CN109037879B - 一种基于正交简并模式的基片集成波导滤波耦合器 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种基于正交简并模式的基片集成波导滤波耦合器，包括三个谐振腔、四条馈电线及四个端口，集成带通滤波器和环形耦合器的功能，功能上可替代传统的两个滤波器和一个环形耦合器的级联，体积大幅减小；该滤波耦合器在两个输出端口上所需要的0度和180度相位差是利用基片集成波导TE102和TE201正交简并模式的正向和反向电场来实现的，不需要增加额外电路，降低了电路复杂度；本发明提出的基片集成波导滤波耦合器具有很好的电路性能，同时具有高集成度的特点。

Description

一种基于正交简并模式的基片集成波导滤波耦合器
技术领域
本发明涉及一种滤波耦合器，具体涉及一种基于正交简并模式的基片集成波导滤波耦合器。
背景技术
近些年，无线通信技术在工业和消费电子行业中飞速发展，各种各样的高性能微波器件被大量需要，不同的滤波器是无线通信系统射频前端电路的重要组成器件，例如耦合器，功分器和滤波器等。在射频前端，环形耦合器和两个带通滤波器通常以级联的方式实现滤波和耦合功能，占据大量的体积。因此，许多学者开展研究旨在小型化电路。特别是在第五代(5G)大规模多输入多输出(MIMO)系统中，需要大量的滤波器。为了减少通信系统的体积和建设成本，许多学者开展研究来设计小型化的滤波器。
为了进一步减小尺寸，多功能滤波耦合器被提出，实现高集成和连接线的消除。在平面印刷电路板(PCB)中用±K转换器代替经典的环形耦合器中的四分之一或四分之三传输线来集成滤波功能；用四分之一和二分之一波长谐振器来设计由带通响应的环形耦合器。另外，低温共烧陶瓷(LTCC)技术也被广泛使用，来实现紧凑的滤波耦合器。但是，PCB和LTCC存在Q值和功率容限低的缺点。由于高Q值的优点，介质谐振器DR被用来设计窄带滤波环形耦合器，但其尺寸大，重量高。除了PCB、LTCC和DR技术，基片集成波导因为其低成本高集成和相对较高的Q值也被广泛使用于微波器件设计中，包括滤波器，功分器，交叉和耦合器等。
发明内容
为了克服现有技术存在的缺点与不足，本发明提供一种基于正交简并模式的基片集成波导滤波耦合器，适用于射频前端电路。
本发明包含了三个基片集成波导谐振腔和四个端口；集成了带通滤波器和环形耦合器的功能，功能上可替代传统的两个滤波器和一个环形耦合器的级联，体积大幅减小；该滤波耦合器在两个输出端口上所需要的0度和180度相位差是利用基片集成波导TE102和TE201正交简并模式的正向和反向电场来实现的，不需要增加额外电路，降低了电路复杂度；本发明提出的基片集成波导滤波耦合器具有很好的电路性能，同时具有高集成度的特点，具有创造性和实用性。
本发明采用如下技术方案：
一种基于正交简并模式的基片集成波导滤波耦合器，包括：
三个基片集成波导谐振腔，具体为第一谐振腔、第二谐振腔及第三谐振腔；
四条馈电线：第一馈电线、第二馈电线、第三馈电线及第四馈电线；
四个端口：第一端口、第二端口、第三端口及第四端口；
所述第一谐振腔分别与第二谐振腔及第三谐振腔进行耦合；第一谐振腔的中点与第二谐振腔中点的连线垂直于第一谐振腔的中点与第三谐振腔中点的连线；
所述第一馈电线设置在第二谐振腔和第三谐振腔之间，且与第一谐振腔连接；
所述第二馈电线和第三馈电线分别与第二谐振腔和第三谐振腔连接；
所述第四馈电线与第一谐振腔相连接；
所述第一、第二、第三及第四端口分别位于第一、第二、第三及第四馈电线的末端。
所述第四馈电线与第一馈电线呈90度角，该角的顶点为第一谐振器的中点。
所述第二谐振腔和第三谐振腔关于第一馈电线呈轴对称。
所述第一、第二及第三谐振腔设置成正方形或圆形。
所述第二谐振腔与第三谐振腔的大小形状相同。
所述第一谐振腔的面积为第二谐振腔或第三谐振腔的两倍，使得在工作频段内第二和第三谐振腔的TE101模谐振频率与第一谐振腔的TE102/TE201正交简并模式的谐振频率相同，实现当信号从第一端口输入时激励起第一谐振腔的TE102/TE201正交简并模式中的一个模式，然后将信号等幅同相地传输到第二和第三端口，而第四端口无信号输出；
当信号从第四端口输入时，激励起第一谐振腔的TE102/TE201正交简并模式中的另一个模式，然后等幅且具有180度相位差地传输到第二和第三端口，且第一端口被隔离。
本发明的有益效果：
(1)本发明将两个滤波器和耦合器融合成具有滤波功能的环形耦合器，体积减小，重量减轻且易集成；
(2)本发明通过基片集成波导的正交简并模实现，利用正交简并模式中电场的方向来实现耦合器所需要的正向和反向信号传输特性。
附图说明
图1是本发明的结构示意图；
图2(a)是本发明实施例的S11,S21,S31实验结果；
图2(b)是本发明实施例的能量从第一端口输入时到第二、第三端口的相位差；
图2(c)是本发明实施例的S44,S24,S34实验结果；
图2(d)是能量从第四端口输入时到第二、第三端口的相位差；
图2(e)是本发明实施例的S22,S33,S41实验结果。
具体实施方式
下面结合实施例及附图，对本发明作进一步地详细说明，但本发明的实施方式不限于此。
实施例
如图1所示，一种基于正交简并模式的基片集成波导滤波耦合器，整个器件由上层金属、中间介质基板和下层地板构成，在中间介质基板上开有金属化过孔5与上层金属及下层地板连接形成腔，本发明包括：
三个谐振腔，具体为第一谐振腔R1、第二谐振腔R2及第三谐振腔R3。
四条馈电线，具体为第一馈电线1、第二馈电线2、第三馈电线3及第四馈电线4。
四个端口：第一端口P1、第二端口P2、第三端口P3及第四端口P4。
第一、第二及第三谐振腔设置成正方形或圆形，第一谐振腔分别与第二和第三谐振腔靠近，并通过耦合窗口进行耦合；第一谐振腔的中点o1与第二谐振腔的中点o2连线垂直于第一谐振腔的中点与第三谐振腔的中点o3的连线。
第一馈电线1设置在第二谐振腔和第三谐振腔之间并与第一谐振腔连接，使第二谐振腔和第三谐振腔关于第一馈电线呈轴对称。
第二馈电线2和第三馈电线3分别与第二谐振腔和第三谐振腔连接，所述第二馈电线位于第二谐振腔的一边中心位置，第二馈电线关于第一谐振腔与第二谐振腔的中点连线对称。
第四馈电线与第一谐振腔连接，具体设置在第一谐振腔的左上角，并与第一馈电线呈90度角，该角的定点为第一谐振器的中点。
所述四个端口分别位于四条馈电线的末端。
所述第一、第二及第三谐振腔设置成正方形或圆形。所述的第二谐振腔与第三谐振腔的大小形状完全相同，所述的第一谐振腔的面积大小约为第二或第三谐振腔的两倍，使得在工作频段内第二和第三谐振腔的TE101模谐振频率与第一谐振腔的TE102/TE201正交简并模式的谐振频率相同，实现当信号从第一端口输入时激励起第一谐振腔的TE102/TE201正交简并模式中的一个模式，然后将信号等幅同相地传输到第二和第三端口，而第四端口无信号输出，当信号从第四端口输入时，可以激励起第一谐振腔的TE102/TE201正交简并模式中的另一个模式，然后等幅且具有180度相位差地传输到第二和第三端口，且第一端口被隔离。
如图2(a)和图2(b)表示一种基于正交简并模式的基片集成波导滤波耦合器的实验结果图，信号从第一端口输入，第二和第三端口输出时对应的幅度和相位结果。
图2(a)中，测试的通带中心频率为11.8GHz,1dB带宽为3.4％，中心频率处包含3dB等分损耗的插入损耗分别为(3+1.28)和(3+1.38)dB，幅度差值为0.1dB，回波损耗大于16dB；从图2(b)中可以看到两输出端相位差小于2.5°；呈现出优良的同向带通滤波功分性能。信号从第四端口输入，第二和第三端口输出时，测试结果如图2(c)和图2(d)所示，图2(c)中，中心频率处包含3dB等分损耗的插入损耗分别为(3+1.3)和(3+1.35)dB，差异小于0.1dB，带内回波损耗大于17dB；图2(d)中两输出端带内相位差为180°±2.5°；呈现好的反向滤波功分性能。从图2(e)中可以看出，第一和第四端口的带内隔离大于25dB，两输出端口的回波损耗均大于14dB。
综上，本发明提供了一种基于正交简并模式的基片集成波导滤波耦合器，具有重量轻，易集成，滤波效果好，同向功分和反向功分的幅度相位响应好，隔离高以及输出端匹配好的优异性能。
上述实施例为本发明较佳的实施方式，但本发明的实施方式并不受所述实施例的限制，其他的任何未背离本发明的精神实质与原理下所作的改变、修饰、替代、组合、简化，均应为等效的置换方式，都包含在本发明的保护范围之内。

Claims (3)

1.一种基于正交简并模式的基片集成波导滤波耦合器，其特征在于，包括：
三个基片集成波导谐振腔，具体为第一谐振腔、第二谐振腔及第三谐振腔；
四条馈电线：具体为第一馈电线、第二馈电线、第三馈电线及第四馈电线；
四个端口：具体为第一端口、第二端口、第三端口及第四端口；
所述第一谐振腔分别与第二谐振腔及第三谐振腔进行耦合；第一谐振腔的中点与第二谐振腔中点的连线垂直于第一谐振腔的中点与第三谐振腔中点的连线；
第一馈电线设置在第二谐振腔和第三谐振腔之间并与第一谐振腔连接，使第二谐振腔和第三谐振腔关于第一馈电线呈轴对称；
第二馈电线和第三馈电线分别与第二谐振腔和第三谐振腔连接，所述第二馈电线位于第二谐振腔的一边中心位置，第二馈电线关于第一谐振腔与第二谐振腔的中点连线对称；
第四馈电线与第一谐振腔连接，具体设置在第一谐振腔的左上角，并与第一馈电线呈90度角，该角的顶点为第一谐振器的中点；
第一、第二、第三及第四端口分别位于第一、第二、第三及第四馈电线的末端；
所述第二谐振腔与第三谐振腔的大小形状相同；
所述第一谐振腔的面积为第二谐振腔或第三谐振腔的两倍。
2.根据权利要求1所述的基片集成波导滤波耦合器，其特征在于，所述第一、第二及第三谐振腔设置成正方形或圆形。
3.根据权利要求1所述的基片集成波导滤波耦合器，其特征在于，所述第一谐振腔的面积为第二谐振腔或第三谐振腔的两倍，使得在工作频段内第二和第三谐振腔的TE101模谐振频率与第一谐振腔的TE102/TE201正交简并模式的谐振频率相同，实现当信号从第一端口输入时激励起第一谐振腔的TE102/TE201正交简并模式中的一个模式，然后将信号等幅同相地传输到第二和第三端口，而第四端口无信号输出；
当信号从第四端口输入时，激励起第一谐振腔的TE102/TE201正交简并模式中的另一个模式，然后等幅且具有180度相位差地传输到第二和第三端口，且第一端口被隔离。
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