CN110380168A - 非平衡到平衡的双宽带功分滤波器 - Google Patents

非平衡到平衡的双宽带功分滤波器 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种非平衡到平衡的双宽带功分滤波器，包括从上至下依次设置的上层介质基板、公共金属地、下层介质基板。沿上、下层介质基板的轴向设置输入端口馈线，输入端口馈线的一端连接输入端口，另一端平行设置与其相耦合的两对耦合带线，且该另一端通过连接公共金属地短路，一对耦合带线的两端分别跨接隔离电阻。上层介质基板的上表面、下层介质基板的下表面上设置关于输入端口馈线轴对称的一对输出端口馈线、一对阶梯阻抗谐振器。本发明的功分滤波器，具有结构紧凑、宽带宽、带外选择性高、共模抑制性能好、端口隔离度高等优点，非常适用于需要非平衡到平衡信号转化的无线通信系统前端。

Description

非平衡到平衡的双宽带功分滤波器
技术领域
本发明属于微波无源器件技术领域，特别是一种非平衡到平衡的双宽带功分滤波器。
背景技术
滤波器、功分器等微波无源器件不仅仅是射频前端电路中的重要组成部分，更是在无线通信系统中发挥着不可替代作用的器件，其性能上的不足将直接影响整个射频链路系统的稳定，从而影响无线通信系统的通信质量。所以，低成本、小型化、高度集成的高性能微波无源器件渐渐成为时下很多学者的研究热点，例如巴伦结合滤波结构的一体化设计，构造出具有单端一差分(非平衡一平衡)转换的滤波元件；功分器和滤波器结合的一体化设计，设计出了能够实现具有滤波特性和功分性能的两种功能的功分滤波器。器件的小型化和高集成度大大提高了无线通信系统的便携度。
各种各样的功分滤波器已经被报道出来，但是，这些先前报道的功分网络中的大多数表现为单端操作。例如，文献1(Chuan Shao,Yang Li and Jian-Xin Chen，“Compactdual-band microstrip filtering power divider using T-junction structure andquarter-wavelength SIR,”Electron.Lett.16th March 2017 Vol.53 No.6pp.434–436)中利用T形结构和阶梯阻抗谐振器提出了一种双通带功分滤波器，具有低插入损耗和高选择性，但双通带带宽太窄，隔离性能有待提升，并且其为端口为单端操作，因此，并不适合新兴的差分模式/平衡射频系统。
为此，这导致了最近在具有宽带共模抑制的平衡或差分模式射频器件领域的大量研究活动，近年来，研制了大量的差分型射频无源和有源器件，文献2(Lei Chen,FengWei,,Xing Yu Cheng,and Qin Kun Xiao,"A Dual-Band Balanced-to-Balanced PowerDivider With High Selectivity and Wide Stopband,"IEEE Access,vol.7,pp.40114–40119,Mar.2019)提出了平衡双通带功分滤波器，但它具有差分模式的输入和输出端，因此不能直接连接到单端电路。
为了解决上述问题的限制，文献3(Wenjie Feng,Meiling Hong and WenquanChe,“Dual-band balanced-to-unbalanced filtering power divider by coupled ringresonators,”Electron.Lett.27th October 2016 Vol.52 No.22pp.1862–1864)研制了平衡到非平衡的双通带功分滤波器。但是它表现出较窄的双通带带宽以及较差的共模抑制。
因此，研制双频宽带且具有宽带共模抑制的单端到平衡即非平衡到平衡功分滤波器具有重要的意义，另外小型化是现代射频及无线通信系统中必不可少的条件。
发明内容
本发明的目的在于提供一种隔离度高、选择性好、共模抑制带宽的非平衡到平衡的双宽带功分滤波器。
实现本发明目的的技术解决方案为：一种非平衡到平衡的双宽带功分滤波器，包括从上至下依次设置的上层介质基板、公共金属地、下层介质基板；
沿上层介质基板和下层介质基板的轴向，上层介质基板的上表面和下层介质基板的下表面的相应位置平行分别设置第一带状线、第二带状线，第一带状线、第二带状线形成双面平行带状线构成输入端口馈线；输入端口馈线的一端连接输入端口，第一带状线的另一端平行设置与其相耦合的第一耦合带线、第二耦合带线；第二带状线的另一端平行设置与其相耦合的第三耦合带线、第四耦合带线，且输入端口馈线的另一端通过连接公共金属地短路；第一耦合带线和第二耦合带线的两端分别跨接第一隔离电阻、第二隔离电阻，第三耦合带线和第四耦合带线的两端分别跨接第三隔离电阻、第四隔离电阻；
所述上层介质基板的上表面上设置关于输入端口馈线轴对称的第一输出端口馈线和第二输出端口馈线，两个输出端口馈线的一端分别连接相应的输出端口，另一端分别与第一耦合带线、第二耦合带线相连；上层介质基板的上表面上还设置关于输入端口馈线轴对称的第一阶梯阻抗谐振器、第二阶梯阻抗谐振器，两个阶梯阻抗谐振器的一端分别与第一耦合带线、第二耦合带线相连，另一端均开路；
所述下层介质基板的下表面上设置关于输入端口馈线轴对称的第三输出端口馈线和第四输出端口馈线，两个输出端口馈线的一端分别连接相应的输出端口，另一端分别与第三耦合带线、第四耦合带线相连；下层介质基板的下表面上还设置关于输入端口馈线轴对称的第三阶梯阻抗谐振器、第四阶梯阻抗谐振器，两个阶梯阻抗谐振器的一端分别与第三耦合带线、第四耦合带线相连，另一端均开路；
所述第一输出端口馈线和第二输出端口馈线的下方、第三输出端口馈线和第四输出端口馈线的上方均设置有公共金属地，其余元件的上或下方无公共金属地。
本发明与现有技术相比，其显著优点为：1)该不平衡到平衡双宽带功分滤波器可直接连接不平衡电路和平衡电路，无需转换电路，因而减小了损耗并节约了空间，解决了单端电路连接到平衡电路的问题；2)通过引入阶梯阻抗谐振器与三耦合线使功分滤波器具有两个相对带宽较宽的通带，即实现双频宽带功分滤波器；3)通过阶梯阻抗谐振器引入三个传输零点，使得两个通带均具有高选择性；4)通过引入四个隔离电阻，实现了两对平衡端口之间的高隔离；5)在通带范围内，共模抑制在-20dB以下，共模抑制性能好；6)通过对结构进行折线形弯折，减小电路尺寸，实现紧凑型分布。
下面结合附图对本发明作进一步详细描述。
附图说明
图1为本发明非平衡到平衡的双宽带功分滤波器的立体结构示意图。
图2为本发明实施例滤波器的上层结构尺寸示意图。
图3为本发明实施例滤波器的中间缺陷地结构尺寸示意图。
图4为本发明实施例滤波器的下层结构尺寸示意图。
图5为本发明实施例输入差模信号时S参数仿真图。
图6为本发明实施例端口隔离度仿真图。
图7为本发明实施例输入共模信号时S参数仿真图。
具体实施方式
结合图1，本发明非平衡到平衡的双宽带功分滤波器，包括从上至下依次设置的上层介质基板14、公共金属地16、下层介质基板15。
沿上层介质基板14和下层介质基板15的轴向，上层介质基板14的上表面和下层介质基板15的下表面的相应位置平行分别设置第一带状线1-1、第二带状线1-2，第一带状线1-1、第二带状线1-2形成双面平行带状线构成输入端口馈线；输入端口馈线的一端连接输入端口，第一带状线1-1的另一端平行设置与其相耦合的第一耦合带线6-1、第二耦合带线7-1；第二带状线1-2的另一端平行设置与其相耦合的第三耦合带线6-2、第四耦合带线7-2，且输入端口馈线的另一端通过短路柱18连接公共金属地16短路；第一耦合带线6-1和第二耦合带线7-1的两端分别跨接第一隔离电阻8、第二隔离电阻9，第三耦合带线6-2和第四耦合带线7-2的两端分别跨接第三隔离电阻10、第四隔离电阻11。
上层介质基板14的上表面上设置关于输入端口馈线轴对称的第一输出端口馈线2和第二输出端口馈线3，两个输出端口馈线的一端分别连接相应的输出端口，另一端分别与第一耦合带线6-1、第二耦合带线7-1相连；上层介质基板14的上表面上还设置关于输入端口馈线轴对称的第一阶梯阻抗谐振器12-1、第二阶梯阻抗谐振器13-1，两个阶梯阻抗谐振器的一端分别与第一耦合带线6-1、第二耦合带线7-1相连，另一端均开路。
下层介质基板15的下表面上设置关于输入端口馈线轴对称的第三输出端口馈线4和第四输出端口馈线5，两个输出端口馈线的一端分别连接相应的输出端口，另一端分别与第三耦合带线6-2、第四耦合带线7-2相连；下层介质基板15的下表面上还设置关于输入端口馈线轴对称的第三阶梯阻抗谐振器12-2、第四阶梯阻抗谐振器13-2，两个阶梯阻抗谐振器的一端分别与第三耦合带线6-2、第四耦合带线7-2相连，另一端均开路。
第一输出端口馈线2和第二输出端口馈线3的下方、第三输出端口馈线4和第四输出端口馈线5的上方均设置有公共金属地16，其余元件的上或下方无公共金属地16。
进一步地，输入端口馈线包括50欧姆带状线导带和终端短路的主传输线，即第一带状线1-1包括相连的第一50欧姆带状线导带101-1、第一主传输线102-1，第二带状线1-2包括相连的第二50欧姆带状线导带101-2、第二主传输线102-2，第一50欧姆带状线导带101-1的一端、第二50欧姆带状线导带101-2的一端连接输入端口，另一端分别与第一主传输线102-1、第二主传输线102-2相连。
进一步优选地，两个主传输线与50欧姆带状线导带相连的一端均为折线形，另一端为直线形。
示例性优选地，折线形具体为S形。
进一步地，输出端口馈线均包括50欧姆微带线导带，其与耦合带线相连的一端与输入端口馈线之间存在夹角θ。
示例性优选地，θ＝50°。
进一步地，第一输出端口馈线2和第二输出端口馈线3对应的两个输出端口位于上层介质基板14的同一边或相对边；第三输出端口馈线4和第四输出端口馈线5对应的两个输出端口位于下层介质基板15的同一边或相对边。
进一步地，阶梯阻抗谐振器均包括低阻抗线和高阻抗线，低阻抗线的一端与耦合带线相连，另一端与高阻抗线的一端相连，高阻抗线的另一端开路。
示例性优选地，高阻抗线开路的一端为折线形，具体为U形。
进一步地，公共金属地16上蚀刻T形缺陷地结构17，蚀刻区域包括输入端口馈线、耦合带状线以及阶梯阻抗谐振器，实现双面平行带线到微带线的过渡。
示例性优选地，介质基板14和介质基板15的相对介电常数为3.55，厚度为0.508mm。
本发明非平衡到平衡的双宽带功分滤波器中，输入端口馈线的宽度影响端口匹配度，耦合带线的长度决定了两个通带的位置，其与主传输线的距离影响耦合强度，距离越近耦合强度越大，与耦合带线相连的阶梯阻抗谐振器的长度及其高阻抗线和低阻抗线的阻抗比影响三个传输零点的位置，进而影响功分滤波器的带宽和选择性。输出端口馈线2、4为一对平衡输出端口馈线，输出端口馈线3、5为一对平衡输出端口馈线，两对平衡输出端口馈线的宽度影响端口匹配。四个隔离电阻8、9、10、11的阻抗值影响两对平衡输出端口间的隔离度以及端口匹配程度。
功分滤波器实现共模抑制的原理是：共模信号经输入端口馈线流入，通过T形缺陷地结构17阻碍了上层介质基板14和下层介质基板15共模信号的传输，因此信号不能从平衡输出端口输出，实现了共模抑制的功能。
下面结合具体实施例对本发明作进一步详细描述。
实施例
本实施例非平衡到平衡的双宽带功分滤波器的结构如图1所示，具体尺寸规格如图2、图3、图4所示。所采用的上层介质基板14、下层介质基板15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2、图3、图4，滤波功分器的各尺寸参数如下：
L＝34mm,L1＝6.5mmL2＝L3＝L4＝1.5mm,L5＝1.8mm,L6＝14.7m,L7＝8.7mm,L8＝7.8mm,L9＝14.2mm,L10＝8.3mm,L11＝3.9mm,L12＝4.5mm,L13＝3.1mm,L14＝5.4mm,L15＝30mm,L16＝16mm,L17＝11mm,L18＝5.5mm,L19＝L20＝1.2mm,L21＝2.4mm,W＝28.5mm,W1＝2mm,W2＝0.6mm,W3＝2.8mm,W4＝0.2mm,W5＝0.1mm,W6＝1.3mm,S＝0.1mm。
本实施例在电磁仿真软件HFSS.18中进行建模仿真。输入差模信号时，S参数仿真图和隔离度仿真图分别如图5、图6所示，第一和第三输出端口构成差分端口A，第二和第四输出端口构成差分端口B。由图5可知，该功分滤波器两个通带的中心频率分别为2.7GHz和4.4GHz，相对带宽分别为43.3％和22.7％，通带内回波损耗小于-15dB，插入损耗优于-3.4dB，损耗较低，且通带两侧分别有两个传输零点，通带中间有一个零点，使得本实施例中的功分滤波器具有高选择性，由图6可以看出两对差分端口之间的隔离度小于-17dB。
图7为本实施例输入差模信号时的S参数仿真图，从图中可以看出，在2-8GHz范围内共模抑制达到了-20dB以下,达到了宽带共模抑制的效果。
综上所述，本发明非平衡到平衡的双宽带功分滤波器，在保证小型化的前提下实现了不平衡到平衡电路的转化，能获得两个宽带的频带，带外选择性能好，两对平衡端口之间隔离度高，且通带内共模抑制性能良好，非常适用于现代无线通信系统。

Claims (10)

1.一种非平衡到平衡的双宽带功分滤波器，其特征在于，包括从上至下依次设置的上层介质基板(14)、公共金属地(16)、下层介质基板(15)；
沿上层介质基板(14)和下层介质基板(15)的轴向，上层介质基板(14)的上表面和下层介质基板(15)的下表面的相应位置平行分别设置第一带状线(1-1)、第二带状线(1-2)，第一带状线(1-1)、第二带状线(1-2)形成双面平行带状线构成输入端口馈线；输入端口馈线的一端连接输入端口，第一带状线(1-1)的另一端平行设置与其相耦合的第一耦合带线(6-1)、第二耦合带线(7-1)；第二带状线(1-2)的另一端平行设置与其相耦合的第三耦合带线(6-2)、第四耦合带线(7-2)，且输入端口馈线的另一端通过连接公共金属地(16)短路；第一耦合带线(6-1)和第二耦合带线(7-1)的两端分别跨接第一隔离电阻(8)、第二隔离电阻(9)，第三耦合带线(6-2)和第四耦合带线(7-2)的两端分别跨接第三隔离电阻(10)、第四隔离电阻(11)；
所述上层介质基板(14)的上表面上设置关于输入端口馈线轴对称的第一输出端口馈线(2)和第二输出端口馈线(3)，两个输出端口馈线的一端分别连接相应的输出端口，另一端分别与第一耦合带线(6-1)、第二耦合带线(7-1)相连；上层介质基板(14)的上表面上还设置关于输入端口馈线轴对称的第一阶梯阻抗谐振器(12-1)、第二阶梯阻抗谐振器(13-1)，两个阶梯阻抗谐振器的一端分别与第一耦合带线(6-1)、第二耦合带线(7-1)相连，另一端均开路；
所述下层介质基板(15)的下表面上设置关于输入端口馈线轴对称的第三输出端口馈线(4)和第四输出端口馈线(5)，两个输出端口馈线的一端分别连接相应的输出端口，另一端分别与第三耦合带线(6-2)、第四耦合带线(7-2)相连；下层介质基板(15)的下表面上还设置关于输入端口馈线轴对称的第三阶梯阻抗谐振器(12-2)、第四阶梯阻抗谐振器(13-2)，两个阶梯阻抗谐振器的一端分别与第三耦合带线(6-2)、第四耦合带线(7-2)相连，另一端均开路；
所述第一输出端口馈线(2)和第二输出端口馈线(3)的下方、第三输出端口馈线(4)和第四输出端口馈线(5)的上方均设置有公共金属地(16)，其余元件的上或下方无公共金属地(16)。
2.根据权利要求1所述的非平衡到平衡的双宽带功分滤波器，其特征在于，所述输入端口馈线包括50欧姆带状线导带和终端短路的主传输线，即第一带状线(1-1)包括相连的第一50欧姆带状线导带(101-1)、第一主传输线(102-1)，第二带状线(1-2)包括相连的第二50欧姆带状线导带(101-2)、第二主传输线(102-2)，第一50欧姆带状线导带(101-1)的一端、第二50欧姆带状线导带(101-2)的一端连接输入端口，另一端分别与第一主传输线(102-1)、第二主传输线(102-2)相连。
3.根据权利要求2所述的非平衡到平衡的双宽带功分滤波器，其特征在于，所述两个主传输线与50欧姆带状线导带相连的一端均为折线形，另一端为直线形。
4.根据权利要求3所述的非平衡到平衡的双宽带功分滤波器，其特征在于，所述折线形具体为S形。
5.根据权利要求1所述的非平衡到平衡的双宽带功分滤波器，其特征在于，所述输出端口馈线均包括50欧姆微带线导带，其与耦合带线相连的一端与输入端口馈线之间存在夹角θ。
6.根据权利要求1或5所述的非平衡到平衡的双宽带功分滤波器，其特征在于，所述第一输出端口馈线(2)和第二输出端口馈线(3)对应的两个输出端口位于上层介质基板(14)的同一边或相对边；第三输出端口馈线(4)和第四输出端口馈线(5)对应的两个输出端口位于下层介质基板(15)的同一边或相对边。
7.根据权利要求1所述的非平衡到平衡的双宽带功分滤波器，其特征在于，所述阶梯阻抗谐振器均包括低阻抗线和高阻抗线，低阻抗线的一端与耦合带线相连，另一端与高阻抗线的一端相连，高阻抗线的另一端开路。
8.根据权利要求7所述的非平衡到平衡的双宽带功分滤波器，其特征在于，所述高阻抗线开路的一端为折线形，具体为U形。
9.根据权利要求1所述的非平衡到平衡的双宽带功分滤波器，其特征在于，所述公共金属地(16)上蚀刻T形缺陷地结构(17)，蚀刻区域包括输入端口馈线、耦合带状线以及阶梯阻抗谐振器，实现双面平行带线到微带线的过渡。
10.根据权利要求1所述的非平衡到平衡的双宽带功分滤波器，其特征在于，所述介质基板(14)和介质基板(15)的相对介电常数为3.55，厚度为0.508mm。
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