CN110247145A - 一种具有带内良好匹配和隔离的带宽可调的宽带滤波巴伦 - Google Patents

一种具有带内良好匹配和隔离的带宽可调的宽带滤波巴伦 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种具有带内良好匹配和隔离的带宽可调的宽带滤波巴伦，属于微波传输领域。宽带滤波巴伦构建在顶层介质基板和底层介质基板上，顶层介质基板和底层介质基板的外表面上刻蚀依次串联的双面平行带线，包括第一节微带线、阻抗变换节微带线、第二节微带线和第三节微带线。顶层介质基板和底层介质基板中间夹持导体平面，以及顶层地面和底层地面，均为金属接地面。底层地面和顶层地面分别通过第一过孔和第二过孔连接中间导体平面；阻抗变换器通过第三过孔连接并联短路枝节末端以及集总电阻的一端；第四过孔连接集总电阻的另一端和中间导体平面。本发明保证了巴伦具有良好的匹配特性，避免了使用额外的端口阻抗匹配电路。

Description

一种具有带内良好匹配和隔离的带宽可调的宽带滤波巴伦
技术领域
本发明属于微波传输领域，涉及一种无源微波传输器件，具体是一种具有带内良好匹配和隔离的带宽可调的宽带滤波巴伦。
背景技术
射频前端的小型化是无线通信系统的发展趋势之一，巴伦和带通滤波器作为电子系统中重要的两类无源器件，其一体化设计可以有效减小通信系统的体积，降低成本，并且避免了巴伦和带通滤波器分别设计后再级联带来的级联损耗，因此是实现系统小型化的一种有效方法。
目前已有多种滤波巴伦被研究，包括基于垂直耦合线和槽线谐振器的切比雪夫滤波巴伦，可调带宽带通滤波巴伦和平面滤波巴伦等。
虽然以上方法实现的宽带巴伦具有良好的带内波纹和插入损耗。但是，上述滤波巴伦难以进一步提高带宽，并且不能在工作范围内实现高隔离度。因此，有必要对宽带滤波巴伦加以革新改进。
发明内容
本发明针对上述问题，提出一种具有带内良好匹配和隔离的带宽可调的宽带滤波巴伦，将宽带滤波阻抗变换器引入到双面平行带线(DSPSL)结构中，并插入导体平面，可以容易实现该电路的平衡-不平衡转换特性。
所述的宽带滤波巴伦构建在顶层介质基板和底层介质基板构成的双层电路板上；整体具有一个输入端口和两个输出端口，两个输出端口分别为第一输出端口及第二输出端口；
所述顶层介质基板和底层介质基板的外表面上刻蚀依次串联的双面平行带线，包括第一节微带线、阻抗变换节微带线、第二节微带线和第三节微带线。
所述第一节微带线与输入端口相连接；
所述阻抗变换节微带线为背靠背的两个相同的阻抗变换器，每个阻抗变换器都包括N(N≥2)个串联微带线和M(M≥2)个并联短路枝节，其长度均为中心工作频率处的四分之一波长；且在顶层和底层的每个并联短路枝节末端都分别安装集总电阻。
第二节微带线结构为L形，背对背平行放置；且垂直部分的顶层微带线和底层微带线相互平行，走向相反，用于分离两路输出信号，使两路信号分别连接输出端口。
第三节微带线的顶层微带线和底层微带线尺寸相同，走向平行且相反；顶层介质基板的第三节微带线与第一输出端口连接；底层介质基板的第三节微带线与第二输出端口连接。
在顶层介质基板和底层介质基板中间夹持导体平面，为金属接地面；同时，位于顶层介质基板表面的顶层地面以及位于底层介质基板表面的底层地面也为金属接地面；
中间导体平面距离顶层地面和底层地面的距离相等。中间导体平面的区域范围包括：从第一节微带线开始，所有包含阻抗变换节微带线和第二节微带线的区域，同时除去顶层地面和底层地面正对应的区域，且中间导体平面与输入端口不相连。
底层介质基板上的底层地面通过第一过孔连接中间导体平面；顶层介质基板上的顶层地面通过第二过孔连接中间导体平面；阻抗变换器中通过第三过孔连接顶层和底层的并联短路枝节末端，并连接集总电阻的一端；同时，在中间导体平面上穿过第三过孔的区域挖空，中间导体平面与第三过孔不直接接触。通过第四过孔连接集总电阻的另一端和中间导体平面。
所述第一节微带线和阻抗变换节微带线的顶层电路和底层电路尺寸分别完全相同，平行放置。
所述顶层介质基板和底层介质基板具有相同的介电常数和相同的厚度；
所述输入端口，第一输出端口和第二输出端口均为SMA连接头。
本发明的优点在于：
1)、一种具有带内良好匹配和隔离的带宽可调的宽带滤波巴伦，使用宽带滤波阻抗变换器，保证了巴伦在很宽的工作范围内输入端具有良好的匹配特性，并且避免了使用额外的端口阻抗匹配电路。与已研究的滤波巴伦相比，可进一步提高滤波巴伦的工作带宽，拓展了设计的滤波巴伦的应用场景。
2)、一种具有带内良好匹配和隔离的带宽可调的宽带滤波巴伦，基于切比雪夫滤波器合成方法，可通过改变预置的带宽的值，进而改变微带线的特征阻抗及其对应的尺寸参数来调节宽带滤波巴伦的通带范围，以实现滤波巴伦带宽可调的功能；可以实现带宽范围从33.33％到124.44％的极宽范围的调节。
3)、一种具有带内良好匹配和隔离的带宽可调的宽带滤波巴伦，在短路枝节末端和导体平面之间加入多个集总电阻，保证了输出端口匹配良好，且有效地提高了第一输出端口和第二输出端口之间的隔离度。
附图说明
图1为本发明宽带滤波巴伦的三维结构组成示意图；
图2为本发明宽带滤波巴伦的三维结构拆分示意图；
图3为本发明的实施例中中心工作频率为3GHz的宽带滤波巴伦的平面结构示意图；
图4为本发明的实施例中宽带滤波巴伦的输入回波损耗和传输系数仿真示意图；
图5为本发明的实施例中宽带滤波巴伦的输出回波损耗和输出端口隔离度仿真示意图；
图6为本发明的实施例中宽带滤波巴伦的输出端口幅度不平衡和相位不平衡度的仿真示意图。
图中：1-输入端口，2-第一输出端口，3-第二输出端口，4-第一节微带线，5-阻抗变换器的第一节微带线，6-阻抗变换器的第二节微带线，7-阻抗变换器的第三节微带线，8-阻抗变换器的第四节微带线，9-阻抗变换器的第五节微带线，10-阻抗变换器的第六节微带线，11-阻抗变换器的第七节微带线，12-阻抗变换器的第八节微带线，13-阻抗变换器的第九节微带线，14-阻抗变换器的第十节微带线，15-阻抗变换器的第十一节微带线，16-第二节微带线，17-第三节微带线，18-中间导体平面，19-顶层地面，20-第一过孔，21-第二过孔，22-第三过孔，23-第四过孔；
具体实施方式
下面结合实施例和附图，对本发明的实施方式做详细、清楚的描述。
本发明一种具有带内良好匹配和隔离的带宽可调的宽带滤波巴伦，如图1和图2所示，构建在顶层介质基板和底层介质基板上，共形成三层电路：顶层电路，中间电路以及底层电路；顶层介质基板和底层介质基板为印刷电路板，用于承载整个电路。在本发明实施例中，介质基板选择Rogers5880，介电常数为3.66，厚度0.762mm。
如图3所示，所述顶层介质基板和底层介质基板的外表面上刻蚀依次串联的双面平行带线，包括第一节微带线4、阻抗变换节微带线5-15、第二节微带线16和第三节微带线17。
第一节微带线4和阻抗变换节微带线5-15的顶层电路和底层电路尺寸分别完全相同，平行放置。
所述的宽带滤波巴伦整体具有一个输入端口1和两个输出端口，均为SMA连接头；两个输出端口分别为第一输出端口2及第二输出端口3。
在顶层介质基板和底层介质基板中间夹持导体平面18，为金属接地面；同时，位于顶层介质基板表面的顶层地面以及位于底层介质基板表面的底层地面也为金属接地面；第一输出端口2焊接在底层地面上，第二输出端口3焊接在顶层地面19上。
中间导体平面18距离顶层地面和底层地面的距离相等。中间导体平面的区域范围包括：从第一节微带线4开始，所有包含阻抗变换节微带线5-15和第二节微带线16的区域，同时除去顶层地面和底层地面正对应的区域，且中间导体平面与输入端口不相连。
所述输入端口1用于输入信号，与第一节微带线4直接相接。第一节微带线4为特性阻抗为ZS的双面平行带线。
所述阻抗变换节微带线5-15为背靠背的两个相同的阻抗变换器，其作用是实现任意实阻抗间的宽带滤波阻抗变换。每个阻抗变换器都包括N个串联微带线和M个并联短路枝节，其长度均为中心工作频率f0处的四分之一波长；且在每个并联短路枝节末端都分别安装集总电阻。
第二节微带线16特征阻抗为ZL，用于匹配阻抗变换器的负载阻抗。结构为L形，顶层和底层背对背平行放置，分为两个部分：第一部分为双面平行带线，和阻抗变换节微带线类似，在中间导体平面18的作用下可以分解为两个独立的微带线；第二部分与第一部分相垂直，用于分离两路输出信号，使两路信号可以分别连接输出端口，因此第二部分的顶层微带线和底层微带线相互平行，走向相反。
第三节微带线17的特征阻抗为ZL。第三节微带线17的顶层微带线和底层微带线尺寸相同，走向平行且相反；顶层介质基板的第三节微带线与第一输出端口2连接；底层介质基板的第三节微带线与第二输出端口3连接。
底层介质基板上的底层地面通过第一过孔20连接中间导体平面18；顶层介质基板上的顶层地面19通过第二过孔21连接中间导体平面18；阻抗变换器中通过第三过孔22连接顶层和底层的并联短路枝节末端，并连接集总电阻的一端；同时，在中间导体平面18上穿过第三过孔22的区域挖空，中间导体平面18与第三过孔22不直接接触。通过第四过孔23连接集总电阻的另一端和中间导体平面18。
由于中间导体平面18通过第一过孔20和第二过孔21连接到底层介质基板和顶层介质基板的地面，第三节微带线17所处介质基板的厚度为第二节微带线16所处介质基板厚度的2倍，因此两者宽度不相同。第三节微带线17直接连接输出信号，与输出端口阻抗匹配。
由于中间导体平面18的作用，奇模激励条件下双面平行带线可以转换为两个独立的阻抗变换器，阻抗变换器的源阻抗ZS等效为Z02；此时集总电阻被短路，因此在奇模等效电路中可以不考虑集总电阻。
阻抗变换器中N个串联微带线的特征阻抗分别设置为Z1-ZN，M个并联短路枝节的特征阻抗分别设置为ZS1-ZSM。由传输线理论，将电路中各节微带线的特征阻抗对ZL归一化，并计算阻抗变换器的ABCD矩阵和S参数，从而可以得到F参数：
S11表示输入端口的回波损耗；S21表示端口1到端口2的传输系数；k表示功率分配器的源阻抗和负载阻抗的比值。am，bn，cn和dm都是关于特征阻抗Z1-ZN，ZS1-ZSM的表达式。
基于滤波器的合成方法，参数F的实部应等于0，因此
切比雪夫滤波器的Fi参数是一个与阻抗变换比k，带宽θc，带内回波损耗RL密切相关的函数。指定滤切比雪夫滤波器的以上参数，求切比雪夫滤波器的Fi参数。
F＝εFi (3)
联立等式(2)和(3)，可以得到特征阻抗Z1-ZN和ZS1-ZSM的值。
因此，通过合理设置阻抗变换节微带线各部分特征阻抗，阻抗变换器将实阻抗ZS转换到ZL，并且阻抗变换器能够显示出滤波功能。改变带宽θc和带内回波损耗RL的值，可以容易获得不同特性的阻抗变换器。
集总电阻用于实现两路输出信号之间的高度隔离。在偶模激励下，输入端口等效为开路，短路枝节的末端由于不和中间导体平面18直接接触，此时不接地；集总电阻一端连接短路枝节的末端，一端通过第四过孔23接地，用于偶模激励等效电路下第一输出端口2和第二输出端口3的匹配。
以顶层电路为例。从负载阻抗到源阻抗计算偶模激励等效电路的ABCD矩阵由于输入端口开路，从负载阻抗看向等效电路的等效阻抗为：Zout＝A2C2。
此时，第一输出端口的反射系数可以计算为：Γ＝(Zout-ZL)(Zout+ZL)。
选择合适的集总电阻值，使得在通带范围内Γ≤0.1778(15dB)。
综合奇模激励和偶模激励下电路性能，可以求得宽带滤波巴伦的理想参数。
本发明通过两个具有相同结构的宽带滤波阻抗变换器，结合滤波器合成方法可实现任意实阻抗间的滤波变换，同时，在并联短路枝节的末端和中间导体平面之间加入多个集总电阻，可以在通带内实现良好的输出匹配和高度隔离。
本发明宽带滤波巴伦的原理如下：
双面平行带线的特性决定了：在顶层介质基板和底层介质基板中间插入导体平面，不会对电磁场的分布产生影响；当输入信号从输入端口输入时，分别沿着顶层和底层的第一节微带线、阻抗变换节微带线、第二节微带线和第三节微带线传输，由于电路上下结构的对称性，输入信号一分为二，顶层电路和底层电路的信号幅度相等。选定中间导体平面为电位的参考面。由于双面平行带线的特性决定了第一输出端口处的电场方向与第二输出端口处的电场方向正好相反。因此，第一输出端口和第二输出端口的信号表现出相等幅度和180°的相位差。
实施例：
中心工作频率f0为3GHz，带宽范围设置为88.89％，带内输入回波损耗为20dB，频率响应等效为五阶切比雪夫滤波响应；6对(12个)集中电阻用于提供带内输出匹配和高度隔离。
输入端口1连接标准的50欧姆SMA接头，因此Z0＝50Ω，ZS＝Z02＝25Ω。第一节微带线4是用于和输入端口1直接相连的特性阻抗为25Ω的一段传输线，其宽度为4.44mm，长度为10mm。
阻抗变换器包含5节串联微带线5-9和其节点上连接的6个并联短路枝节。所述阻抗变换器将阻抗由25欧姆转换到50欧姆。本实施例中，带宽θc＝50°，带内回波损耗RL＝20dB。设置ZS1＝ZS2＝ZS3，ZS4＝ZS5＝ZS6，利用公式1-3计算得出各微带线的阻抗值：Z1＝24.4Ω，Z2＝29.14Ω，Z3＝38.99Ω，Z4＝48.06Ω，Z5＝47.1Ω，ZS1＝ZS2＝ZS3＝40.24Ω，ZS4＝ZS5＝ZS6＝85.54Ω。电路的性能优化主要针对阻抗变换器各部分的尺寸，该部分的参数对电路性能的影响最为显著。
阻抗变换器的第一节微带线5的宽度为4.58mm，长度为15.68mm。阻抗变换器的第二节微带线6的宽度为3.63mm，长度为15.17mm。阻抗变换器的第三节微带线7的宽度为2.42mm，长度为14.72mm。阻抗变换器的第四节微带线8的宽度为1.76mm，长度为14.79mm。阻抗变换器的第五节微带线9的宽度为1.81mm，长度为15.33mm。N节串联微带传输线可以在通带内产生N+1个反射零点，本实施例中通带内有六个反射零点。
本实施例中，ZS1＝ZS2＝ZS3，ZS4＝ZS5＝ZS6，因此短路枝节阻抗变换器的第六节微带线10、阻抗变换器的第七节微带线11和阻抗变换器的第八节微带线12的宽度相同，为2.31mm；短路枝节阻抗变换器的第九节微带线13、阻抗变换器的第十节微带线14和阻抗变换器的第十一节微带线15的宽度相同，为0.58mm。各短路枝节的长度经过优化之后，选择最佳的长度值，因此长度略有差异：阻抗变换器的第六节微带线10的长度为16.87mm，阻抗变换器的第七节微带线11的长度为15.85mm，阻抗变换器的第八节微带线12的长度为15.5mm，阻抗变换器的第九节微带线13的长度为16.74mm，阻抗变换器的第十节微带线14的长度为15.84mm，阻抗变换器的第十一节微带线15的长度为17mm。
第二节微带线16是特性阻抗为50Ω的一段微带线，用于和阻抗变换器的负载阻抗相匹配。其宽度为1.65mm。由于此时电路已经匹配，第二节微带线16的总长度不影响电路的性能。本实施例中，第二节微带线16的总长度为23mm。在信号传输过程中，为了减小信号在不连续处的损耗，第二节微带线16在拐角处的直角上切除一个直角边长为0.85mm的直角等腰三角形。
为了方便第一输出端口2和第二输出端口3上SMA接头的焊接，构造顶层地面19和底层地面。此时SMA接头可以焊接在介质基板的上下表面，避免与中间导体平面的接触。底层地面与中间导体平面通过第一过孔20连通，基质基板的厚度由0.762mm增大到1.524mm。第三节微带线17也是一段特性阻抗为50欧姆的微带线，与第一输出端口2上焊接的50欧姆标准SMA接头相匹配。由于此时介质基板的厚度增加，相同特性阻抗下的微带线的宽度也随之增大，第三节微带线17对应厚度为1.524mm的介质基板上的特性阻抗为50欧姆的微带线，宽度为3.31mm，长度任意，本实施例中设为10mm。
本实施例中，使用了6对集总电阻。集总电阻一端焊接在短路枝节的末端，并通过不与中间导体平面接触的第三过孔23连通顶层和底层的短路枝节；另一端通过第四过孔23接地，与中间导体平面18相连。集总电阻的值选择为R1＝620Ω，R2＝91Ω，R3＝36Ω，R4＝62Ω，R5＝24Ω，R6＝20Ω。优选地，设置短路枝节末端过孔数量大于1，这是因为短路枝节ZS1-ZS3宽度较大，增加过孔数目可以有效使得顶层电路和底层电路充分接触。本实施例中的过孔直径统一为0.3mm。
图4和图5显示了本发明实施例的S参数：S11有六个明显的谐振点，符合前文描述的N节串联微带传输线可以在通带内产生N+1个反射零点。如图4所示，为S11仿真参数曲线，可以看出本实施例具有良好的宽带滤波特性，S11优于15dB的带宽为2.7GHz，相对带宽为90％，滤波效果显著。从S21和S31可以看出，本实施例具有插入损耗低的特性：在通带低频处，插入损耗约为0.3dB，在通带高频处，插入损耗约为0.7dB.
如图5所示，本发明实例输出端口匹配S22和输出端口间的隔离S23。以15dB为界，S22的带宽为2.82GHz，相对带宽为94％；S23的带宽为2.68GHz，相对带宽为89.3％。S22和S23都显示出了宽带性能，本实施例具有带宽大、端口匹配良好和隔离高的特性。
本发明实施例幅度、相位不平衡仿真结果。如图6所示，从图上可以看出，在包含了工作频带范围内的很宽的频率范围中，本实施例的幅度、相位不平衡都保持稳定。幅度不平衡小于0.1dB，相位不平衡小于180°±1°。
以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明保护的范围之内。

Claims (6)

1.一种具有带内良好匹配和隔离的带宽可调的宽带滤波巴伦，其特征在于，宽带滤波巴伦包括顶层介质基板和底层介质基板，整体具有一个输入端口和两个输出端口，两个输出端口分别为第一输出端口及第二输出端口；
所述顶层介质基板和底层介质基板的外表面上刻蚀依次串联的双面平行带线，包括第一节微带线、阻抗变换节微带线、第二节微带线和第三节微带线；
所述第一节微带线与输入端口相连接；
所述阻抗变换节微带线为背靠背的两个相同的阻抗变换器，每个阻抗变换器都包括N个串联微带线和M个并联短路枝节，其长度均为中心工作频率处的四分之一波长；且在顶层和底层的每个并联短路枝节末端都分别安装集总电阻；N≥2，M≥2；
第二节微带线结构为L形，背对背平行放置；且垂直部分的顶层微带线和底层微带线相互平行，走向相反，用于分离两路输出信号，使两路信号分别连接输出端口；
第三节微带线的顶层微带线和底层微带线尺寸相同，走向平行且相反；顶层介质基板的第三节微带线与第一输出端口连接；底层介质基板的第三节微带线与第二输出端口连接；
在顶层介质基板和底层介质基板中间夹持导体平面，为金属接地面；同时，位于顶层介质基板表面的顶层地面以及位于底层介质基板表面的底层地面也为金属接地面。
2.如权利要求1所述的一种具有带内良好匹配和隔离的带宽可调的宽带滤波巴伦，其特征在于，所述中间导体平面距离顶层地面和底层地面的距离相等；中间导体平面的区域范围包括：从第一节微带线开始，所有包含阻抗变换节微带线和第二节微带线的区域，同时除去顶层地面和底层地面正对应的区域，且中间导体平面与输入端口不相连。
3.如权利要求1所述的一种具有带内良好匹配和隔离的带宽可调的宽带滤波巴伦，其特征在于，所述底层介质基板上的底层地面通过第一过孔连接中间导体平面；顶层介质基板上的顶层地面通过第二过孔连接中间导体平面；阻抗变换器中通过第三过孔连接顶层和底层的并联短路枝节末端，并连接集总电阻的一端；同时，在中间导体平面上穿过第三过孔的区域挖空，中间导体平面与第三过孔不直接接触；通过第四过孔连接集总电阻的另一端和中间导体平面。
4.如权利要求1所述的一种具有带内良好匹配和隔离的带宽可调的宽带滤波巴伦，其特征在于，所述第一节微带线和阻抗变换节微带线的顶层电路和底层电路尺寸分别完全相同，平行放置。
5.如权利要求1所述的一种具有带内良好匹配和隔离的带宽可调的宽带滤波巴伦，其特征在于，所述顶层介质基板和底层介质基板具有相同的介电常数和相同的厚度。
6.如权利要求1所述的一种具有带内良好匹配和隔离的带宽可调的宽带滤波巴伦，其特征在于，所述输入端口，第一输出端口和第二输出端口均为SMA连接头。
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