CN109818120A - 一种多端口滤波功分器的构建方法 - Google Patents

Abstract

本发明多端口滤波功分器的构建方法，步骤包括：根据所需的滤波性能指标，和输出端的个数以及输出端的功分比，选定滤波阶数，确定功分器的拓扑结构；调节各输出端的外部品质因数和相邻阶谐振器之间的耦合系数，使滤波功分器各输出端的功分比达到设计要求；根据滤波器输入端的外部品质因数调整滤波功分器输入端的馈线维度，根据滤波功分器各输出端的外部品质因数分别调整各个输出端的馈线维度，根据耦合系数调整谐振腔之间的耦合窗的宽度。本发明发构建的多端口滤波功分器，其拓扑结构具有灵活性、成本效率高、设计过程简单等优点，是当前和未来MIMO系统中多路径操作的一种很好的选择。

Description

一种多端口滤波功分器的构建方法

技术领域

本发明涉及无线通信技术领域，特别涉及多端口滤波功分器的设计方法。

背景技术

在3G、LTE、WLAN等多种无线通信系统中，采用多天线是提高系统效率和可靠性的有效途径，根据信息论的原理，天线的数目越多，效率和可靠性就越高。因此，这项技术引起了未来通信系统的极大关注。对于发射机和接收机中的这些多信道，如何在特定的通带内实现所需的功率分配是一个无法回避的问题。

多端口功分器是MIMO馈电网络中最重要的一部分，它基于例如微带线，金属波导，基片集成波导(SIW)和介质谐振器(DR)等的多种技术而不断发展。

其中1分N功分器的拓扑结构可以分为两大类，一类是直接将功率分配给负载的，另一类是不直接分配给负载的。前者具有很高的分配效率(如径向结构)，因为功率不需要经过分配的几个步骤。后者根据各种设计理论，包括树、链、多边形和其它结构，其中最著名的是威尔金森拓扑。近几十年来，相等功率分配的多端口功分器得到了广泛的发展。同时，在波束形成系统中也需要也需要不等功分比来获得更好的方向性。当天线阵列采用不等分的功分器进行馈电时，可以有效地减小旁瓣。

滤波功分器的融合设计，是将两个相邻功能的器件(滤波器和功分器)集成到一个电路中，这也是近年来学术界和工业界的研究热点。与传统的级联方法进行比较，融合设计方法不仅可以有效地减小规模和成本，而且还可以防止连接丢失。相应地，几种滤波功分器在过去几年中得到了广泛的发展。其中大部分是基于威尔金森概念的1分2滤波器来实现的。为了适应未来无线通信系统对多径运算的需求，近年来出现了一些多端口滤波功分器的报道。主流的设计方法通常可以分为两种类型：第一种在传统的威尔金森功分器中引入耦合滤波结构。在这种方法中，可以通过调整耦合电平来达到所需的功分比，但是很少提及之前输出端口的大量工作。第二种方法是直接使用耦合谐振器，流行的设计理论基于奇偶模理论和耦合矩阵的综合。虽然以上两种理论的设计方法都清晰明了，但是对于通用性强，容易设计出多端口(大于8)的具有任意功分比的滤波功分网络还没有进行深入研究。

在这种方法中，可以通过调整耦合电平来达到所需的功分比，但是很少提及之前输出端口的大量工作。第二种方法是直接使用耦合谐振器，流行的设计理论基于奇偶模理论和耦合矩阵的综合。虽然以上两种理论的设计方法都清晰明了，但是对于通用性强，容易设计出多端口(大于8)的具有任意功分比的滤波功分网络还没有进行深入研究。

发明内容

本发明的目的在于：克服上述现有技术的缺陷，提出一种多端口滤波功分器的构建方法，通过调节各输出端的外部品质因数和相邻阶谐振器之间的耦合系数来实现个输出端的功分比，具有较强的灵活性和通用性。

为了达到上述目的，本发明提出的一种多端口滤波功分器的构建方法，其特征在于，步骤包括：

步骤1、根据所需的滤波性能指标，和输出端的个数N以及输出端的功分比，选定滤波阶数n，n≥2，确定功分器的拓扑结构，该拓扑结构包含谐振器之间的连接关系以及与最后一阶谐振器相耦合的输出端数量，并计算低通滤波器原型的输入端和输出端的外部品质因数，以及低通滤波器原型的相邻谐振器之间的耦合系数；

步骤2、调节各输出端的外部品质因数和相邻阶谐振器之间的耦合系数，以满足下述公式：

式中，α₁∶α₂∶...∶α_i∶...∶α_N为滤波功分器各输出端的功分比，P_i为第i个输出端至源端路径上各相邻阶谐振器之间的耦合系数之积，Q_eLi为第i个输出端的外部品质因数；

调节相邻阶谐振器之间的耦合系数时，受到下述条件的约束：p阶谐振器与p-1阶谐振器之间的耦合系数的平方和等于所述低通滤波器原型的p阶谐振器与p-1阶谐振器之间的耦合系数的平方，2≤p≤n；调节各输出端的外部品质因数时，受到下述条件的约束：各输出端的外部品质因数的倒数之和等于低通滤波器原型输出端的外部品质因数的倒数；；

步骤3：根据滤波器输入端的外部品质因数Q_eLi调整滤波功分器输入端的馈线维度，根据滤波功分器各输出端的外部品质因数Q_eLi分别调整各个输出端的馈线维度，根据耦合系数调整谐振腔之间的耦合窗的宽度。

此外，本发明还提供了一种多端口滤波功分器，包括：尺寸和介电常数相同的M个谐振器，其中一个谐振器(A)耦合一个输入端，其余谐振器(B)耦合多个输出端，M≥3，谐振器(A)和谐振器(B)之间具有耦合窗，所述输入端和输出端均包括馈线和用于与外部通讯设备相连的接头，馈线固定设置在相应谐振器旁侧并与谐振器耦合，接口与馈线对应连接；馈线维度以及耦合窗的宽度根据上述构建方法进行构建。

本发明提出了一种具有任意功分比的多端口滤波功分器的通用设计方法，适用于单端/平衡电路或混合电路的设计。在一个具体的通带中，功率分配主要是依靠耦合系数和外部品质因素这两个关键因素来实现。在对带通响应进行综合后，可以确定各个功分比总的输入/输出外部品质因素和总的耦合系数。随后，根据所需要的功分比，可以方便地确定两个耦合谐振器的耦合系数和每个输出端口的品质因素。一旦滤波响应的参数确定，就可以通过外部品质因素来确定功分比，同时不会影响滤波响应，因此，带通和功率分配这两个功能可以独立设计，这为设计具有任意阶滤波和输出端口数的多端口滤波功分器提供了极大的自由度。该拓扑结构具有灵活性、成本效率高、设计过程简单等优点，是当前和未来MIMO系统中多路径操作的一种很好的选择。

本发明多端口滤波功分器的构建方法的通用性体现在以下三个方面：

第一，基于耦合系数和外部品质因素的组合拓扑结构可以用来构造具有任意结构的滤波功分器。

第二，该方法适用于单端/平衡电路或混合电路的设计。

第三，该方法可用于实现任意功分比。综述，以上特性可以提高整体设计的效率。

附图说明

下面结合附图对本发明作进一步的说明。

图1是一种18路滤波功分器的拓扑结构。

图2是9路滤波功分器的拓扑结构。

图3是9路滤波功分器的三维视图。

图4是9路滤波功分器幅频响应的仿真结果。

图5是9路滤波功分器幅频响应的实测结果。

图6是8路滤波功分器的拓扑结构。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例对本发明做进一步说明。

下面以如图1所示的多端口三阶滤波功分器为例，对本发明的构建方法进行说明。本发明实施例多端口滤波功分器的构建方法，步骤包括：

步骤1、根据所需的滤波性能指标，和输出端的个数N＝18以及输出端的功分比，选定滤波阶数n＝3，确定功分器的拓扑结构(如图1所示)，该拓扑结构包含谐振器R1-R12之间的连接关系以及与最后一阶谐振器相耦合的输出端数量，并计算低通滤波器原型的输入端和输出端的外部品质因数，以及低通滤波器原型的相邻谐振器之间的耦合系数。引入低通滤波器原型的意义在于：求得用于第二步计算所需的输入端和输出端外部品质因数，以及谐振器之间的耦合系数(便于第2步各分支上相邻谐振器之间的耦合系数的分解)。本发明方法特别适用于多叉树拓扑结构的功分器构建。

步骤2、调节各输出端的外部品质因数和相邻阶谐振器之间的耦合系数，以满足下述公式：

式中，α₁∶α₂∶...∶α_i∶...∶α_N为滤波功分器各输出端的功分比，即输出端L₁的功率：输出端L₂的功率：...输出端L₁₈的功率＝α₁∶α₂∶...∶α_i∶...∶α₁₈，P_i为第i个输出端至源端路径上各相邻阶谐振器之间的耦合系数之积，Q_eLi为第i个输出端的外部品质因数。以P₁为例，假设谐振器R1与R2之间的耦合系数为k1，谐振器R2与R5之间的耦合系数为k2，则P₁＝k1*k2，据此可知，P₁＝P₂＝P₃，对于最后一阶谐振器而言，与其相关的P_i都相等。

调节相邻阶谐振器之间的耦合系数时，受到下述条件的约束：p阶谐振器与p-1阶谐振器之间的耦合系数的平方和等于所述低通滤波器原型的p阶谐振器与p-1阶谐振器之间的耦合系数的平方，2≤p≤n。调节各输出端的外部品质因数时，受到下述条件的约束：各输出端的外部品质因数的倒数之和等于低通滤波器原型输出端的外部品质因数的倒数。

步骤3：根据滤波器输入端的外部品质因数Q_eLi调整滤波功分器输入端的馈线维度，根据滤波功分器各输出端的外部品质因数Q_eLi分别调整各个输出端的馈线维度，根据耦合系数调整谐振腔之间的耦合窗的宽度。

本步骤的具体内容如下：

通过仿真软件，计算馈线可能的维度变化所对应的外部品质因数，并画出变化曲线；以及计算耦合窗口可能的宽度变化所对应的谐振器之间的耦合系数，并画出变化曲线；

根据计算得到滤波器输入端的外部品质因数Q_es，通过查图表的方法找到变化曲线中对应的所有的馈线维度，并从中选择一个作为输入端的馈线维度；

针对计算得到的各输出端的外部品质因数Q_eLi，分别通过查图表的方法找到变化曲线中对应的所有的馈线维度，并从中选择一个作为第i个输出端的馈线维度；所述馈线维度包括：馈线长度、馈线高度以及馈线与介质谐振器的间距；

根据计算得到相邻谐振器之间的耦合系数，通过查图表的方法找到变化曲线中对应的相邻两个谐振腔之间的耦合窗的宽度。

如图2、3所示，为使用本发明方法构建的9路介质滤波功分器的拓扑结构及三维视图。该多端口滤波功分器包括：金属腔体，尺寸和介电常数相同的4个环形介质谐振器R1、R2、R3、R4，金属腔体具有4个谐振腔以及谐振腔之间的耦合窗，四个谐振器分别对应的放置于谐振腔内，谐振器R1耦合1个输入端，谐振器R2、R3、R4均耦合3个输出端。输入端和输出端均包括馈线和用于与外部通信设备相连的接头，馈线固定设置在相应的介质谐振器旁侧并与介质谐振器耦合，接头设置在金属腔体的外壁上且与馈线对应连接，馈线维度以及耦合窗的宽度根据上述的方法进行构建。

本例中介质谐振器腔体积为a×a×b＝46×46×32mm³，环形介质谐振器的尺寸为内径8mm，外径32mm，高度13mm。所使用介质谐振器的介电常数和损耗正切角分别为38和2.5×10^-42.5。为了有效激发主模(TE_01δ模)，该介质谐振器被放置在直径为19.5mm、高度为7mm的圆柱形支架(AI₂O₃)上。原滤波器(低通原型)的耦合系数和外部品质因数分别为0.0107和111.1。本例中，每个端口的功率相等，即输出端的功分比为1∶1∶...∶1，在这种情况下，每个端口的外部品质因数应相等，相邻阶谐振器之间的耦合系数也相等。如图4是本实施例9路滤波功分器幅频响应的仿真结果。图5是本实施例9路滤波功分器幅频响应的实测结果。它们具有较好的一致性。实验是在Agilent N5230C PNA-L网络分析仪上完成的。测量的通带位于1.74GHz左右，测量的带内插入损耗均优于(-9.5-0.7)dB，回波损耗均优于25dB，仿真和测量的差异在0.6dB以内，所有的输出都是同相的，比较图4和5的结果，测量和模拟的响应之间的微小差异主要是由于加工和装配的误差所致。

为了说明组合拓扑结构在不等功率分配中的应用，本发明还设计了一种1分8的滤波功率分配器，拓扑结构见图6，其分配比为4∶2∶1∶1∶4∶2∶1∶1，如图6所示，它由一个1分2的树型拓扑和两个1分4的分配比为4∶2∶1∶1的星型拓扑组成。在这种情况下，树的子结构的耦合系数相等。根据功率分配比和耦合系数，输出端口的外部品质因数的比值应为1∶2∶4∶4∶1∶2∶4∶4。

本发明介绍了任意功分比的多端口滤波分频器的拓扑结构和设计方法，并给出了通用的解决方案。提出了一种适用于单端/平衡电路或混合电路设计的组合拓扑结构。与传统的二叉树型拓扑结构相比，所需谐振器的数量显著减少，且设计过程更加灵活。本发明分析了在指定的通带中进一步实现功率分配的两个关键因素，即耦合系数和外部品质因数。功率分配和带通响应的设计是相互独立的。可见，本方法适用于紧凑型设计，并简化了设计过程,使其在许多实际MIMO应用中具有一定的应用价值。

除上述实施例外，本发明还可以有其他实施方式。凡采用等同替换或等效变换形成的技术方案，均落在本发明要求的保护范围。

Claims (7)

1.一种多端口滤波功分器的构建方法，其特征在于，步骤包括：

步骤1、根据所需的滤波性能指标，和输出端的个数N以及输出端的功分比，选定滤波阶数n，n≥2，确定功分器的拓扑结构，该拓扑结构包含谐振器之间的连接关系以及与最后一阶谐振器相耦合的输出端数量，并计算低通滤波器原型的输入端和输出端的外部品质因数，以及低通滤波器原型的相邻谐振器之间的耦合系数；

步骤2、调节各输出端的外部品质因数和相邻阶谐振器之间的耦合系数，以满足下述公式：

式中，α₁:α₂:…:α_i:…:α_N为滤波功分器各输出端的功分比，P_i为第i个输出端至源端路径上各相邻阶谐振器之间的耦合系数之积，Q_eLi为第i个输出端的外部品质因数；

调节相邻阶谐振器之间的耦合系数时，受到下述条件的约束：p阶谐振器与p-1阶谐振器之间的耦合系数的平方和等于所述低通滤波器原型的p阶谐振器与p-1阶谐振器之间的耦合系数的平方，2≤p≤n；调节各输出端的外部品质因数时，受到下述条件的约束：各输出端的外部品质因数的倒数之和等于低通滤波器原型输出端的外部品质因数的倒数；

步骤3：根据滤波器输入端的外部品质因数Q_eLi调整滤波功分器输入端的馈线维度，根据滤波功分器各输出端的外部品质因数Q_eLi分别调整各个输出端的馈线维度，根据耦合系数调整谐振腔之间的耦合窗的宽度。

2.根据权利要求1所述的多端口滤波功分器的构建方法，其特征在：所述功分器的拓扑结构为多叉树拓扑结构。

3.根据权利要求1所述的多端口滤波功分器的构建方法，其特征在：所述的根据滤波器输入端的外部品质因数Q_eS调整滤波功分器输入端的馈线维度，根据滤波功分器各输出端的外部品质因数Q_eLi分别调整各个输出端的馈线维度，根据耦合系数调整谐振腔之间的耦合窗的宽度包括：

通过仿真软件，计算馈线可能的维度变化所对应的外部品质因数，并画出变化曲线；以及计算耦合窗口可能的宽度变化所对应的谐振器之间的耦合系数，并画出变化曲线；

根据计算得到滤波器输入端的外部品质因数Q_eS，通过查图表的方法找到变化曲线中对应的所有的馈线维度，并从中选择一个作为输入端的馈线维度；

针对计算得到的各输出端的外部品质因数Q_eLi，分别通过查图表的方法找到变化曲线中对应的所有的馈线维度，并从中选择一个作为第i个输出端的馈线维度；

根据计算得到相邻谐振器之间的耦合系数，通过查图表的方法找到变化曲线中对应的相邻两个谐振腔之间的耦合窗的宽度。

4.根据权利要求1所述的多端口滤波功分器的构建方法，其特征在：所述馈线维度包括：馈线长度、馈线高度以及馈线与介质谐振器的间距。

5.一种多端口滤波功分器，包括：尺寸和介电常数相同的M个谐振器，其中一个谐振器(A)耦合一个输入端，其余谐振器(B)耦合多个输出端，M≥3，谐振器(A)和谐振器(B)之间具有耦合窗，所述输入端和输出端均包括馈线和用于与外部通讯设备相连的接头，馈线固定设置在相应谐振器旁侧并与谐振器耦合，接口与馈线对应连接；馈线维度以及耦合窗的宽度根据权利要求1-4任一项所述的方法构建。

6.根据权利要求5所述的多端口滤波功分器，其特征在于：所述谐振器为环形介质谐振器，所述馈线包括一与所述环形介质谐振器的一横截面同心且度数小于90°的圆弧形部分。

7.根据权利要求6所述的基于介质谐振器的多端口滤波功分器，其特征在于，所述环形介质谐振器置于圆柱形支撑座上。