CN109326855B - 一种新型的宽带四功分滤波器 - Google Patents
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Abstract
本发明公开一种新型的宽带四功分滤波器，包括下表面设有金属接地板的矩形介质基板，在所述矩形介质基板的上表面设有输入端口馈线、第一至第四输出端口馈线、第一至第四输出耦合线；在所述第二输出端口馈线与输入端口馈线之间设有第一多模谐振器，在所述第四输出端口馈线与输入端口馈线之间设有第二多模谐振器；在所述第一多模谐振器和第二多模谐振器之间设有第一隔离电阻，在所述第一耦合输出线与第二耦合输出线之间设有第二隔离电阻，在所述第三耦合输出线与第四耦合输出线之间设有第三隔离电阻；所述新型的宽带四功分滤波器关于输入端口馈线的对称轴呈轴对称。本发明所述宽带四功分滤波器，结构紧凑、损耗低、选择性高、隔离度好，具有良好的带外抑制性能。
Description
技术领域
本发明涉及微波无源器件技术领域，特别是一种新型宽带四功分滤波器。
背景技术
近年来，随着MBB(Modular Building Block,模块结构单元)和MMIC(MonolithicMicrowave Integrated Circuit,单片微波集成电路)的发展，低成本、高度集成、小型化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。通常，射频前端电路由不同器件构成，如滤波器，功分器等，而单独设计这些器件无疑增加了前端电路的物理尺寸，因此，设计同时具有功分和滤波特性的器件成为了减小电路尺寸的最有效办法。功分滤波器作为一种功能集成的无源元件，受到了学术研究者的广泛关注。
文献1[F.J.Chen,L.S.Wu,L.F.Qiu,and J.F.Mao,“A four-way microstripfiltering power divider with frequency-dependent couplings,”IEEETrans.Microw.Theory Techn.,vol.63,no.10,pp.3494–3504,Oct.2015.]提出了一种微带线型的四功分滤波器，然而，其不具备宽阻带性能，带内的隔离水平欠佳。
文献2[H.Zhu,A.M.Abbosh and L.Guo,“Wideband four-way filtering powerdivider with sharp selectivity and wide stopband using looped coupled-linestructures,”IEEE Microw.Wireless Compon.Lett.,vol.26,no.6,pp.413-415,Jun.2016.]提出了一种具有宽阻带性能的功分滤波器，然而，其插损大、选择性差的问题限制了该功分滤波器的广泛应用。
文献3[C.Zhu,J.Xu and W.Wu,“Microstrip four-way reconfigurable single/dual/wide-band filtering power divider with tunable frequency,bandwidth,andPDR,”IEEE Trans.Ind.Electron.vol.PP,Apr.2018.]基于四个多模谐振器，设计了一款宽阻带特性的可重构四功分滤波器，但是其谐振器数量决定了其电路尺寸偏大，不利于实际应用。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是：
本发明的目的在于提供一种具备全新拓扑结构的宽带四功分滤波器。
本发明为解决上述技术问题采用以下技术方案：
本发明提出一种新型的宽带四功分滤波器，包括下表面设有金属接地板的矩形介质基板，在所述矩形介质基板的上表面设有输入端口馈线、第一输出端口馈线、第二输出端口馈线3、第三输出端口馈线、第四输出端口馈线、第一耦合输出线、第二耦合输出线、第三耦合输出线和第四耦合输出线。在所述第二输出端口馈线与输入端口馈线之间设有第一多模谐振器，在所述第四输出端口馈线与输入端口馈线之间设有第二多模谐振器。在所述第一多模谐振器和第二多模谐振器之间设有第一隔离电阻，在所述第一耦合输出线与第二耦合输出线之间设有第二隔离电阻，在所述第三耦合输出线与第四耦合输出线之间设有第三隔离电阻。
如前所述的一种新型的宽带四功分滤波器，进一步地：
所述输入端口馈线包括输入50欧姆微带线导带和输入耦合线，所述输入50欧姆微带线导线的输入端位于矩形介质基板的一个长边，其输出端与输入耦合线的一端相连，所述输入耦合线的自由端指向矩形介质基板的另一长边。
如前所述的一种新型的宽带四功分滤波器，进一步地：
所述第一输出端口馈线包括第一50欧姆微带线导带和第一耦合输出线，所述第一50欧姆微带线导带一端位于矩形介质基板的两相邻垂直边的短边，另一端与呈I型的第一耦合输出线的一端面相接，所述第一耦合输出线与矩形介质基板的垂直相邻的长边平行。
如前所述的一种新型的宽带四功分滤波器，进一步地：
所述第二输出端口馈线包括第二50欧姆微带线导带和第二耦合输出线，所述第二50欧姆微带线导带一端位于矩形介质基板的两相邻垂直边的长边，另一端与呈L型弯折的第二耦合输出线的短边端面相接，所述第二耦合输出线的L型长边与矩形介质基板的垂直相邻的长边平行，并指向矩形介质基板的右侧短边。
如前所述的一种新型的宽带四功分滤波器，进一步地：
所述第三输出端口馈线包括第一50欧姆微带线导带和第一耦合输出线，所述第一50欧姆微带线导带一端位于矩形介质基板的两相邻垂直边的短边，另一端与呈I型的第一耦合输出线的一端面相接，所述第一耦合输出线与矩形介质基板的垂直相邻的长边平行。
如前所述的一种新型的宽带四功分滤波器，进一步地：
所述第四输出端口馈线包括第四50欧姆微带线导带和第四耦合输出线，所述第四50欧姆微带线导带一端位于矩形介质基板的两相邻垂直边的长边，另一端与呈L型弯折的第四耦合输出线的短边端面相接，所述第四耦合输出线的L型长边与矩形介质基板的垂直相邻的长边平行，并指向矩形介质基板的左侧短边。
如前所述的一种新型的宽带四功分滤波器，进一步地：
所述第一多模谐振器在第二输出端口馈线和输入端口馈线之间；所述第一多模谐振器包括第一二分之一波长谐振器、第一枝节加载单元和第二枝节加载单元；所述第一枝节加载单元加载于呈L型弯折的第一二分之一波长谐振器的转角处，所述第二枝节加载单呈轴对称的山字型，加载于第一枝节加载单元的一端；所述第一多模谐振器关于第一枝节加载单元和第二枝节加载单元共同的对称轴呈轴对称；所述第一多模谐振器与第二多模谐振器关于输入端口馈线的对称轴呈轴对称。
如前所述的一种新型的宽带四功分滤波器，进一步地：
所述第二多模谐振器在第四输出端口馈线和输入端口馈线之间；所述第二多模谐振器包括第二二分之一波长谐振器、第三枝节加载单元和第四枝节加载单元，所述第三枝节加载单元加载于呈L型弯折的第二二分之一波长谐振器的转角处，所述第四枝节加载单元呈轴对称的山字型，加载于第三枝节加载单元的一端；所述第二多模谐振器关于第三枝节加载单和第四枝节加载单元共同的对称轴呈轴对称；所述第二多模谐振器与第一多模谐振器关于输入端口馈线的对称轴呈轴对称。
如前所述的一种新型的宽带四功分滤波器，进一步地：
所述矩形介质基板9厚度为0.508mm的长方体。
本发明采用以上技术方案与现有技术相比，具有以下技术效果：
(1)本发明的结构紧凑，可在单片PCB板上实现，便于加工集成，生产成本低。
(2)本发明利用多模谐振器的谐振机理和主传输线的电场分布特性，具备结构紧凑、损耗低、选择性高、及良好的带外抑制性能。
(3)本发明具备全新的拓扑结构，在减少谐振器数量(N阶功分滤波响应的实现往往需要2N阶谐振单元，本发明的谐振器数量减少了一半)的同时实现了功率分配及宽带滤波响应功能。
(4)本发明利用隔离电阻，隔离度好，适用于现代无线通信系统。
附图说明
图1是本发明一种新型的宽带四功分滤波器的立体结构示意图。
图2是图1的俯视图。
图3是实施例1的结构尺寸示意图。
图4是实施例1的S参数仿真图。
图5是实施例1的四个输出端口的匹配特性和隔离特性S参数仿真图。
图例：1-输入端口馈线；2-第一输出端口馈线；3-第二输出端口馈线；4-第三输出端口馈线；5-第四输出端口馈线；6-第一多模谐振器；7-第二多模谐振器；8-金属接地板；9-矩形介质基板；R1-第一隔离电阻；R2-第二隔离电阻；R3-第三隔离电阻；
11-50欧姆微带线导带；12-输入耦合线；
21-第一50欧姆微带线导带；22-第一耦合输出线；
31-第二50欧姆微带线导带；32-第二耦合输出线；
41-第二50欧姆微带线导带；42-第二耦合输出线；
51-第二50欧姆微带线导带；62-第二耦合输出线；
61-第一二分之一波长谐振器；62-第一枝节加载单元；63-第二枝节加载单元；
71-第二二分之一波长谐振器；72-第三枝节加载单元；74-第四枝节加载单元。
具体实施方式
下面结合附图对本发明的技术方案做进一步的详细说明：
本技术领域技术人员可以理解的是，除非另外定义，这里使用的所有术语(包括技术术语和科学术语)具有与本发明所属领域中的普通技术人员的一般理解相同的意义。还应该理解的是，诸如通用字典中定义的那些术语应该被理解为具有与现有技术的上下文中的意义一致的意义，并且除非像这里一样定义，不会用理想化或过于正式的含义来解释。
如图1、图2所示，本发明一种新型的宽带四功分滤波器，包括下表面设有金属接地板8的矩形介质基板9，在所述矩形介质基板9的上表面设有输入端口馈线1、第一输出端口馈线2、第二输出端口馈线3、第三输出端口馈线4、第四输出端口馈线5、第一耦合输出线22、第二耦合输出线32、第三耦合输出线42和第四耦合输出线52；在所述第二输出端口馈线3与输入端口馈线1之间设有第一多模谐振器6，在所述第四输出端口馈线5与输入端口馈线1之间设有第二多模谐振器7；在所述第一多模谐振器6和第二多模谐振器7之间设有第一隔离电阻R1，在所述第一耦合输出线22与第二耦合输出线32之间设有第二隔离电阻R2，在所述第三耦合输出线42与第四耦合输出线52之间设有第三隔离电阻R3；所述新型的宽带四功分滤波器关于输入端口馈线(1)的对称轴呈轴对称。
所述输入端口馈线1包括输入50欧姆微带线导带11和输入耦合线12，所述输入50欧姆微带线导线11的输入端位于矩形介质基板9的一个长边，其输出端与输入耦合线12的一端相连，所述输入耦合线12的自由端指向多边形介质基板9的另一长边。
所述第一输出端口馈线2包括第一50欧姆微带线导带21和第一耦合输出线22，所述第一50欧姆微带线导带21一端位于矩形介质基板9的两相邻垂直边的短边，另一端与呈I型的第一耦合输出线22的一端面相接，所述第一耦合输出线22与矩形介质基板9的垂直相邻的长边平行。
所述第二输出端口馈线3包括第二50欧姆微带线导带31和第二耦合输出线32，所述第二50欧姆微带线导带31一端位于矩形介质基板9的两相邻垂直边的长边，另一端与呈L型弯折的第二耦合输出线32的短边端面相接，所述第二耦合输出线32的L型长边与矩形介质基板9的垂直相邻的长边平行，并指向矩形介质基板9的右侧短边。
所述第三输出端口馈线4包括第一50欧姆微带线导带41和第一耦合输出线42，所述第一50欧姆微带线导带41一端位于矩形介质基板9的两相邻垂直边的短边，另一端与呈I型的第一耦合输出线42的一端面相接，所述第一耦合输出线42与矩形介质基板9的垂直相邻的长边平行。
所述第四输出端口馈线5包括第四50欧姆微带线导带51和第四耦合输出线52，所述第四50欧姆微带线导带51一端位于矩形介质基板9的两相邻垂直边的长边，另一端与呈L型弯折的第四耦合输出线52的短边端面相接，所述第四耦合输出线52的L型长边与矩形介质基板9的垂直相邻的长边平行，并指向矩形介质基板9的左侧短边。
所述第一多模谐振器6在第二输出端口馈线3和输入端口馈线1之间；所述第一多模谐振器6包括第一二分之一波长谐振器61、第一枝节加载单元62和第二枝节加载单元63；所述第一枝节加载单元62加载于呈L型弯折的第一二分之一波长谐振器61的转角处，所述第二枝节加载单元63呈轴对称的山字型，加载于第一枝节加载单元62的一端；所述第一多模谐振器6关于第一枝节加载单元62和第二枝节加载单元63共同的对称轴呈轴对称；所述第一多模谐振器6与第二多模谐振器7关于输入端口馈线1的对称轴呈轴对称。所述第二多模谐振器7在第四输出端口馈线5和输入端口馈线1之间；所述第二多模谐振器7包括第二二分之一波长谐振器71、第三枝节加载单元72和第四枝节加载单元73，所述第三枝节加载单元72加载于呈L型弯折的第二二分之一波长谐振器71的转角处，所述第四枝节加载单元73呈轴对称的山字型，加载于第三枝节加载单元72的一端；所述第二多模谐振器7关于第三枝节加载单元72和第四枝节加载单元73共同的对称轴呈轴对称；所述第二多模谐振器7与第一多模谐振器6关于输入端口馈线1的对称轴呈轴对称。
所述矩形介质基板9厚度为0.508mm的长方体。
下面结合附图叙述本发明的原理。本发明所述的一种新型的宽带四功分滤波器中，多模谐振器6和多模谐振器7的二分之一波长谐振器61及71的长度和宽度决定了通带的位置，调节枝节加载单元62、63、72、73的长度和宽度可以改变通带的带宽以及平坦度，输入耦合线12和二分之一波长谐振器61、71之间的耦合间距以及耦合输出线22、32、42、52分别与二分之一波长谐振器61及71之间的耦合间距对耦合强度影响较大，间距越小耦合强度越大；此外，隔离电阻R1、R2和R3对输出端口的隔离度影响较大，调节隔离电阻阻值的大小，可获得最佳隔离度。
本发明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，结构简单，可在单片PCB板上实现，便于加工集成，生产成本低。同时，利用多模谐振器和二分之一波长耦合线场分布特性，获得良好的功率分配特性和滤波特性，通过巧妙的设置隔离电阻，获得了良好的端口隔离特性。由于本发明的新型宽带四功分滤波器选择性高、插入损耗小、带外抑制性能好，适用于现代无线通信系统。
下面结合实施例对本发明作进一步详细描述。
实施例1
一种新型的宽带四功分滤波器的结构如图1所示，俯视图如图2所示，有关尺寸规格如图3所示。所采用的介质基板9的相对介电常数为3.55，厚度为0.508mm，损耗角正切为0.0027。结合图3，宽带四功分滤波器的各尺寸参数如下：L1＝24.6mm,L2＝17.3mm,L31＝9.7mm,L32＝12.6mm,L4＝3mm,L5＝3mm,L6＝21.6mm,L50＝5mm,Lf1＝2.2mm,Lf2＝2.2mm,Lf3＝2.2mm,W50＝1.18mm,W1＝0.48mm,W2＝3mm,W31＝0.3mm,W32＝0.15mm,g1＝0.16mm,g2＝0.17mm,R1＝460Ω，R2＝250Ω，R3＝250Ω。
本实施例中，所述宽带四功分滤波器是在电磁仿真软件HFSS.17.0中建模仿真的，所述宽带四功分滤波器的实物测试是在Agilent N5244A网络分析仪中测试的。图4是本实例中宽带四功分滤波器的S参数仿真及实物波形图，并附有加工实物，从图中可以看出，该宽带四功分滤波器的通带中心频率为2.1GHz，相对带宽47.6％，通带内回波损耗优于16.1dB，最小插入损耗为7dB。通带外两个传输零点使得该实例宽带功分滤波器具有很好的频率选择性和二次谐波抑制性。
图5和图6是本实例中宽带四功分滤波器的功率输出端口匹配特性和隔离特性的S参数仿真和实物测试图，其中，1为输入端口馈线；2为第一输出端口馈线；3为第二输出端口馈线；4为第三输出端口馈线；5为第四输出端口馈线，与之前的附图一一对应。从图中可以看出，该实例宽带四功分滤波器通带内的输出端口隔离度好于20.2dB。
基于上述背景，本发明提出了一种新型的宽带四功分滤波器，结合多模谐振器的谐振机理，利用输入耦合线(二分之一波长耦合线)的场分布原理，实现功率分配和滤波功能的集成，同时，巧妙的设计隔离电阻的位置，实现了一种宽阻带、结构紧凑、损耗低、选择性高、隔离度好以及具有良好的带外抑制特性的一种新型的宽带四功分滤波器，该宽带四功分滤波器非常适用于现代无线通信系统的应用。以上所述仅是本发明的部分实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。
Claims (7)
1.一种新型的宽带四功分滤波器，其特征在于：包括下表面设有金属接地板(8)的矩形介质基板(9)，在所述矩形介质基板(9)的上表面设有输入端口馈线(1)、第一输出端口馈线(2)、第二输出端口馈线(3)、第三输出端口馈线(4)、第四输出端口馈线(5)、第一耦合输出线(22)、第二耦合输出线(32)、第三耦合输出线(42)和第四耦合输出线(52)；在所述第二输出端口馈线(3)与输入端口馈线(1)之间设有第一多模谐振器(6)，在所述第四输出端口馈线(5)与输入端口馈线(1)之间设有第二多模谐振器(7)；在所述第一多模谐振器(6)和第二多模谐振器(7)之间设有第一隔离电阻(R1)，在所述第一耦合输出线(22)与第二耦合输出线(32)之间设有第二隔离电阻(R2)，在所述第三耦合输出线(42)与第四耦合输出线(52)之间设有第三隔离电阻(R3)；所述新型的宽带四功分滤波器关于输入端口馈线(1)的对称轴呈轴对称；
所述第一多模谐振器(6)在第二输出端口馈线(3)和输入端口馈线(1)之间；所述第一多模谐振器(6)包括第一二分之一波长谐振器(61)、第一枝节加载单元(62)和第二枝节加载单元(63)；所述第一枝节加载单元(62)加载于呈L型弯折的第一二分之一波长谐振器(61)的转角处，所述第二枝节加载单元(63)呈轴对称的山字型，加载于第一枝节加载单元(62)的一端；所述第一多模谐振器(6)关于第一枝节加载单元(62)和第二枝节加载单元(63)共同的对称轴呈轴对称；所述第一多模谐振器(6)与第二多模谐振器(7)关于输入端口馈线(1)的对称轴呈轴对称；
所述第二多模谐振器(7)在第四输出端口馈线(5)和输入端口馈线(1)之间；所述第二多模谐振器(7)包括第二二分之一波长谐振器(71)、第三枝节加载单元(72)和第四枝节加载单元(73)，所述第三枝节加载单元(72)加载于呈L型弯折的第二二分之一波长谐振器(71)的转角处，所述第四枝节加载单元(73)呈轴对称的山字型，加载于第三枝节加载单元(72)的一端；所述第二多模谐振器(7)关于第三枝节加载单元(72)和第四枝节加载单元(73)共同的对称轴呈轴对称；所述第二多模谐振器(7)与第一多模谐振器(6)关于输入端口馈线(1)的对称轴呈轴对称。
2.根据权利要求1所述的一种新型的宽带四功分滤波器，其特征在于：所述输入端口馈线(1)包括输入50欧姆微带线导带(11)和输入耦合线(12)，所述输入50欧姆微带线导线(11)的输入端位于矩形介质基板(9)的一个长边，其输出端与输入耦合线(12)的一端相连，所述输入耦合线(12)的自由端指向矩形介质基板(9)的另一长边。
3.根据权利要求1所述的一种新型的宽带四功分滤波器，其特征在于：所述第一输出端口馈线(2)包括第一50欧姆微带线导带(21)和第一耦合输出线(22)，所述第一50欧姆微带线导带(21)一端位于矩形介质基板(9)的两相邻垂直边的短边，另一端与呈I型的第一耦合输出线(22)的一端面相接，所述第一耦合输出线(22)与矩形介质基板(9)的垂直相邻的长边平行。
4.根据权利要求1所述的一种新型的宽带四功分滤波器，其特征在于：所述第二输出端口馈线(3)包括第二50欧姆微带线导带(31)和第二耦合输出线(32)，所述第二50欧姆微带线导带(31)一端位于矩形介质基板(9)的两相邻垂直边的长边，另一端与呈L型弯折的第二耦合输出线(32)的短边端面相接，所述第二耦合输出线(32)的L型长边与矩形介质基板(9)的垂直相邻的长边平行，并指向矩形介质基板(9)的右侧短边。
5.根据权利要求1所述的一种新型的宽带四功分滤波器，其特征在于：所述第三输出端口馈线(4)包括第一50欧姆微带线导带(41)和第一耦合输出线(42)，所述第一50欧姆微带线导带(41)一端位于矩形介质基板(9)的两相邻垂直边的短边，另一端与呈I型的第一耦合输出线(42)的一端面相接，所述第一耦合输出线(42)与矩形介质基板(9)的垂直相邻的长边平行。
6.根据权利要求1所述的一种新型的宽带四功分滤波器，其特征在于：所述第四输出端口馈线(5)包括第四50欧姆微带线导带(51)和第四耦合输出线(52)，所述第四50欧姆微带线导带(51)一端位于矩形介质基板(9)的两相邻垂直边的长边，另一端与呈L型弯折的第四耦合输出线(52)的短边端面相接，所述第四耦合输出线(52)的L型长边与矩形介质基板(9)的垂直相邻的长边平行，并指向矩形介质基板(9)的左侧短边。
7.根据权利要求1所述的一种新型的宽带四功分滤波器，其特征在于：所述矩形介质基板(9)厚度为0.508mm的长方体。
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2018
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Also Published As
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