CN110112526A

CN110112526A - 一种具有双通带频率响应的微带功分器

Info

Publication number: CN110112526A
Application number: CN201910252026.8A
Authority: CN
Inventors: 肖飞; 王余成; 亓孝博; 唐小宏
Original assignee: University of Electronic Science and Technology of China
Current assignee: University of Electronic Science and Technology of China
Priority date: 2019-03-29
Filing date: 2019-03-29
Publication date: 2019-08-09
Anticipated expiration: 2039-03-29
Also published as: CN110112526B

Abstract

本发明提供一种具有双通带频率响应的微带功分器，同时实现滤波和功分的功能，从而有效得减小元件尺寸。该微带功分器基于一个四模谐振器，具有四个独立可调的谐振频率和三个传输零点。该微带功分器可以实现双通带滤波响应，具有良好的频率选择性，输出端口的隔离度高；该微带功分器具有性能优越、设计过程简单等优点。

Description

一种具有双通带频率响应的微带功分器

技术领域

本发明属于通信技术领域，具体涉及一种具有双通带频率响应的微带功分器。

背景技术

在射频/微波/光频等较高频段内，微带线具有体积小、重量轻、使用频带宽、可靠性高和制造成本低等优点，是应用广泛的一类传输线。微带线具有分布参数效应，其电气特性与结构尺寸紧密相关。功分器全称功率分配器，是通信或雷达系统中的重要器件。它是一种将一路输入信号能量分成两路或多路输出相等或不相等能量的器件，也可反过来将多路信号能量合成一路输出，此时可也称为合路器。由于功分器可以逆向使用作为合路器，所以下面的讨论皆以功分器为例。一个功分器的输出端口之间应保证一定的隔离度。此外，滤波器作为另外一种微波器件，其功能在于允许某一部分频率的信号顺利的通过，而让另外一部分频率的信号受到较大的抑制。传统的滤波器和功分器是两个分立的元件，承担不同的功能。

发明内容

为了克服传统的功分器和滤波器分属两个元件，导致尺寸较大的缺点，本发明提供了一种新型的微带功分器，能够同时实现滤波和功分的功能，具有良好的频率选择性、小尺寸和容易设计等优点。

典型微带的结构如图1所示，主要包括三层。第I层是金属上覆层，第II层是介质基片，第III层是金属下覆层。一种四模谐振器如图2所示，在微带的金属上上覆层(I)上刻蚀如下结构：开口方形环(5)的左端连接了第一终端开路枝节(1)，下端连接了第二终端开路枝节(2)，右端连接了第三终端开路枝节(3)，上端连接了第一平行耦合双线结构(4)。图中，l₁、l₂、l₃、l₄和l₂₁分别表示对应微带线的长度，w₁、w₂、w₃和w₄表示对应微带线的线宽，s₂表示缝隙宽度；Z_in,4表示对应的输入阻抗。

图2所示的四模谐振器中，第一平行耦合双线结构(4)之间的耦合效应用APCL表示。为简化分析该四模谐振器的谐振特性，不影响其主要物理机制，忽略APCL影响，得到如图3所示的简化四模谐振器模型。简化四模谐振器模型是关于中心平面呈左右对称，采用奇偶模分析法来进行分析。奇模模型如图4(a)所示，其中，Y₁、Y₂和Y₃是图中所示微带线的特征导纳，θ₁、θ₂和θ₃表示对应的电长度，Y_in,odd表示奇模输入导纳。由传输线理论，可得

Y_in,odd＝jY₁tanθ₁+jY₂tanθ₂-jY₃cotθ₃ (1)

偶模等效模型如图4(b)所示。其中，Y₄和θ₄分别是图中所示微带线的特征导纳和电长度，Y_in,even表示偶模输入导纳。由传输线理论，可得

令Y_in,odd＝0和Y_in,even＝0时，可分别推导出奇模和偶模的谐振条件方程，即

Y₁tanθ₁+Y₂tanθ₂-Y₃cotθ₃＝0 (3a)

(Y₁tanθ₁+Y₂tanθ₂)(Y₃cotθ₄-Y₄tanθ₃)+Y₃(Y₄+Y₃cotθ₄tanθ₃)＝0 (3b)

上述谐振条件揭示了图3所示的简化四模谐振器模型的物理机制，即其电气参数与谐振频率的关系。同时，这些谐振条件也揭示了图2所示的四模谐振器的物理机制。对这些谐振条件进行分析表明，该谐振器具有四个独立可调的主要谐振频率，即两个偶模谐振频率：f_e1和f_e2，和两个奇模谐振频率：f_o1和f_o2。

接下来，研究图2所示的四模谐振器产生的传输零点。四模谐振器具有三个有限频率处的传输零点，即f_z1、f_z2和f_z3，提升带外抑制度和频率选择性。下面分别对三个传输零点f_z1、f_z2和f_z3产生的机理进行解释。传输零点f_z1由图2所示的四模谐振器的第二终端开路枝节(2)产生。设第二终端开路枝节(2)的特征阻抗为Z₄，电长度为θ₄，图2中所示的输入阻抗Z_in,4为

Z_in,4＝-jZ₄cotθ₄ (4)

令Z_in,4＝0时，即可确定传输零点f_z1对应的频率，即

其中，ε_e表示介质基片的等效相对介电常数，c为自由空间的光速。

另外两个传输零点f_z2和f_z3由四模谐振器的部分结构产生，如图5所示的四模谐振器中的虚线框所示。图5中虚线方框内的结构可以用图6中的结构示意图来表示，其中，Y_2e、Y_2o、Y₂、Y₃和Y₄表示特征导纳，θ_2e、θ_2o、θ₂、θ₃和θ₄表示对应的电长度。通过奇偶模分析法对其进行分析，奇模模型如图7左图所示。对应的奇模输入导纳Y_in,odd为

偶模模型如图7右图所示，对应的偶模输入导纳Y_in,even为：

满足Y_in,odd＝Y_in,even的频率即为传输零点所在位置。将(6a)和(6b)代入此关系式，得到

关系式(7)的解对应两个传输零点f_z2和f_z3。

基于图2所示的四模谐振器，构造一个具有双通带频率响应的微带功分器，如图8所示：第一端口馈线(P1)连接到第二平行耦合双线结构(S1)的左端；第二平行耦合双线结构(S1)的右端连接到开口方形环(5)的左端；开口方形环(5)的下端连接了第二终端开路枝节(2)，右端连接了平行耦合三线结构(T3),上端连接了第一平行耦合双线结构(4)；平行耦合三线结构(T3)的右端分别连接到第二端口馈线(P2)和第三端口馈线(P3)；第一电阻(R1)跨接在平行耦合三线结构(T3)的左端，第二电阻(R2)跨接在平行耦合三线结构(T3)的右端；构成本发明所述的微带滤波功分器。

本发明所述的微带功分器的有益效果是：能够将一路输入信号分成两路输出，反之能将两路输入信号合成一路输出；功分器具有双通带频率响应，有三个传输零点，极大改善了频率选择性；输出端口之间的隔离度高；尺寸较小，设计过程简单，容易调试等显著优点。

附图说明

图1：微带线结构示意图；

图2：四模谐振器示意图；

图3：简化四模谐振器模型图；

图4(a)：简化四模谐振器模型的奇模模型示意图；

图4(b)：简化四模谐振器模型的偶模模型示意图；

图5：用于分析传输零点的四模谐振器示意图；

图6：四模谐振器中的部分结构等效示意图；

图7：四模谐振器中的部分结构的奇模和偶模模型示意图；

图8：微带功分器示意图；

图9：在考虑或忽略APCL影响之后的实施例一仿真结果对比图；

图10(a)：结构参数l₁对四模谐振器的谐振特性影响结果图；

图10(b)：结构参数l₂对四模谐振器的谐振特性影响结果图；

图10(c)：结构参数l₃对四模谐振器的谐振特性影响结果图；

图10(d)：结构参数l₄对四模谐振器的谐振特性影响结果图；

图11：结构参数s₂对四模谐振器的传输零点f_z2和f_z3的影响结果图；

图12(a)：实施例二的|S₁₁|与|S₂₁|仿真结果和测试结果图；

图12(b)：实施例二的|S₃₂|仿真结果和测试结果图；

图13(a)：实施例三的结构参数l₂影响微带功分器频率响应的仿真结果图；

图13(b)：实施例三的结构参数l₄影响微带功分器频率响应的仿真结果图。

具体实施方式

为了体现本发明的创造性和新颖性，下面深入分析该四模谐振器及微带滤波功分器的物理机制。在分析过程中，将结合附图和具体实施例进行阐述，但本发明的实施方式不限于此。

实施例一是针对四模谐振器的仿真实验，仿真结果如图9所示。图中，“with APCL”所代表的实线是针对图2所示的四模谐振器的仿真结果，考虑了第一平行耦合双线结构(4)之间的耦合即APCL的影响。“without APCL”所代表的虚线是针对图3所示的简化四模谐振器模型的仿真结果，忽略了第一平行耦合双线结构(4)之间的耦合即APCL的影响。图9中的结果验证了四模谐振器的四个谐振频率：f_o1、f_e1、f_e2和f_o2，且从低到高依次排列。四模谐振器具有三个传输零点：f_z1、f_z2和f_z3。f_z1和f_z2位于f_e1和f_e2之间，f_z3位于f_o2右侧。

四模谐振器的结构参数决定了其内在的谐振特征。在图10(a)到图10(d)中，在保持其它结构参数不变时，分别研究了结构参数l₁、l₂、l₃和l₄对于四模谐振器的谐振频率的影响。谐振频率随长度l₁的变化规律如图10(a)所示，当l₁增加大时，四个谐振频率f_o1、f_e1、f_e2和f_o2均向低频移动。图10(b)给出了l₂对谐振频率的影响趋势，当l₂增加时，谐振频率f_o1和f_e1基本不产生变化，而谐振频率f_e2和f_o2明显向低频移动。谐振频率随长度参数l₃的变化趋势由图10(c)给出，l₃对谐振频率的影响跟l₁相似，随着l₃的增加，f_o1、f_e1、f_e2和f_o2四个谐振频率均向低频方向移动。如图10(d)所示，当l₄增加时，谐振频率f_o1、f_e2和f_o2基本保持不变，f_e1显著地向低频移动。

图5所示的四模谐振器中的虚线框所围部分导致了两个传输零点f_z2和f_z3的产生。图11给出了结构参数s₂对于这两个传输零点f_z2和f_z3的影响。可见随着耦合间距s₂的增大，即随着耦合的减弱，f_z2向高频方向移动，f_z3向低频方向移动。

实施例二是针对微带功分器的仿真和测试，选择结构参数：l₁＝11.38mm，l₁₁＝11.2mm，l₂＝9.98mm，l₂₁＝4.9mm，l₃＝5.2mm，l₄＝11.15mm，w₀＝1.09mm，w₁＝0.22mm，w₂＝0.4mm，w₃＝0.97mm，w₄＝1.49mm，w_i＝0.51mm，s₁＝0.22mm，s₂＝0.32mm，R₁＝390Ω和R₂＝390Ω。仿真和测试结果如图12(a)和(b)所示。实测结果表明，低频通带的中心频率为3.37GHz，3dB相对带宽为12.9％，通带内插损最优处为1.3dB；高频通带的中心频率为4.58GHz，3dB相对带宽为5.7％，通带内插损最优处为2.4dB。两通带之间的抑制度优于30dB，且具有优良的频率选择性，实测的回波损耗在两通带频率内均优于15dB。在两通带内，实测的隔离度分别达到22dB和27dB，在两通带内均具有优良的隔离性能。三个传输零点分别位于3.8、4.2和5.7GHz，这些传输零点极大地改善了频率选择性。

实施例三进一步揭示所述微带功分器的优越性能。图13(a)描述了微带功分器频率响应随结构参数l₂的变化趋势。随着l₂增大，高频通带向低频移动，且低频通带的中心频率基本保持不变。图13(b)描述了结构参数l₄对微带功分器频率响应的影响。随着l₄增加，低频通带的带宽减小，而且传输零点f_z1也向低频移动，这也验证了传输零点f_z1产生机理的正确性。这说明，本发明所述的微带功分器的频率响应能够灵活调节。

以上所列举的实施例，充分说明了本发明所述的微带功分器具有优异的频率响应、尺寸较小、设计过程简单等优点，具有显著的技术进步。本领域的普通技术人员将会意识到，这里所述的实施例是为了帮助读者理解本发明的原理，应被理解为本发明的保护范围并不局限于这样的特别陈述和实施例。本领域的普通技术人员可以根据本发明公开的这些技术启示做出各种不脱离本发明实质的其它各种具体变形和组合，这些变形和组合仍然在本发明的保护范围内。

Claims

1.一种具有双通带频率响应的微带功分器，其特征在于：第一端口馈线(P1)连接到第二平行耦合双线结构(S1)的左端；第二平行耦合双线结构(S1)的右端连接到开口方形环(5)的左端；开口方形环(5)的下端连接了第二终端开路枝节(2)，右端连接了平行耦合三线结构(T3),上端连接了第一平行耦合双线结构(4)；平行耦合三线结构(T3)的右端分别连接到第二端口馈线(P2)和第三端口馈线(P3)；第一电阻(R1)跨接在平行耦合三线结构(T3)的左端，第二电阻(R2)跨接在平行耦合三线结构(T3)的右端；微带功分器可以同时实现双通带滤波和功率分配/合成的功能。

2.根据权利要求1所述的微带功分器，随着l₂增大，高频通带向低频移动，且低频通带的中心频率基本保持不变；随着l₄增加，低频通带的带宽减小，而且传输零点f_z1也向低频移动。

3.根据权利要求1所述的微带功分器，选择结构参数：l₁＝11.38mm，l₁₁＝11.2mm，l₂＝9.98mm，l₂₁＝4.9mm，l₃＝5.2mm，l₄＝11.15mm，w₀＝1.09mm，w₁＝0.22mm，w₂＝0.4mm，w₃＝0.97mm，w₄＝1.49mm，w_i＝0.51mm，s₁＝0.22mm，s₂＝0.32mm，R₁＝390Ω和R₂＝390Ω；低频通带的中心频率为3.37GHz，3dB相对带宽为12.9％，通带内插损最优处为1.3dB；高频通带的中心频率为4.58GHz，3dB相对带宽为5.7％，通带内插损最优处为2.4dB；两通带之间的抑制度优于30dB，且具有优良的频率选择性，实测的回波损耗在两通带频率内均优于15dB；在两通带内，实测的隔离度分别达到22dB和27dB，在两通带内均具有优良的隔离性能；三个传输零点分别位于3.8、4.2和5.7GHz，这些传输零点极大地改善了频率选择性。

4.根据权利要求1所述的微带功分器，包含一种微带四模谐振器，其特征在于：开口方形环(5)的左端连接了第一终端开路枝节(1)，下端连接了第二终端开路枝节(2)，右端连接了第三终端开路枝节(3)，上端连接了第一平行耦合双线结构(4)。

5.根据权利要求4所述的微带四模谐振器，谐振条件为：

Y₁tanθ₁+Y₂tanθ₂-Y₃cotθ₃＝0

(Y₁tanθ₁+Y₂tanθ₂)(Y₃cotθ₄-Y₄tanθ₃)+Y₃(Y₄+Y₃cotθ₄tanθ₃)＝0

这些谐振条件进行分析表明，该谐振器具有四个独立可调的主要谐振频率，即两个偶模谐振频率：f_e1和f_e2，和两个奇模谐振频率：f_o1和f_o2；四个谐振频率：f_o1、f_e1、f_e2和f_o2，且从低到高依次排列。

6.根据权利要求4所述的微带四模谐振器，具有三个有限频率处的传输零点，f_z1和f_z2位于f_e1和f_e2之间，f_z3位于f_o2右侧；传输零点f_z1对应的频率其它两个传输零点f_z2和f_z3由下式决定

。

7.根据权利要求4所述的微带四模谐振器，当l₁增加大时，四个谐振频率f_o1、f_e1、f_e2和f_o2均向低频移动；当l₂增加时，谐振频率f_o1和f_e1基本不产生变化，而谐振频率f_e2和f_o2明显向低频移动；随着l₃的增加，f_o1、f_e1、f_e2和f_o2四个谐振频率均向低频方向移动；当l₄增加时，谐振频率f_o1、f_e2和f_o2基本保持不变，f_e1显著地向低频移动。

8.根据权利要求4所述的微带四模谐振器，随着耦合间距s₂的增大，即随着耦合的减弱，f_z2向高频方向移动，f_z3向低频方向移动。