CN111082191A - 一种通道能够独立设计的双工器 - Google Patents

Abstract

本发明提出了一种通道能够独立设计的双工器，该双工器使用枝节加载的阶跃阻抗谐振器作为公用的输入谐振器。枝节加载在阶跃阻抗谐振器的三次谐波电压零点处，对五次谐波频率（f ₅）能够独立控制但对三次谐波频率（f ₃）没有影响，因而由它们设计的两个通道频率能够进行单独设计。同时，输入端口直接馈到公用阶跃阻抗谐振器上，这必然会在f ₃和f ₅之间产生一个传输零点，并且这个传输零点会一直存在于两个通道的滤波响应中。另外，由于f ₅通道是通过枝节耦合形成，因此在f ₃处存在一个传输零点；同时通过设计f ₃通道的耦合方案，可以在f ₅处产生传输零点。产生的多个传输零点可使每个通道的选择性和它们之间的隔离度得到显著提高。

Description

一种通道能够独立设计的双工器

技术领域

本发明涉及无线通信技术领域，特别涉及一种通道能够独立设计的双工器。

背景技术

双工器是无线通信系统中的重要组成部件，可根据它们自身的频率将来自相同输入端口的信号分离到两个不同的信道。由于现代通信系统的高速发展，要求它们具有小尺寸，低损耗，高隔离，信道频率可灵活设计等特点。因此，基于基板集成波导，腔，槽线和微带线等等制造技术研发了多种双工器。但是在这些设计中，频率和通道响应都很难单独设计。

发明内容

本发明的目的在于：克服上述现有技术的缺陷，提出一种通道能够独立设计的双工器。

为了达到上述目的，本发明提出的一种通道能够独立设计的双工器，包括：加载有枝节的阶跃阻抗谐振器、第一均匀阻抗谐振器、第二均匀阻抗谐振器，以及输入馈线、第一输出馈线和第二输出馈线；所述加载枝节的阶跃阻抗谐振器用于设计双工器的低通道频率和高通道频率，所述低通道频率和高通道频率分别为三次谐波频率和五次谐波频率；所述枝节加载在阶跃阻抗谐振器的三次谐波电压零点处，对五次谐波频率能够独立控制但对三次谐波频率没有影响；所述输入馈线直接馈在阶跃阻抗谐振器上，设置馈点的位置，使得阶跃阻抗谐振器在三次谐波频率和五次谐波频率之间产生一个传输零点TZ₁；所述阶跃阻抗谐振器的一端与第一均匀阻抗谐振器耦合形成低通道；所述加载在阶跃阻抗谐振器的枝节与第二均匀阻抗谐振器耦合形成高通道；设置阶跃阻抗谐振器与第一均匀阻抗谐振器耦合部分的长度，使得双工器的低通道在五次谐波频率处获得一个传输零点TZ₂；加载在阶跃阻抗谐振器的枝节与第二均匀阻抗谐振器耦合，使得双工器的高通道在三次谐波频率附近获得一个传输零点TZ₃。

进一步的，双工器具有叠置的金属地板和介质基板，所述阶跃阻抗谐振器1、第一均匀阻抗谐振器2、第二均匀阻抗谐振器3，以及输入馈线5、第一输出馈线6和第二输出馈线7均设置于介质基板的上表面，所述阶跃阻抗谐振器1、第一均匀阻抗谐振器2和第二均匀阻抗谐振器3的短路端通过穿过介质基板的金属化通孔连接金属地板。

本发明提出了上述双工器的设计方法，包括以下步骤：

步骤1)、输入馈线的馈点设置

调整上述双工器的输入馈线的馈点位置，使得阶跃阻抗谐振器在三次谐波频率和五次谐波频率之间产生一个传输零点TZ₁，该馈点位置决定公共传输零点的位置，同时也影响两个通道的外部品质因数；

步骤2)、枝节加载位置的设置

将枝节加载在阶跃阻抗谐振器的三次谐波电压零点处，实现对双工器三次谐波频率的锁定，消除调节枝节的参数对双工器三次谐波频率的影响；

步骤3)、低通道设计

去除双工器的第二均匀阻抗谐振器和第二输出馈线，单独设计低通道；调节阶跃阻抗谐振器与第一均匀阻抗谐振器耦合部分的长度，使得双工器的低通道在五次谐波频率处获得一个传输零点TZ₂，通过调节阶跃阻抗谐振器与第一均匀阻抗谐振器的耦合间隙g₂获得所需的耦合系数；

步骤4)、高通道设计

因低通道在五次谐波频率处获得一个传输零点(TZ₂)，在高通道频率处相当于开路，因此可去除双工器的第一均匀阻抗谐振器和第一输出馈线，单独设计高通道；枝节4加载在阶跃阻抗谐振器的三次谐波电压零点处，通过枝节4耦合形成的高通道必然在三次谐波频率获得一个传输零点TZ₃，通过调节枝节与第一均匀阻抗谐振器的耦合间隙g₁获得所需的耦合系数；

基于上述设计步骤，通过组合低通道滤波器和高通道滤波器来设计所述双工器。高通道通过枝节耦合、低通道通过设计耦合方案以及适当选择输入端口的馈电位置，可使每个通道都可产生两个传输零点并且这两个传输零点在另一个通道响应附近，进而提高通带的选择性和隔离度。

本发明提出一种通道能够独立设计且具有多个传输零点的双工器。该双工器使用枝节加载的阶跃阻抗谐振器作为公用的输入谐振器，并用它设计双工器的两个通道，频率分别为三次谐波频率(f₃)和五次谐波频率(f₅)。枝节加载在阶跃阻抗谐振器的三次谐波电压零点处，对f₅能够独立控制但对f₃没有影响，因而由它们设计的两个通道频率能够进行单独设计。同时，输入端口直接馈到公用阶跃阻抗谐振器上，这必然会在f₃和f₅之间产生一个传输零点，并且这个传输零点会一直存在于两个通道的滤波响应中。另外，由于f₅通道是通过枝节耦合形成，因此在f₃处存在一个传输零点；同时通过设计f₃通道的耦合方案，可以在f₅处产生传输零点。产生的多个传输零点可使每个通道的选择性和它们之间的隔离度得到显著提高。

附图说明

下面结合附图对本发明作进一步的说明。

图1是本发明双工器示意图。

图2是本发明双工器示意图(标尺寸)。

图3是分析枝节加载阶跃阻抗谐振器的弱耦合结构。

图4是对应图3的仿真结果f₃和f₅随加载枝节长度L_stub变化的频率响应图。

图5是对应图3的仿真结果f₃和f₅随馈电点位置L₂变化的频率响应图。

图6是本发明双工器的仿真测试结果。

图中标号示意如下：

1-阶跃阻抗谐振器；2-第一均匀阻抗谐振器；3-第二均匀阻抗谐振器；4-加载的枝节；5-输入馈线；6-第一输出馈线；7-第二输出馈线。

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。

如图1、图2所示，本实施例双工器，包括：加载有枝节4的阶跃阻抗谐振器1、第一均匀阻抗谐振器2、第二均匀阻抗谐振器3，以及输入馈线5、第一输出馈线6和第二输出馈线7；其中，第一均匀阻抗谐振器2和第二均匀阻抗谐振器3分别为对应于公用阶跃阻抗谐振器三次谐波频率(f₃)和五次谐波频率(f₃)的四分之一波长谐振器。

如图3所示，枝节加载的阶跃阻抗谐振器可用于设计双工器的低通道频率和高通道频率，低通道频率和高通道频率分别为f₃和f₅。图3中，端口1'为阶跃阻抗谐振器的输入端，端口2'为阶跃阻抗谐振器的输出端，Z₁、Z₂分别为阶跃阻抗谐振器的高阻抗和低阻抗，Z₃为加载枝节的阻抗，l₁、l₂分别为阶跃阻抗谐振器的高阻抗和低阻抗对应的长度，L_stub为加载枝节的的长度，c为集总电容。Z_in1为馈电点位置右边的输入阻抗，Z_in2为馈电点位置左边输入阻抗。枝节加载在阶跃阻抗谐振器的三次谐波电压零点处，对f₅能够独立控制但对f₃没有影响，可实现对两个通道频率的单独控制。如图4所示，随着L_stub增加，f₅向f₃移动同时f₃保持不变，从而双工器的两个通道可以相互靠近。另外，f₃和f₅之间存在一个传输零点，这取决于输入馈电点的位置(由L₂表示)，如图3所示。根据传输线理论，输入端口1处的输入阻抗Z_int可表示为

由于馈电点位于f₃电压零点的右侧，因此对应于Z_int＝0传输零点的频率f_TZ(由于Z_in1＝0)大于f₃。从图5可以看出，随着L₂的增加，传输零点的频率向下移动。值得注意的是，选取合适的馈电点位置，这个传输零点可同时存在于两个通道滤波响应中，因此在后续双工器设计中可利用这个零点提高两个通道之间的通带选择性和隔离度。

输入馈线5(端口1)直接馈在加载有枝节4的阶跃阻抗谐振器1上。馈电位置不仅决定了公共传输零点的位置，还影响了两个通道的外部品质因数。设置馈电点的位置，使得阶跃阻抗谐振器1在f₃和f₅之间产生一个传输零点TZ₁。阶跃阻抗谐振器1的一端与第一均匀阻抗谐振器2耦合形成低通道；加载在阶跃阻抗谐振器1的枝节4与第二均匀阻抗谐振器3耦合形成高通道。

受益于公用阶跃阻抗谐振器的加载方案，调节加载枝节可以独立控制f₅但对f₃没有影响。设置阶跃阻抗谐振器1与第一均匀阻抗谐振器2耦合部分的长度，使得双工器的低通道在f₅处获得一个传输零点TZ₂。

设置加载在阶跃阻抗谐振器1的枝节4与第二均匀阻抗谐振器3耦合，使得双工器的高通道在f₃附近获得一个传输零点TZ₃。

本发明双工器的低通道是指阶跃阻抗谐振器1的一端和第一均匀阻抗谐振器2耦合在f₃处所形成的通带响应。本发明双工器的高通道是指阶跃阻抗谐振器1的枝节4与第二均匀阻抗谐振器3耦合在f₅处所形成的通带响应。

本实施例双工器中，第一均匀阻抗谐振器2和第二均匀阻抗谐振器3均为四分之一波长谐振器。阶跃阻抗谐振器1从短路端至开路端依次为长度等于L₁、L₂、L₃、L₄、L₅的五个区段，L₁为阶跃阻抗谐振器1的低阻抗长度，L₂+L₃+L₄+L₅为阶跃阻抗谐振器1高阻抗长度；输入馈线5的馈点在距离阶跃阻抗谐振器1短路端的L₁+L₂处，枝节4设置在距离阶跃阻抗谐振器短路端的L₁+L₂+L₃处，双工器的低通道耦合长度为L₅+W₂，W₂是阶跃阻抗谐振器1高阻抗部分的宽度，双工器的高通道耦合长度为L_stub-d，L_stub为枝节4的长度，d为第二均匀阻抗谐振器3至阶跃阻抗谐振器1的横向距离。第一均匀阻抗谐振器2开路端至第一输出馈线6的距离为L₆，第一均匀阻抗谐振器2的短路端至第一输出馈线6的距离为L₇，通过调节L₇，实现对双工器低通道的外部品质因数的调节以满足设计要求。第二均匀阻抗谐振器3的折叠部分长度为L₈，第二均匀阻抗谐振器3短路端至第二输出馈线7的距离为L₉，通过调节L₉，实现对双工器高通道的外部品质因数的调节以满足设计要求。

本实施例双工器的设计方法，包括以下步骤：

步骤1)、输入馈线5的馈点设置

调整权利要求1所述双工器的输入馈线5的馈点位置，使得阶跃阻抗谐振器1在三次谐波频率f₃和五次谐波频率f₅之间产生一个传输零点TZ₁，该馈点位置决定公共传输零点的位置，并且影响了两个通道的外部品质因数。

步骤2)、枝节4加载位置的设置

将枝节4加载在阶跃阻抗谐振器1的三次谐波电压零点处，实现对双工器的三次谐波频率f₃锁定，消除调节枝节4的参数对双工器三次谐波频率f₃的影响。从而可以实现两个通道的独立设计。

步骤3)、低通道设计

去除双工器的第二均匀阻抗谐振器3和第二输出馈线7，单独设计低通道。调节阶跃阻抗谐振器1与第一均匀阻抗谐振器2耦合部分的长度，使得双工器的低通道在五次谐波频率f₅处获得一个传输零点TZ₂，通过调节阶跃阻抗谐振器1与第一均匀阻抗谐振器2的耦合间隙g₂获得所需的耦合系数。

步骤4)、高通道设计

因低通道在五次谐波频率f₅处获得一个传输零点TZ₂，在高通道频率处相当于开路，因此可去除双工器的第一均匀阻抗谐振器2和第一输出馈线6，单独设计高通道；枝节4加载在阶跃阻抗谐振器的三次谐波电压零点处，通过枝节4耦合形成的高通道必然在三次谐波频率获得一个传输零点TZ₃，通过调节枝节4与第一均匀阻抗谐振器2的耦合间隙获g₁得所需的耦合系数。

基于上述设计步骤，通过组合低通道滤波器和高通道滤波器来设计所述双工器，如图1、2所示。高通道通过枝节耦合、低通道通过设计耦合方案以及适当选择输入端口的馈电点位置，可使每个通道都可产生两个传输零点并且这两个传输零点在另一个通道响应附近，进而提高通带的选择性和隔离度。

本实施例双工器参数和仿真测试结果如下：

所提出的双工器的结构参数：L₁＝20mm，L₂＝15.06mm，L₃＝5.69mm，L₄＝5.55mm，L₅＝13.7mm，L₆＝17.24mm，L₇＝1.64mm，L₈＝11.84mm，L₉＝1.75mm，L_stub＝10mm，W＝1.122mm，W₁＝2mm，W₂＝0.5mm，W₃＝1.5mm，d＝2.5mm，g₁＝0.4mm，g₂＝0.1mm。

所提出的双工器的测试结果：两个通带中心频率分别：2.22GHz和2.95GHz，3dB带宽分别：10.8％和9.2％。插入损耗分别：1.14和1.42dB，两个通带的回波损耗优于16dB。两个通道之间的公共传输零点TZ₁位于2.46GHz。较低和较高信道中的TZ₂和TZ₃分别位于2.95GHz和2.05GHz，然后两个通道之间的隔离度分别优于30和40dB。

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 (8)

1.一种通道能够独立设计的双工器，包括：加载有枝节（4）的阶跃阻抗谐振器（1）、第一均匀阻抗谐振器（2）、第二均匀阻抗谐振器（3），以及输入馈线（5）、第一输出馈线（6）和第二输出馈线（7）；所述加载枝节（4）的阶跃阻抗谐振器（1）用于设计双工器的低通道频率和高通道频率，所述低通道频率和高通道频率分别为三次谐波频率和五次谐波频率；所述枝节（4）加载在阶跃阻抗谐振器（1）的三次谐波电压零点处；所述输入馈线（5）直接馈在阶跃阻抗谐振器（1）上，设置馈点的位置，使得阶跃阻抗谐振器（1）在三次谐波频率和五次谐波频率之间产生一个传输零点（TZ₁）；所述阶跃阻抗谐振器（1）的一端与第一均匀阻抗谐振器（2）耦合形成低通道；所述加载在阶跃阻抗谐振器（1）的枝节（4）与第二均匀阻抗谐振器（3）耦合形成高通道；设置阶跃阻抗谐振器（1）与第一均匀阻抗谐振器（2）耦合部分的长度，使得双工器的低通道在五次谐波频率处获得一个传输零点（TZ₂）；加载在阶跃阻抗谐振器（1）的枝节（4）与第二均匀阻抗谐振器（3）耦合，使得双工器的高通道在三次谐波频率附近获得一个传输零点（TZ₃）。

2.根据权利要求1所述的双工器，其特征在于：所述低通道是指阶跃阻抗谐振器（1）的一端和第一均匀阻抗谐振器（2）耦合在三次谐波频率处所形成的通带响应；所述高通道是指加载在阶跃阻抗谐振器（1）上的枝节（4）与第二均匀阻抗谐振器（3）耦合在五次谐波频率处所形成的通带响应。

3.根据权利要求2所述的双工器，其特征在于：所述第一均匀阻抗谐振器（2）和第二均匀阻抗谐振器（3）分别为对应于公用阶跃阻抗谐振器三次谐波频率和五次谐振频率的四分之一波长谐振器。

4.根据权利要求2所述的可双工器，其特征在于：具有叠置的金属地板和介质基板，所述阶跃阻抗谐振器（1）、第一均匀阻抗谐振器（2）、第二均匀阻抗谐振器（3），以及输入馈线（5）、第一输出馈线（6）和第二输出馈线（7）均设置于介质基板的上表面，所述阶跃阻抗谐振器（1）、第一均匀阻抗谐振器（2）和第二均匀阻抗谐振器（3）的短路端通过穿过介质基板的金属化通孔连接金属地板。

5. 权利要求1所述双工器的设计方法，包括以下步骤：

步骤1）、输入馈线（5）的馈点设置

调整权利要求1所述双工器的输入馈线（5）的馈点位置，使得阶跃阻抗谐振器（1）在三次谐波频率和五次谐波频率之间产生一个传输零点（TZ₁），该馈点位置决定公共传输零点的位置，同时也影响两个通道的外部品质因数；

步骤2）、枝节（4）加载位置的设置

将枝节（4）加载在阶跃阻抗谐振器（1）的三次谐波电压零点处，实现对双工器三次谐波频率的锁定，消除调节枝节（4）的参数对双工器三次谐波频率的影响；

步骤3）、低通道设计

去除双工器的第二均匀阻抗谐振器（3）和第二输出馈线（7），单独设计低通道；调节阶跃阻抗谐振器（1）与第一均匀阻抗谐振器（2）耦合部分的长度，使得双工器的低通道在五次谐波频率处获得一个传输零点（TZ₂），通过调节阶跃阻抗谐振器（1）与第一均匀阻抗谐振器（2）的耦合间隙g ₂获得所需的耦合系数；

步骤4）、高通道设计

去除双工器的第一均匀阻抗谐振器（2）和第一输出馈线（6），单独设计高通道；枝节（4）加载在阶跃阻抗谐振器的三次谐波电压零点处，通过枝节（4）耦合形成的高通道必然在三次谐波频率获得一个传输零点（TZ₃），通过调节枝节（4）与第一均匀阻抗谐振器（2）的耦合间隙g ₁获得所需的耦合系数；至此完成了权利要求1所述双工器的主体设计。

6.根据权利要求5所述双工器的设计方法，其特征在于：阶跃阻抗谐振器（1）从短路端至开路端依次为长度等于L ₁、L ₂、L ₃、L ₄、L ₅的五个区段，L ₁为阶跃阻抗谐振器（1）的低阻抗长度，L ₂+L ₃+L ₄+L ₅为阶跃阻抗谐振器（1）高阻抗长度；输入馈线（5）的馈点在距离阶跃阻抗谐振器（1）短路端的L ₁+L ₂处，枝节（4）设置在距离阶跃阻抗谐振器短路端的L ₁+L ₂+L ₃处，双工器的低通道耦合长度为L ₅+W ₂，W ₂是阶跃阻抗谐振器（1）高阻抗部分的宽度，双工器的高通道耦合长度为L _stub-d，L _stub为枝节（4）的长度，d为第二均匀阻抗谐振器（3）至阶跃阻抗谐振器（1）的横向距离。

7.根据权利要求5所述双工器的设计方法，其特征在于：第一均匀阻抗谐振器（2）开路端至第一输出馈线（6）的距离为L ₆，第一均匀阻抗谐振器（2）的短路端至第一输出馈线（6）的距离为L ₇，通过调节L ₇，实现对双工器低通道的外部品质因数的调节以满足设计要求。

8.根据权利要求5所述双工器的设计方法，其特征在于：第二均匀阻抗谐振器（3）的折叠部分长度为L ₈，第二均匀阻抗谐振器（3）短路端至第二输出馈线（7）的距离为L ₉，通过调节L ₉，实现对双工器高通道的外部品质因数的调节以满足设计要求。

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