，其特性在于：所述贴片电阻(26)，位于第二微带开环谐振器(22)和第四微带开环谐振器(24)长边的中间位置。
8.根据权利要求2所述的一种混合有耗双工器，其特性在于：所述接地短截线(33)，位于第一微带开环谐振器(21)开口相对侧的第一共面波导环形谐振器(31)长边的中间位置，且中心与第一微带开环谐振器(21)开口的中心对齐，接地短截线(34)接于第三微带开环谐振器(23)开口相对侧的第二共面波导环形谐振器(32)长边的中间位置，且中心与第三开环谐振器(23)开口的中心对齐。
9.根据权利要求2所述的一种混合有耗双工器，其特性在于：所述弯曲微带线(25)，其从与公共端口馈线(29)相连的点到第一通道滤波器结构的长度，等于第二通道滤波器工作频率波导波长的四分之一，弯曲微带线(25)从与公共端口馈线(29)相连的点到第二通道滤波器结构的长度，等于第一通道滤波器工作频率波导波长的四分之一，且四个弯折位置均设置有切角。
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