CN108417941A - 基于环形谐振器的平衡-非平衡滤波功分器 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种新型的基于环形谐振器的平衡‑非平衡滤波功分器。该滤波功分器包括上层微带结构，中间层介质板和下层接地金属，上层微带结构包括两个方环形谐振器、两条连接两个方环形谐振器的微带线、一个隔离电阻、一个金属化过孔和四条输入/输出端口微带馈线。每个环形谐振器由两条微带线和两条平行耦合线组成。两个环形谐振器通过两条微带线连接，其中左侧微带线引入了传输零点，提高了带外抑制度，右侧微带线中点加载了一个隔离电阻，并通过金属过孔连接到下层金属地，实现了两个输出端口的隔离。该滤波功分器具有多功能、高共模抑制度等优点，且结构设计简单，电性能良好，易于实现电路集成与系统封装。
Description
技术领域
本发明涉及一种滤波功分器，特别是一种多功能、抗干扰能力强、谐波抑制度高的基于环形谐振器的平衡-非平衡滤波功分器。
背景技术
随着无线通信技术的迅速发展与应用，各种新型无线通信系统信息传输效率和质量越来越高，结构也越来越复杂，相邻传输线之间的串扰、耦合形成的干扰以及外部设备所带来的辐射，很大程度上影响了电路的整体性能，平衡电路由于其较好的共模抑制能力和抗干扰特性很好地解决了这一问题。滤波器是微波通信系统中重要的无源器件，具有频率选择特性，既可以限定大功率发射机在规定频带内工作，又能防止接收机受到工作频带外信号的干扰。功分器也是微波通信系统中的关键器件，作用是对信号的功率进行处理，将一路信号分成两路或多路信号。在微波通信系统中，需要滤波器和功分器同时工作，同时具有滤波选频和功率分配功能的滤波功分器应运而生。设计滤波功分器常用的方法有将滤波器和功分器级联、对传统的功分器支节加载以及把具有滤波特性的谐振结构加入到传统功分器中。现阶段对平衡滤波功分器的研究还很少，其缺点是：(1) 两种器件的级联会引入较大的插入损耗，也不利于系统的集成和小型化；(2)抗环境噪声干扰能力较弱；(3)带外抑制度较差。
发明内容
本发明的目的在于提供一种基于环形谐振器的平衡-非平衡滤波功分器。
实现本发明目的的技术解决方案为：一种基于环形谐振器的平衡-非平衡滤波功分器，包括上层微带结构，中间层介质板和下层接地金属；上层微带结构附着在中间层介质基板上表面，接地金属附着在中间层介质基板的下表面；
该滤波功分器的第一端口、第二端口、第三端口和第四端口位于介质基板的上层，所述第一端口、第二端口、第三端口和第四端口分别位于介质基板的左上边、右上边、左下边、右下边四个位置；
四条50欧姆的微带线分别与对应的四个端口相连，端口四条50欧姆的微带线分别为第一微带线、第二微带线、第三微带线和第四微带线，所述四条微带线相互平行，第一微带线、第二微带线位于同一水平线上，第三微带线、第四微带线位于同一水平线上，第一微带线和第三微带线、第三微带线和第四微带线分别位于介质基板的左、右两侧；
第一平行耦合线、第五微带线、第二平行耦合线和第六微带线按顺时针方向顺次连接，形成第一方环形谐振器，其中第一平行耦合线、第二平行耦合线垂直放置，二者阻抗值相等，奇模、偶模阻抗值分别为195欧姆、95欧姆，第五微带线、第六微带线平行放置，二者均为120欧姆的微带线；第一方环形谐振器左右两边的平行耦合线与端口处的50欧姆微带线相连，其中第一平行耦合线与端口第一微带线相连，第二平行耦合线端口第二端口微带线相连；
第三平行耦合线、第七微带线、第四平行耦合线和第八微带线按顺时针方向顺次连接，形成第二方环形谐振器，其中第三平行耦合线、第四平行耦合线垂直放置，二者阻抗值相等，奇模、偶模阻抗值分别为195欧姆、95欧姆，第七微带线、第八微带线平行放置，二者均为120欧姆的微带线；第二方环形谐振器左右两边的平行耦合线与端口处的50欧姆微带线相连，其中第三平行耦合线与端口第三微带线相连，第四平行耦合线与端口第四微带线相连；
第九微带线与第十微带线将第一方环形谐振器与第二方环形谐振器连接起来，并且对第九微带线进行了弯折，其中第九微带线上端与第一平行耦合线、第一微带线连接，下端与第四平行耦合线、第三微带线连接，第十微带线上端与第二平行耦合线、第二微带线连接，下端与第四平行耦合线、第四微带线连接；第一隔离电阻左边与第十微带线的中点相连，右边与第一焊盘相连，第一焊盘通过第一金属化过孔穿过中间层介质基板与下层接地金属相连。
所述端口处的第一微带线和第三微带线具有相同的长度，第二微带线和第四微带线具有相同的长度，所述的四条50欧姆微带线具有相同的宽度；所述120欧姆的微带线第五微带线、第六微带线、第七微带线和第八微带线具有相同的长度、宽度，长度为中心频率处波长的四分之一；连接第一方环形谐振器与第二方环形谐振器的左侧微带线第九微带线阻抗值为73欧姆，长度为中心频率处波长的二分之三，连接第一方环形谐振器与第二方环形谐振器的右侧微带线第十微带线阻抗值为65欧姆，长度为中心频率处波长的二分之一；整个结构关于第九微带线和第十微带线的水平中轴线镜像对称。
所述第一平耦合线、第二平行耦合线、第三平行耦合线和第四平行耦合线具有相同的长度、宽度，长度为中心频率波长的四分之一，且耦合线之间的耦合间距相同均为0.3mm～0.6mm；上述平行耦合线的奇模、偶模阻抗值分别为195欧姆、95欧姆。
所述的第一隔离电阻阻值为20Ω～100Ω。
介质基板的介电常数为2～16，介质基板的高度为0.1～4mm。
所述第五微带线、第六微带线、第七微带线和第八微带线均为120欧姆的微带线。
本发明与现有的技术相比，其显著优点为：1)本发明基于环形谐振器，无需额外级联带通滤波器，具有滤波和功分两种特性；2)本发明采用非平衡端口输出，无需额外连接巴伦结构，有利于系统的集成和小型化；3)本发明采用平衡端口输入，具有共模抑制能力，可以有效地降低系统噪声，减小电路组件的串扰；4)由于传输零点的引入，差模通带具有较高的选择性，差模曲线、共模曲线带外均具有较高的抑制度；5) 由于隔离电阻的加载，输出端口具有较高的隔离度。
下面结合附图对本发明作进一步详细描述。
附图说明
图1是本发明基于环形谐振器的平衡-非平衡滤波功分器的原理图。
图2是本发明平衡-非平衡滤波功分器奇偶模分析的等效电路图，其中图2(a)为奇模等效电路图，图2(b)为偶模等效电路图。
图3是本发明平衡-非平衡滤波功分器的频率响应，其中图3(a)为差模回波损耗曲线和传输特性曲线，图3(b)为共模回波损耗曲线、交叉模回波损耗曲线以及共模传输特性曲线，图3(c)为各输出端口的回波损耗曲线与输出端口之间隔离特性曲线。
具体实施方式
本发明公开了一种基于环形谐振器的平衡-非平衡滤波功分器，包括上层微带结构，中间层介质板和下层接地金属；上层微带结构附着在中间层介质基板上表面，接地金属附着在中间层介质基板的下表面；
该滤波功分器的第一端口P1、第二端口P2、第三端口P3和第四端口P4位于介质基板的上层，所述第一端口P1、第二端口P2第三端口P3和第四端口P4分别位于介质基板的左上边、右上边、左下边、右下边四个位置；四条50欧姆的微带线分别与对应的四个端口相连，这四条50欧姆的微带线分别为第一微带线1、第二微带线2、第三微带线3和第四微带线4，所述四条微带线相互平行，第一微带线、第二微带线位于同一水平线上，第三微带线、第四微带线位于同一水平线上，第一微带线和第三微带线、第二微带线和第四微带线分别位于介质基板的左、右两侧；第一微带线和第三微带线、第二微带线和第四微带线分别位于介质基板的左、右两侧；
第一平行耦合线5、第五微带线6、第二平行耦合线7和第六微带线8按顺时针方向顺次连接，形成第一方环形谐振器，其中第一平行耦合线、第二平行耦合线垂直放置，二者阻抗值相等，奇模、偶模阻抗值分别为195欧姆、95欧姆，第五微带线、第六微带线平行放置，二者均为120欧姆的微带线；第一方环形谐振器左右两边的平行耦合线分别与第一端口、第二端口的50欧姆微带线相连，其中第一平行耦合线5与50欧姆微带线1相连，第二平行耦合线7与50欧姆微带线2相连；
第三平行耦合线13、第七微带线14、第四平行耦合线15和第八微带线16按顺时针方向顺次连接，形成第二方环形谐振器，其中第三平行耦合线、第四平行耦合线垂直放置，二者阻抗值相等，奇模、偶模阻抗值分别为195欧姆、95欧姆，第七微带线、第八微带线平行放置，二者均为120欧姆的微带线；该方形结构的左右两边的平行耦合线分别于第三端口、第四端口的50欧姆微带线相连，其中第三平行耦合线13与50欧姆微带线3相连，第四平行耦合线15与50欧姆微带线4相连；
第九微带线9与第十微带线10将第一方环形谐振器与第二方环形谐振器连接起来，并且对第九微带线进行了弯折，其中第九微带线9上端与第一平行耦合线5、第一微带线1连接，下端与第四平行耦合线15、第三微带线3连接，第十微带线10上端与第二平行耦合线7、第二微带线2连接，下端与第四平行耦合线15、第四微带线4连接；第一隔离电阻11左边与第十微带线10的中点相连，右边与第一焊盘17相连，第一焊盘通过第一金属化过孔12穿过中间层介质基板与下层接地金属相连。
所述端口处的第一微带线1和第三微带线3具有相同的长度，第二微带线2和第四微带线4具有相同的长度，所述的四条50欧姆微带线具有相同的宽度；所述120欧姆的微带线第五微带线6、第六微带线8、第七微带线14和第八微带线16具有相同的长度、宽度，长度为中心频率处波长的四分之一；连接第一方环形谐振器与第二方环形谐振器的左侧微带线第九微带线9阻抗值为73欧姆，长度为中心频率处波长的二分之三，连接第一方环形谐振器与第二方环形谐振器的右侧微带线第十微带线10阻抗值为65欧姆，长度为中心频率处波长的二分之一；整个结构关于第九微带线9和第十微带线10 的水平中轴线镜像对称。
所述的奇模、偶模阻抗值分别为195欧姆、95欧姆的平行耦合线第一平耦合线5、第二平行耦合线7、第三平行耦合线13和第四平行耦合线15具有相同的长度、宽度，长度为中心频率波长的四分之一，且耦合线之间的耦合间距相同均为0.3mm～0.6mm。
所述的第一隔离电阻11阻值为20Ω～100Ω。
所述介质基板的介电常数为2～16，介质基板的高度为0.1mm～4mm。
所述第五微带线、第六微带线、第七微带线和第八微带线均为120欧姆的微带线。
本发明的滤波功分器具有多功能、高共模抑制度等优点，且结构设计简单，电性能良好，易于实现电路集成与系统封装。
下面结合实施例对本发明作进一步详细的说明。
实施例
本发明基于环形谐振器的平衡-非平衡滤波功分器，通过环形谐振器实现带通滤波特性，两个平衡输入端口通过两段四分之三波长微带线连接，四分之三波长微带线可以为差模传输曲线、共模传输曲线均引入两个传输零点，两个非平衡输出端口通过两段四分之一波长微带线连接，在微带线的中点连接一个隔离电阻，隔离电阻通过金属化过孔接地，实现输出隔离。整个介质基板的尺寸，77.58mm*49.14mm*1.0mm，介质基板的介电常数为2.65。图1中微带线1、3的长度为20mm，宽度为2.7mm，微带线2、4 的长度为13mm、宽度为2.7mm，微带线6、8、14、16的长度为15.3mm，宽度为0.4mm，微带线9的长度为91mm、宽度为1.4mm。平行耦合线5、7、13、15的长度均为15.7mm，宽度均为0.27mm，之间的耦合间距相同均为0.42mm。隔离电阻的阻值为43Ω，封装为 0603。金属化过孔的直径为0.7mm。
图2(a)是所述滤波功分器的奇模等效电路，当θ＝π/2时，其奇模等效电路的ABCD矩阵可表示为：
其中，Zr是滤波功分器微带线6、8、14、16的特性阻抗(120欧姆)，Z0是滤波功分器微带线1、2、3、4的特性阻抗(50欧姆)，Zoe、Zoo为平行耦合线的奇偶模阻抗。根据平衡-非平衡四端口网络的特性可以推导出奇模S矩阵满足So11＝0，经过ABCD矩阵与S矩阵的转化可得环形谐振器各微带线特性阻抗值以及端口特性阻抗之间的关系。此时连接平衡输入端口的微带线的特性阻抗值表示为：
Z2＝jZ2tan3θ＝0
Z2是连接两个平衡输入端口的微带线特性阻抗(73欧姆)，θ是滤波功分器微带线的电长度。由上式可计算出Z2引入的差模传输特性曲线两个传输零点的位置分别位于
图2(b)是所述滤波功分器的偶模等效电路，当θ＝π/2时，A点在中心频率f0处为短路点，点B处的输入导纳Yin1、Yin2需满足以下条件：
Z1是连接两个输出端口的微带线特性阻抗(65欧姆)，R为隔离电阻的阻值，根据平衡-非平衡四端口网络的特性可以推导出奇模S矩阵满足Se22＝0，可以推出输入导纳满足Yin1+Yin2＝Y0＝1/Z0，将上述两式代入可以计算出连接两个输出端口的微带线特性阻抗、隔离电阻和端口特性阻抗之间的关系。此时连接平衡输入端口的微带线的特性阻抗值表示为：
ZL为负载阻抗，此时ZL＝∞，代入上式可求得Z2引入的共模传输特性曲线两个传输零点的位置分别位于
图3给出了利用所述参数设计的滤波功分器的仿真结果，该滤波功分器工作在3.5GHz。图3(a)所示为差模回波损耗曲线和传输特性曲线，由图3(a)可知，在通带的工作频点处，差模传输曲线插入损耗最大值分别为3.57dB，4-dB工作频率范围为 3.29～3.72GHz，相对带宽计算为12.3％，通带范围内回波损耗高于20dB，差模传输特性曲线通带外传输零点的位置分别为2.42GHz、2.65GHz、3.93GHz、5.08GHz，15-dB 带外抑制范围为0～9.7GHz。图3(b)所示为共模回波损耗曲线、共模传输特性曲线以及交叉模抑制曲线，由图3(b)可知，在工作频点处，共模抑制为34.8dB，在所述的差模传输曲线4-dB频率范围内，共模抑制大于10dB，共模传输曲线两个传输零点飞位置分别为1.3、6.49GHz；在工作频点处，交叉模抑制为47dB，交叉模抑制大于44dB。图3(c)所示为输出端口的回波损耗曲线和隔离曲线，在工作频点，两个输出端口的回波损耗为36.2dB，端口隔离为20.5dB。
因此，本发明提出的平衡-非平衡滤波功分器，通过环形谐振器实现带通滤波特性，两个平衡输入端口通过两段四分之三波长微带线连接，实现共模抑制特性，同时四分之三波长微带线同时为差模传输曲线、共模传输曲线引入了传输零点，使得差模和共模的带外抑制度得到特高，输出端口之间加载隔离电阻，实现了工作频点处具有共模抑制、滤波、3-dB功分效果的平衡-非平衡滤波功分器。
Claims (6)
1.一种基于环形谐振器的平衡-非平衡滤波功分器，其特征在于，包括上层微带结构，中间层介质板和下层接地金属；上层微带结构附着在中间层介质基板上表面，接地金属附着在中间层介质基板的下表面；
该平衡-非平衡滤波功分器的第一端口(P1)、第二端口(P2)、第三端口(P3)和第四端口(P4)位于介质基板的上层，所述第一端口(P1)、第二端口(P2)、第三端口(P3)和第四端口(P4)分别位于介质基板的左上边、右上边、左下边、右下边四个位置；四条50欧姆的微带线分别与对应的四个端口相连，这四条50欧姆的微带线分别为第一微带线(1)、第二微带线(2)、第三微带线(3)和第四微带线(4)，其中第一微带线(1)和第二微带线(2)位于同一水平线上，第三微带线(3)和第四微带线(4)位于同一水平线上，第一微带线(1)和第三微带线(3)、第二微带线(2)和第四微带线(4)分别位于介质基板的左、右两侧，其中第一微带线(1)和第三微带线(3)相互平行，第二微带线(2)和第四微带线(4)相互平行；
第一平行耦合线(5)、第五微带线(6)、第二平行耦合线(7)和第六微带线(8)按顺时针方向顺次连接，形成第一方环形谐振器，其中第一平行耦合线(5)、第二平行耦合线(7)垂直放置，二者阻抗值相等，第五微带线、第六微带线平行放置；第一方环形谐振器左右两边的平行耦合线分别与第一端口、第二端口的50欧姆微带线相连，其中第一平行耦合线(5)与第一微带线(1)相连，第二平行耦合线(7)与第二微带线(2)相连；
第三平行耦合线(13)、第七微带线(14)、第四平行耦合线(15)和第八微带线(16)按顺时针方向顺次连接，形成第二方环形谐振器，其中第三平行耦合线、第四平行耦合线垂直放置，二者阻抗值相等，第七微带线、第八微带线平行放置；该方形结构的左右两边的平行耦合线分别于第三端口、第四端口的50欧姆微带线相连，其中第三平行耦合线(13)与第三微带线(3)相连，第四平行耦合线(15)与第四微带线(4)相连；
第九微带线(9)与第十微带线(10)将第一方环形谐振器与第二方环形谐振器连接起来，并且对第九微带线进行了弯折，其中第九微带线(9)上端与第一平行耦合线(5)、第一微带线(1)连接，下端与第三平行耦合线(13)、第三微带线(3)连接，第十微带线(10)上端与第二平行耦合线(7)、第二微带线(2)连接，下端与第四平行耦合线(15)、第四微带线(4)连接；第一隔离电阻(11)左边与第十微带线(10)的中点相连，右边与第一焊盘(17)相连，第一焊盘通过第一金属化过孔(12)穿过中间层介质基板与下层接地金属相连。
2.根据权利要求1所述的基于环形谐振器的平衡-非平衡滤波功分器，其特征在于，所述端口处的第一微带线(1)和第三微带线(3)具有相同的长度，第二微带线(2)和第四微带线(4)具有相同的长度，所述的四条50欧姆微带线具有相同的宽度；所述120欧姆的微带线第五微带线(6)、第六微带线(8)、第七微带线(14)和第八微带线(16)具有相同的长度、宽度，长度为中心频率处波长的四分之一；连接第一方环形谐振器与第二方环形谐振器的左侧微带线第九微带线(9)阻抗值为73欧姆，长度为中心频率处波长的二分之三，连接第一方环形谐振器与第二方环形谐振器的右侧微带线第十微带线(10)阻抗值为65欧姆，长度为中心频率处波长的二分之一；整个结构关于第九微带线(9)和第十微带线(10)的水平中轴线镜像对称。
3.根据权利要求1所述的基于环形谐振器的平衡-非平衡滤波功分器，其特征在于，所述第一平耦合线(5)、第二平行耦合线(7)、第三平行耦合线(13)和第四平行耦合线(15)具有相同的长度、宽度，长度为中心频率波长的四分之一，且耦合线之间的耦合间距相同均为0.3mm～0.6mm；上述平行耦合线的奇模、偶模阻抗值分别为195欧姆、95欧姆。
4.根据权利要求1所述的基于环形谐振器的平衡-非平衡滤波功分器，其特征在于，所述的第一隔离电阻(11)阻值为20Ω～100Ω。
5.根据权利要求1所述的基于环形谐振器的平衡-非平衡滤波功分器，其特征在于，介质基板的介电常数为2～16，介质基板的高度为0.1～4mm。
6.根据权利要求1所述的基于环形谐振器的平衡-非平衡滤波功分器，其特征在于，第五微带线、第六微带线、第七微带线和第八微带线均为120欧姆的微带线。
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