CN110098454B - 单体双路平衡式滤波器及射频前端电路 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种单体双路平衡式滤波器及射频前端电路，所述滤波器包括至少两层由下而上堆叠的印制电路板，每层印制电路板包括上金属层、介质板、下金属层和多个过孔，上金属层和下金属层分别设置在介质板的顶面和底面，多个过孔围成一个基片集成波导谐振腔；相邻的两层印制电路板中的基片集成波导谐振腔耦合在一起；最上层印制电路板的上金属层和最下层印制电路板的下金属层均设置有四条插入基片集成波导谐振腔的微带馈电线，且每条微带馈电线的末端设置有端口，每两条中心对称的微带馈电线的端口构成一对平衡式端口。本发明在一个滤波器中实现两路平衡式滤波器，减小了电路大小，并且能够实现两路平衡式滤波器之间的良好隔离。
Description
技术领域
本发明涉及一种滤波器，尤其是一种单体双路平衡式滤波器及射频前端电路，属于无线通信技术领域。
背景技术
随着无线通信技术的快速发展，高性能微波器件具有大量需求，滤波器是无线系统射频前端电路的重要组成器件，而平衡式电路对于干扰有高免疫。因此，集成了滤波器和平衡式电路的平衡式滤波器被大量研究。
由于价格低和结构相对简单，印制电路板微带结构被大量用于平衡式滤波器设计；另外，低温共烧陶瓷(Low Temperature Co-fired Ceramic，简称LTCC)技术也被广泛使用，由于低温共烧陶瓷的多层结构，电路的大小可以大幅减小。但是，印制电路板(PrintedCircuit Board，简称PCB)微带结构和低温共烧陶瓷存在Q值和功率容限低的缺点，无法被用于窄带的应用，否则所设计的平衡式滤波器的损耗会太大。由于高Q值的优点，介质谐振器被用来设计窄带平衡式滤波器，但其存在大小大，重量大，成本高的缺点。除了印制电路板、低温共烧陶瓷和介质谐振器(Dielectric Resonator，简称DR)技术，基片集成波导(Substrate Integrated Waveguide，简称SIW)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。
而目前对于基于基片集成波导的平衡式滤波器体积的减小主要是对单一平衡式滤波器进行小型化设计，基于基片集成波导的单体双路平衡式滤波器还没有相关记载。
发明内容
本发明的目的是为了解决上述现有技术的缺陷，提供了一种单体双路平衡式滤波器，该滤波器可以实现两路平衡式滤波器，减小了电路大小，并且能够实现两路平衡式滤波器之间的良好隔离。
本发明的另一目的在于提供一种包含上述滤波器的射频前端电路。
本发明的目的可以通过采取如下技术方案达到：
一种单体双路平衡式滤波器，包括至少两层由下而上堆叠的印制电路板，每层印制电路板包括上金属层、介质板、下金属层和多个过孔，所述上金属层和下金属层分别设置在介质板的顶面和底面，所述多个过孔围成一个基片集成波导谐振腔；相邻的两层印制电路板中的基片集成波导谐振腔耦合在一起；
最上层印制电路板的上金属层和最下层印制电路板的下金属层均设置有四条插入基片集成波导谐振腔的微带馈电线，且每条微带馈电线的末端设置有端口，每两条中心对称的微带馈电线的端口构成一对平衡式端口。
进一步的，所述相邻的两层印制电路板中，上层印制电路板的下金属层与下层印制电路板的上金属层相接触，且上层印制电路板的下金属层和下层印制电路板的上金属层均设置有耦合开槽。
进一步的，所述相邻的两层印制电路板中，上层印制电路板的耦合开槽和下层印制电路板的耦合开槽均为四个，且形状和大小相同；上层印制电路板的四个耦合开槽关于其下金属层的中心点对称；下层印制电路板的四个耦合开槽关于其上金属层的中心点对称。
进一步的，所述最上层印制电路板中，任意两条相邻的微带馈电线与上金属层中心点的连线呈90度夹角；
所述最下层印制电路板中，任意两条相邻的微带馈电线与下金属层中心点的连线呈90度夹角；
所述最上层印制电路板的四条微带馈电线与最下层印制电路板的四条微带馈电线为一一对应的关系，且最上层印制电路板的每条微带馈电线位于最下层印制电路板的对应微带馈电线正上方。
进一步的，所述最上层印制电路板的每条微带馈电线在最下层印制电路板的下金属层上的投影与最下层印制电路板对应的微带馈电线相交并垂直。
进一步的，每条微带馈电线为弯折形微带馈电线。
进一步的，每条微带馈电线包括相连的垂直段和倾斜段；
所述最上层印制电路板中，每条微带馈电线的垂直段垂直于上金属层的其中一个边缘处，每条微带馈电线的倾斜段插入基片集成波导谐振腔；
所述最下层印制电路板中，每条微带馈电线的垂直段垂直于下金属层的其中一个边缘处，每条微带馈电线的倾斜段插入基片集成波导谐振腔。
进一步的，所述基片集成波导谐振腔的横截面形状为圆形。
进一步的，所述基片集成波导谐振腔的横截面形状为偶数边的正多边形。
本发明的另一目的可以通过采取如下技术方案达到：
一种射频前端电路，包括上述的单体双路平衡式滤波器。
本发明相对于现有技术具有如下的有益效果：
1、本发明设置了至少两层印制电路板，各层印制电路板的基片集成波导谐振腔耦合在一起，最上层印制电路板的上金属层和最下层印制电路板的下金属层各设置了插入基片集成波导谐振腔的四条微带馈电线，每两条中心对称的微带馈电线的端口构成一对平衡式端口，实现了差分信号在两对平衡式端口中传输而与另外两对在正交位置的平衡式端口互不影响，得到了两路平衡式滤波器，即将两路平衡式滤波器融合成具有四对平衡式端口的单体双路平衡式滤波器，可以大幅减小体积，具有高集成度和良好滤波性能，与传统微带设计相比，所采用的基片集成波导谐振腔具有更高的Q值，可以实现更低的损耗。
2、本发明所需要的差分输入输出效果通过基片集成波导谐振腔的TE102和TE201正交简并模式所固有的反向电场分布特性得到，可以实现良好的共模抑制效果，由于不需要额外反向电路，简化了电路结构；由于基片集成波导谐振腔的TE102和TE201简并模式的正交特性，信号无法在两路平衡式滤波器之间相互传输，实现了良好的隔离。
附图说明
图1为本发明实施例1的单体双路平衡式滤波器的结构示意图。
图2为本发明实施例1的两路平衡式滤波器的共模和差模响应曲线图。
图3为本发明实施例1的两路平衡式滤波器之间的差模隔离曲线图。
其中，1-上层印制电路板，101-第一上金属层，1011-第一微带馈电线，1012-第二微带馈电线，1013-第三微带馈电线，1014-第四微带馈电线，102-第一介质板，103-第一下金属层，1031-第一耦合开槽，1032-第二耦合开槽，1033-第三耦合开槽，1034-第四耦合开槽，104-第一过孔，2-下层印制电路板，201-第二上金属层，2011-第五耦合开槽，2012-第六耦合开槽，2013-第七耦合开槽，2014-第八耦合开槽，202-第二介质板，203-第二下金属层，2031-第五微带馈电线，2032-第六微带馈电线，2033-第七微带馈电线，2034-第八微带馈电线，204-第二过孔，P1-第一端口，P2-第二端口，P3-第三端口，P4-第四端口，P5-第五端口，P6-第六端口，P7-第七端口，P8-第八端口。
具体实施方式
下面结合实施例及附图对本发明作进一步详细的描述，但本发明的实施方式不限于此。
实施例1：
如图1～图3所示，本实施例提供了一种单体双路平衡式滤波器，该滤波器可以应用于天线系统的射频前端电路，其包括两层印制电路板，两层印制电路板分别为上层印制电路板1和下层印制电路板2。
上层印制电路板1包括第一上金属层101、第一介质板102、第一下金属层103和多个第一过孔104，第一上金属层101和第一下金属层103分别设置在第一介质板102的顶面和底面，多个第一过孔104围成第一基片集成波导谐振腔；下层印制电路板2包括第二上金属层201、第二介质板202、第二下金属层203和多个第二过孔204，第二上金属层201和第二下金属层203分别设置在第二介质板202的顶面和底面，多个第二过孔204围成第二基片集成波导谐振腔；第一基片集成波导谐振腔与第二基片集成波导谐振腔耦合在一起。
为了实现第一基片集成波导谐振腔与第二基片集成波导谐振腔之间的耦合，上层印制电路板1的第一下金属层103与下层印制电路板2的第二上金属层201相接触，且第一下金属层103和第二上金属层201均设置有耦合开槽，通过耦合开槽实现第一基片集成波导谐振腔与第二基片集成波导谐振腔之间的耦合，通过控制耦合开槽的大小实现滤波器所需要的耦合系数。
进一步地，第一下金属层103和第二上金属层201设置的耦合开槽均为四个，且形状和大小相同，其中第一下金属层103的四个耦合开槽分别为第一耦合开槽1031、第二耦合开槽1032、第三耦合开槽1033和第四耦合开槽1034，第一耦合开槽1031、第二耦合开槽1032、第三耦合开槽1033和第四耦合开槽1034关于第一下金属层103的中心点对称；第二上金属层201的四个耦合开槽分别为第五耦合开槽2011、第六耦合开槽2012、第七耦合开槽2013和第八耦合开槽2014，第五耦合开槽2011、第六耦合开槽2012、第七耦合开槽2013和第八耦合开槽2014关于第二上金属层201的中心点对称。
由于本实施例的印制电路板只有两层，上层印制电路板1即为最上层印制电路板，下层印制电路板2即为最下层印制电路板，上层印制电路板1的第一上金属层101和下层印制电路板2的第二下金属层203均设置有四条微带馈电线，其中第一上金属层101的四条微带馈电线插入第一基片集成波导谐振腔，分别为第一微带馈电线1011、第二微带馈电线1012、第三微带馈电线1013和第四微带馈电线1014，第二下金属层203的四条微带馈电线插入第二基片集成波导谐振腔，分别为第五微带馈电线2031、第六微带馈电线2032、第七微带馈电线2033和第八微带馈电线2034。
进一步地，在上层印制电路板1中，任意两条相邻的微带馈电线与第一上金属层101中心点的连线呈90度夹角，设第一微带馈电线1011与第一上金属层101中心点的连线为第一连线，第二微带馈电线102与第一上金属层101中心点的连线为第二连线，第三微带馈电线1013与第一上金属层101中心点的连线为第三连线，第四微带馈电线1014与第一上金属层101中心点的连线为第四连线，第一连线与第三连线呈90度夹角，且第一连线与第四连线呈90度夹角，第二连线与第三连线呈90度夹角，且第二连线与第四连线呈90度夹角；在下层印制电路板2中，任意两条相邻的微带馈电线与第二下金属层203中心点的连线呈90度夹角，设第五微带馈电线2031与第二下金属层203中心点的连线为第五连线，第六微带馈电线2032与第二下金属层203中心点的连线为第六连线，第七微带馈电线2033与第二下金属层203中心点的连线为第七连线，第八微带馈电线2034与第二下金属层203中心点的连线为第八连线，第五连线与第七连线呈90度夹角，且第五连线与第八连线呈90度夹角，第六连线与第七连线呈90度夹角，且第六连线与第八连线呈90度夹角；第一微带馈电线1011与第五微带馈电线2031对应，且第一微带馈电线1011位于第五微带馈电线2031的正上方，第二微带馈电线1012与第六微带馈电线2032对应，且第二微带馈电线1012位于第六微带馈电线2032的正上方，第三微带馈电线1013与第七微带馈电线2033对应，且第三微带馈电线1013位于第七微带馈电线2033的正上方，第四微带馈电线1014与第八微带馈电线2034对应，且第四微带馈电线1014位于第八微带馈电线2034的正上方。
本实施例中，第一微带馈电线1011在第二下金属层203上的投影与第五微带馈电线2031相交并垂直，第二微带馈电线1012在第二下金属层203上的投影与第六微带馈电线2032相交并垂直，第三微带馈电线1013在第二下金属层203上的投影与第七微带馈电线2033相交并垂直，第四微带馈电线1014在第二下金属层203上的投影与第八微带馈电线2034相交并垂直。
优选地，每条微带馈电线为弯折形微带馈电线，其包括相连的垂直段和倾斜段，第一微带馈电线1011的垂直段垂直于第一上金属层101的左边缘处靠后的位置，第二微带馈电线1012的垂直段垂直于第一上金属层101的右边缘处靠前的位置，第三微带馈电线1013的垂直段垂直于第一上金属层101的前边缘处靠左的位置，第四微带馈电线1014的垂直段垂直于第一上金属层101的后边缘处靠右的位置，第五微带馈电线2031的垂直段垂直于第二下金属层203的后边缘处靠左的位置，第六微带馈电线2032的垂直段垂直于第二下金属层203的前边缘处靠右的位置，第七微带馈电线2033的垂直段垂直于第二下金属层203的左边缘处靠前的位置，第八微带馈电线2034的垂直段垂直于第二下金属层203的右边缘处靠后的位置；第一微带馈电线1011、第二微带馈电线1012、第三微带馈电线1013和第四微带馈电线1014的倾斜段插入第一基片集成波导谐振腔，第五微带馈电线2031、第六微带馈电线2032、第七微带馈电线2033和第八微带馈电线2034插入第二基片集成波导谐振腔。
进一步地，第一微带馈电线1011的末端设置有第一端口P1，第二微带馈电线1012的末端设置有第二端口P2，第五微带馈电线2031的末端设置有第三端口P3，第六微带馈电线2032的末端设置有第四端口P4，第三微带馈电线1013的末端设置有第五端口P5，第四微带馈电线1014的末端设置有第六端口P6，第七微带馈电线2033的末端设置有第七端口P7，第八微带馈电线2034的末端设置有第八端口P8，八个端口既作为输入端口，也可以作为输出端口；第一微带馈电线1011与第二微带馈电线1012中心对称，使得第一端口P1与第二端口P2构成第一对平衡式端口，第五微带馈电线2031与第六微带馈电线2032中心对称，使得第三端口P3与第四端口P4构成第二对平衡式端口，第三微带馈电线1013与第四微带馈电线1014中心对称，使得第五端口P5与第六端口P6构成第三对平衡式端口，第七微带馈电线2033与第八微带馈电线2034中心对称，使得第七端口P7与第八端口P8构成第四对平衡式端口，可见共设置了四对平衡式端口；当差分信号从其中一对平衡式端口输入时，差分信号仅能从与其平行的一对平衡式端口输出，而在其正交位置的另外两对平衡式端口无信号输出而实现了隔离；当共模信号从平衡式端口输入时，信号无法输出，实现很好的共模抑制效果；因此实现了差分信号在两对平衡式端口中传输而与另外两对在正交位置的平衡式端口互不影响，得到了两路平衡式滤波器。
本实施例的第一基片集成波导谐振腔与第二基片集成波导谐振腔的横截面均为圆形，第一基片集成波导谐振腔的大小设置为使得在平衡式滤波器通带的中心频率处第一基片集成波导谐振腔谐振于TE201和TE102正交简并模式，第二基片集成波导谐振腔的大小设置为使得平衡式滤波器通带的中心频率处第二基片集成波导谐振腔谐振于TE201和TE102正交简并模式。
上述实施例中，第一上金属层101、第一下金属层103、第一上金属层201、第二下金属层203、第一过孔104的孔壁、第二过孔204的孔壁采用的金属材料可以为铝、铁、锡、铜、银、金和铂的任意一种，或可以为铝、铁、锡、铜、银、金和铂任意一种的合金。
图2和图3为本实施例的单体双路平衡式滤波器的实验结果图，从图2可以看出测试的差模滤波通带中心频率为6.33GHz,中心频率处回波损耗大于20dB，回波损耗大于15dB的带宽为1.58％，测试最小插入损耗为1.335dB，仿真的最小插入损耗为0.91dB；在通带内的共模抑制大于47dB；从图3中可以看到两路平衡式滤波器间的差模隔离大于45dB。
实施例2：
本实施例的主要特点是：第一基片集成波导谐振腔与第二基片集成波导谐振腔的横截面形状均为偶数边的正多边形，如正方形、正六边形等。其余同实施例1。
实施例3：
本实施例的单体双路平衡式滤波器与实施例1、实施例2的区别之处在于：可以包括三层或以上的印制电路板，以三层印制电路板为例，最上层印制电路板的上金属层和最下层印制电路板的下金属层均设置有四条微带馈电线，最上层印制电路板的下金属层与中间层印制电路板的上金属层相接触，中间层印制电路板的下金属层与最下层印制电路板的上金属层相接触，最上层印制电路板的下金属层、中间层印制电路板的上金属层、中间层印制电路板的下金属层以及最下层印制电路板的上金属层均设置有耦合开槽。
综上所述，本发明的单体双路平衡式滤波器为对称结构，利用基片集成波导正交简并模式之间的正交分布以及TE201和TE102正交模式电场本身固有的反向特性，首次在基片集成波导上将两个平衡式滤波器融合在一个单一电路结构中，完成了一个双输入双输出的单体双路平衡式滤波器，具有重量轻，易集成，插损小，共模抑制，差模滤波传输效果好，两路平衡式滤波器之间隔离高的优异性能。
以上所述，仅为本发明专利较佳的实施例，但本发明专利的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明专利所公开的范围内，根据本发明专利的技术方案及其发明构思加以等同替换或改变，都属于本发明专利的保护范围。
Claims (7)
1.一种单体双路平衡式滤波器，其特征在于：包括至少两层由下而上堆叠的印制电路板，每层印制电路板包括上金属层、介质板、下金属层和多个过孔，所述上金属层和下金属层分别设置在介质板的顶面和底面，所述多个过孔围成一个基片集成波导谐振腔；相邻的两层印制电路板中的基片集成波导谐振腔耦合在一起，所述相邻的两层印制电路板中，上层印制电路板的下金属层与下层印制电路板的上金属层相接触，且上层印制电路板的下金属层和下层印制电路板的上金属层均设置有耦合开槽；
最上层印制电路板的上金属层和最下层印制电路板的下金属层均设置有四条插入基片集成波导谐振腔的微带馈电线，且每条微带馈电线的末端设置有端口，每两条中心对称的微带馈电线的端口构成一对平衡式端口，每条微带馈电线为弯折形微带馈电线；所述最上层印制电路板中，任意两条相邻的微带馈电线与上金属层中心点的连线呈90度夹角；所述最下层印制电路板中，任意两条相邻的微带馈电线与下金属层中心点的连线呈90度夹角；所述最上层印制电路板的四条微带馈电线与最下层印制电路板的四条微带馈电线为一一对应的关系，且最上层印制电路板的每条微带馈电线位于最下层印制电路板的对应微带馈电线正上方。
2.根据权利要求1所述的单体双路平衡式滤波器，其特征在于：所述相邻的两层印制电路板中，上层印制电路板的耦合开槽和下层印制电路板的耦合开槽均为四个，且形状和大小相同；上层印制电路板的四个耦合开槽关于其下金属层的中心点对称；下层印制电路板的四个耦合开槽关于其上金属层的中心点对称。
3.根据权利要求1-2任一项所述的单体双路平衡式滤波器，其特征在于：所述最上层印制电路板的每条微带馈电线在最下层印制电路板的下金属层上的投影与最下层印制电路板对应的微带馈电线相交并垂直。
4.根据权利要求1-2任一项所述的单体双路平衡式滤波器，其特征在于：每条微带馈电线包括相连的垂直段和倾斜段；
所述最上层印制电路板中，每条微带馈电线的垂直段垂直于上金属层的其中一个边缘处，每条微带馈电线的倾斜段插入基片集成波导谐振腔；
所述最下层印制电路板中，每条微带馈电线的垂直段垂直于下金属层的其中一个边缘处，每条微带馈电线的倾斜段插入基片集成波导谐振腔。
5.根据权利要求1-2任一项所述的单体双路平衡式滤波器，其特征在于：所述基片集成波导谐振腔的横截面形状为圆形。
6.根据权利要求1-2任一项所述的单体双路平衡式滤波器，其特征在于：所述基片集成波导谐振腔的横截面形状为偶数边的正多边形。
7.一种射频前端电路，其特征在于：包括权利要求1-6任一项所述的单体双路平衡式滤波器。
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