CN111146536B - 一种低通道频率固定高通道频率可调的双工器及设计方法 - Google Patents

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Abstract

本发明提出一种低通道频率固定高通道频率可调的双工器，该双工器使用加载有枝节和第一可变电容C v1的均匀阻抗谐振器作为公用的输入谐振器。枝节加载在第一均匀阻抗谐振器的f 3电压零点处，C v1加载在枝节的开路端，加载有C v1的枝节对f 5能够独立调谐但对f 3没有影响。因而由f 3和f 5设计出的双工器具有两个通道可独立设计的优点，同时低通道固定而高通道可独立调谐。同时，输入端口直接馈到公用第一均匀阻抗谐振器上，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，两个通道选取合理的耦合方案产生额外两个传输零点，可进一步提高通道的选择性和通道间的隔离。

Description

一种低通道频率固定高通道频率可调的双工器及设计方法
技术领域
本发明涉及无线通信技术领域，特别涉及一种低通道频率固定高通道频率可调的双工器。
背景技术
无线通信系统对具有可重新配置性的组件要求越来越高，希望能在有限的电路空间或成本内实现更多的功能。所以，各种可重构组件，如功率分配器，耦合器，双工器，天线和滤波器都被研究以满足射频前端的应用要求。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，要求设计出具有小尺寸，低损耗，高隔离，信道频率可灵活设计等特点的可调双工器。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可调双工器。但是在这些设计中，频率和通道响应都很难单独设计，为了解决这个问题，一个低通道频率固定高通道频率可调的双工器被设计出了。
发明内容
本发明的目的在于：克服上述现有技术的缺陷，提出一种低通道频率固定高通道频率可调的双工器。
为了达到上述目的，本发明提出的一种低通道频率固定高通道频率可调的双工器，包括：加载有枝节和第一可变电容的第一均匀阻抗谐振器、第二均匀阻抗谐振器、加载有第二可变电容的第三均匀阻抗谐振器，以及输入馈线、第一输出馈线和第二输出馈线；所述加载枝节和第一可变电容的第一均匀阻抗谐振器用于设计双工器的低通道频率和高通道频率，所述低通道和高通道的频率分别为三次谐波频率和五次谐波频率，所述枝节加载在第一均匀阻抗谐振器的三次谐波电压零点处；所述枝节的开路端通过第一可变电容接地，第三均匀阻抗谐振器的开路端通过第二可变电容接地，第二输出馈线与第三均匀阻抗谐振器之间设置有第三可变电容；所述输入馈线直接馈在第一均匀阻抗谐振器上，设置馈点的位置，使得第一均匀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；所述第一均匀阻抗谐振器的一端与第二均匀阻抗谐振器耦合形成低通道；所述加载在第一均匀阻抗谐振器的枝节与加载有第二可变电容的第三均匀阻抗谐振器耦合形成高通道；设置第一均匀阻抗谐振器与第二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附近处获得一个传输零点TZ2；加载在第一均匀阻抗谐振器的枝节与加载有第二可变电容的第三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，所述第一均匀阻抗谐振器、第二均匀阻抗谐振器、第三均匀阻抗谐振器，以及输入馈线、第一输出馈线和第二输出馈线均设置于介质基板的上表面，所述第一均匀阻抗谐振器、第二均匀阻抗谐振器和第三均匀阻抗谐振器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，使得第一均匀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
将枝节加载在第一均匀阻抗谐振器的三次谐波电压零点处，第一可变电容加载在枝节开路端，实现对双工器的三次谐波频率锁定，消除调节枝节和第一可变电容的参数对双工器三次谐波频率的影响；
步骤3）、低通道设计
去除双工器的第三均匀阻抗谐振器、第二可变电容、第二输出馈线和第三可变电容，单独设计低通道；调节第一均匀阻抗谐振器与第二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附近处获得一个传输零点TZ2，通过调节第一均匀阻抗谐振器与第二均匀阻抗谐振器的耦合间隙g 1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附近处获得一个传输零点TZ2，在高通道频率附近处相当于开路，所以可去除双工器的第二均匀阻抗谐振器和第一输出馈线，单独设计低通道；枝节加载在阶跃阻抗谐振器的三次谐波电压零点处，通过枝节耦合形成的高通道在三次谐波频率获得一个传输零点TZ3调节枝节的长度，通过调节枝节与第三均匀阻抗谐振器的耦合间隙g 2获得所需的耦合系数；
步骤5）、调节高通道的频率和外部品质因数
将第一可变电容加载在枝节的开路端，通过改变第一可变电容的电容来调节五次谐波频率，使其符合设计要求；通过改变第二可变电容的电容来调节第三均匀阻抗谐振器的频率使其工作在双工器的五次谐波频率；通过改变第三可变电容的电容来调节高通道的外部品质因数，使其符合设计要求。
本发明提出一种低通道频率固定高通道频率可调的双工器。该双工器使用加载有枝节和第一可变电容（C v1）的均匀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（f 3）和五次谐波频率（f 5）。枝节加载在第一均匀阻抗谐振器的三次谐波电压零点处，C v1加载在枝节的开路端，加载有C v1的枝节对f 5能够独立调谐但对f 3没有影响。因而由 f 3和f 5设计出的双工器具有两个通道可独立设计的优点，同时低通道固定且高通道可独立调谐。同时，输入端口直接馈到公用均匀阻抗谐振器上，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，两个通道选取合理的耦合方案产生额外两个传输零点，可进一步提高通道的选择性和通道间的隔离。
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是分析加载枝节和可变电容均匀阻抗谐振器的弱耦合结构。
图4是对应图3仿真结果f 5随加载枝节长度L stub变化的频率响应图。
图5是对应图3仿真结果f 5随第一可变电容C v1变化的频率响应图。
图6 (a)和图6 (b) 是本发明可调双工器的仿真测试结果。
图中标号示意如下：
1-第一均匀阻抗谐振器；2-第二均匀阻抗谐振器；3-第三均匀阻抗谐振器；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；C v1-第一可变电容；C v2-第二可变电容；C v3-第三可变电容。
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和第一可变电容C v1的第一均匀阻抗谐振器1、第二均匀阻抗谐振器2、加载有第二可变电容C v2的第三均匀阻抗谐振器3，以及输入馈线5、第一输出馈线6和第二输出馈线7；枝节4的开路端通过第一可变电容C v1接地，第三均匀阻抗谐振器3的开路端通过第二可变电容C v2接地，第二输出馈线7与第三均匀阻抗谐振器3之间设置有第三可变电容C v3。其中，第二均匀阻抗谐振器2和第三均匀阻抗谐振器3分别为对应于公用第一均匀阻抗谐振器1三次谐波频率和五次谐振频率的四分之一波长谐振器。
如图3所示，加载有与枝节和第一可变电容C v1的第一均匀阻抗谐振器可用于设计双工器的低通道和高通道，低通道频率和高通道频率分别为三次谐波频率（f 3）和五次谐波频率（f 5）。图3中，端口1'为第一均匀阻抗谐振器的输入端，端口2'为第一均匀阻抗谐振器的输出端，Z 1为第一均匀阻抗谐振器的阻抗，Z 2为加载枝节的阻抗，l 1为第一均匀阻抗谐振器的长度，L stub为加载枝节的长度，c为集总电容，C v1为第一可变电容。枝节加载在第一均匀阻抗谐振器的三次谐波电压零点处，C v1加载在枝节的开路端，可实现f 3固定和f 5可独立调谐。如图4和图5所示，C v1保持不变，随着L stub增加，f 3向f 3移动同时f 3保持不变。L stub保持不变，随着C v1增加，f 5向f 3移动同时f 3保持不变。从而双工器的两个通道可以相互靠近。另外，从图中可看出，f 3和f 5之间存在一个传输零点，这取决于输入馈电点的位置。值得注意的是，选择合适的馈点位置，这个传输零点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和第一可变电容C v1的第一均匀阻抗谐振器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。设置馈点的位置，使得第一均匀阻抗谐振器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。第一均匀阻抗谐振器1的一端与第二均匀阻抗谐振器2耦合形成低通道；加载在第一均匀阻抗谐振器1的枝节4与加载有第二可变电容C v2的第三均匀阻抗谐振器3耦合形成高通道。
受益于公用均匀阻抗谐振器的加载方案，调节加载枝节和/或第一可变电容 C v1可以独立调谐f 5但对f 3没有影响。设置第一均匀阻抗谐振器1与第二均匀阻抗谐振器2耦合部分的长度，使得双工器的低通道在f 5附近处获得一个传输零点TZ2。加载在第一均匀阻抗谐振器1的枝节4与加载有第二可变电容C v2的第三均匀阻抗谐振器3耦合，使得双工器的高通道在f 3附近获得一个传输零点TZ3。
本发明双工器的低通道是指第一均匀阻抗谐振器1的一端和第二均匀阻抗谐振器2耦合在f 3处所形成的通带响应。本发明双工器的高通道是指第一均匀阻抗谐振器1的枝节4与加载有第二可变电容C v2的第三均匀阻抗谐振器3耦合在f 5处所形成的通带响应。
本实施例双工器中，第二均匀阻抗谐振器2和第三均匀阻抗谐振器3分别为对应于公用第一均匀阻抗谐振器1三次谐波频率和五次谐振频率的四分之一波长谐振器。第一均匀阻抗谐振器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、L 6、L 7、L 8的八个区段；输入馈线5的馈点在距离第一均匀阻抗谐振器1短路端的L 1+L 2+L 3+L 4+L 5处，枝节4设置在距离第一均匀阻抗谐振器短路端的L 1+L 2+L 3+L 4+L 5 +L 6处,双工器的低通道耦合长度为L 8+W 1，W 1是第一均匀阻抗谐振器1的宽度，双工器的高通道耦合长度为L stub，L stub为枝节4的长度。第二均匀阻抗谐振器2开路端至第一输出馈线6的距离为L 9，第二均匀阻抗谐振器2的短路端至第一输出馈线6的距离为L 10，通过调节L 10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。第三均匀阻抗谐振器3从开路端到短路端依次为长度等于L 11、L 12、L 13的三个区段，第三均匀阻抗谐振器3短路端至第二输出馈线7的距离为L 12+L 13,通过调节L 12+L 13和第三可变电容C v3，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，使得第一均匀阻抗谐振器1在三次谐波频率f 3和五次谐波频率f 5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加载在第一均匀阻抗谐振器1的三次谐波电压零点处，第一可变电容C v1加载在之际4开路端，实现对双工器的三次谐波频率f 3锁定，消除调节枝节4和第一可变电容C v1的参数对双工器三次谐波频率f 3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
去除双工器的第三均匀阻抗谐振器3、第二可变电容C v2、第二输出馈线7和第三可变电容C v3，单独设计低通道。调节第一均匀阻抗谐振器1与第二均匀阻抗谐振器2耦合部分的长度，使得双工器的低通道在五次谐波频率f 5附近处获得一个传输零点TZ2，通过调节第一均匀阻抗谐振器1与第二均匀阻抗谐振器2的耦合间隙g 1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f 5附近处获得一个传输零点TZ2，在高通道频率附近处相当于开路，所以可去除双工器的第二均匀阻抗谐振器2和第一输出馈线6，单独设计低通道；枝节加载在阶跃阻抗谐振器的三次谐波电压零点处，通过枝节耦合形成的高通道在三次谐波频率获得一个传输零点TZ3，通过调节枝节4与第二均匀阻抗谐振器2的耦合间隙获g 2得所需的耦合系数。
步骤5）、调节高通道的频率和外部品质因数
将第一可变电容C v1加载在枝节4的开路端通过改变第一可变电容C v1的电容来调节五次谐波频率f 5，使其符合设计要求；通过改变第二可变电容C v2的电容来调节第三均匀阻抗谐振器的频率使其工作在双工器的五次谐波频率f 5；通过改变第三可变电容C v3的电容来调节高通道的外部品质因数，使其符合设计要求。
本实施例双工器参数如下：L 1 = 32mm，L 2 = 8mm，L 3 = 32mm，L 4 = 8mm，L 5 =24.8mm，L 6 = 14.45mm，L 7 = 22.25mm，L 8 = 40.5mm，L 9 = 52.2mm，L 10 = 7mm，L 11 = 13mm，L 12 = 5mm，L 13 = 8mm，L stub = 10mm，W = 1.8mm，W 1 = 1mm，W2 = 0.5mm，W 3 = 1.5mm，W 4 =1.5mm, g 1 = 0.2mm，g 2 = 0.25mm。
图6 (a)和图6 (b) 是本实施例发明可调双工器的仿真测试结果。
双工器的测试结果如下：
低通道频率：0.76GHz，3dB绝对带宽:106MHz, 插入损耗：0.8dB；可调高通道频率：1.056-1.214 GHz（13.9%），3dB绝对带宽：115 ± 5 MHz，插入损耗：2-1.12 dB。低通道的回波损耗优于17 dB，可调高通道的回波损耗优于12 dB。两个通道之间的公共传输零点位于0.89 GHz。较低和较高信道中的TZ2和TZ3分别位于1.05GHz和0.89GHz，然后两个通道之间的隔离度优于20dB。
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 (9)

1.一种低通道频率固定高通道频率可调的双工器，包括：加载有枝节（4）和第一可变电容（C v1）的第一均匀阻抗谐振器（1）、第二均匀阻抗谐振器（2）、加载有第二可变电容（C v2）的第三均匀阻抗谐振器（3），以及输入馈线（5）、第一输出馈线（6）和第二输出馈线（7）；所述加载有枝节（4）和第一可变电容（C v1）的第一均匀阻抗谐振器（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）加载在第一均匀阻抗谐振器（1）的三次谐波电压零点处；所述枝节（4）的开路端通过第一可变电容（C v1）接地，第三均匀阻抗谐振器（3）的开路端通过第二可变电容（C v2）接地，第二输出馈线（7）与加载有第二可变电容（C v2）的第三均匀阻抗谐振器（3）之间设置有第三可变电容（C v3）；所述输入馈线（5）直接馈在第一均匀阻抗谐振器（1）上，设置馈点的位置，使得第一均匀阻抗谐振器（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）；所述第一均匀阻抗谐振器（1）和第三均匀阻抗谐振器（3）均具有依次弯折连接的多段微带线，第二均匀阻抗谐振器（2）为直线型，所述第一均匀阻抗谐振器（1）开路端与第二均匀阻抗谐振器（2）的开路端耦合形成低通道；加载在第一均匀阻抗谐振器（1）的枝节（4）与加载有第二可变电容（C v2）的第三均匀阻抗谐振器（3）的开路端耦合形成高通道；设置第一均匀阻抗谐振器（1）与第二均匀阻抗谐振器（2）耦合部分的长度，使得双工器的低通道在五次谐波频率附近处获得一个传输零点（TZ2）；加载在第一均匀阻抗谐振器（1）的枝节（4）与加载有第二可变电容（C v2）的第三均匀阻抗谐振器（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：所述低通道是指第一均匀阻抗谐振器（1）的一端和第二均匀阻抗谐振器（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第一均匀阻抗谐振器（1）上的枝节（4）与加载有第二可变电容（C v2）的第三均匀阻抗谐振器（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：所述第二均匀阻抗谐振器（2）和第三均匀阻抗谐振器（3）分别为对应于公用第一均匀阻抗谐振器（1）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所述的双工器，其特征在于：具有叠置的金属地板和介质基板，所述第一均匀阻抗谐振器（1）、第二均匀阻抗谐振器（2）、第三均匀阻抗谐振器（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，所述第一均匀阻抗谐振器（1）、第二均匀阻抗谐振器（2）和第三均匀阻抗谐振器（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.根据权利要求1所述的双工器，其特征在于：所述第一可变电容（C v1）用于调节双工器的五次谐波频率，所述第二可变电容（C v2）用于调节第三均匀阻抗谐振器的频率使其工作在双工器的五次谐波频率；所述第三可变电容（C v3）用于调节高通道的外部品质因数。
6. 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，使得第一均匀阻抗谐振器（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）加载在第一均匀阻抗谐振器（1）的三次谐波电压零点处，第一可变电容（C v1）加载在枝节（4）的开路端，实现对双工器的三次谐波频率锁定，消除调节枝节（4）和第一可变电容（C v1）的参数对双工器三次谐波频率的影响；
步骤3）、低通道设计
去除双工器的第三均匀阻抗谐振器（3）、第二可变电容（C v2）、第二输出馈线（7）和第三可变电容（C v3），单独设计低通道；调节第一均匀阻抗谐振器（1）与第二均匀阻抗谐振器（2）耦合部分的长度，使得双工器的低通道在五次谐波频率附近处获得一个传输零点（TZ2），通过调节第一均匀阻抗谐振器（1）与第二均匀阻抗谐振器（2）的耦合间隙g 1获得所需的耦合系数；
步骤4）、高通道设计
去除双工器的第二均匀阻抗谐振器（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）与第三均匀阻抗谐振器（3）的耦合间隙g 2获得所需的耦合系数；
步骤5）、调节高通道的频率和外部品质因数
将第一可变电容（C v1）加载在枝节（4）的开路端，通过改变第一可变电容（C v1）的电容来调节五次谐波频率，使其符合设计要求；通过改变第二可变电容（C v2）的电容来调节第三均匀阻抗谐振器（3）的频率使其工作在双工器的五次谐波频率；通过改变第三可变电容（C v3）的电容来调节高通道的外部品质因数，使其符合设计要求。
7.根据权利要求6所述双工器的设计方法，其特征在于：第一均匀阻抗谐振器（1）从短路端至开路端具有第一段至第八段，且长度分别为L 1、L 2、L 3、L 4、L 5、L 6、L 7、L 8，第一段至第五段依次弯折连接，第五段与第六段直线连接，第六段至第八段依次弯折连接；输入馈线（5）的馈点在距离第一均匀阻抗谐振器（1）第五段与第六段之间，枝节（4）设置在距离第一均匀阻抗谐振器（1）第六段与第七段之间，双工器的低通道耦合长度为L 8+W 1，W 1是第一均匀阻抗谐振器（1）的宽度，双工器的高通道耦合长度为L stub，L stub为枝节（4）的长度。
8.根据权利要求7所述双工器的设计方法，其特征在于：第二均匀阻抗谐振器（2）开路端至第一输出馈线（6）的距离为L 9，第二均匀阻抗谐振器（2）的短路端至第一输出馈线（6）的距离为L 10，通过调节L 10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。
9.根据权利要求8所述双工器的设计方法，其特征在于：第三均匀阻抗谐振器（3）从开路端到短路端依次为弯折的长度分别等于L 11、L 12、L 13的三个区段，第三均匀阻抗谐振器（3）短路端至第二输出馈线（7）的距离为L 12+L 13，通过调节L 12+L 13和第三可变电容（C v3），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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