CN111384535A - 一种双通带功分滤波器 - Google Patents
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Abstract
本发明提供了一种双通带功分滤波器，包括PCB板，PCB板包括顶面的电路层、介质基板和底面的金属接地板，电路层包括输入端口馈线和两组对称的镜像电路，输入端口馈线沿PCB板的中轴线布置，起始于PCB板的前端，延伸至PCB板的后部，后端与PCB板底层的金属接地板短接；镜像电路包括输出端口馈线、两条耦合微带线条带、四分之一波长开路线和二分之一波长开路线，一条耦合微带线条带靠近输入端口馈线的后段，并与输入端口馈线的后段平行布置，另一条耦合微带线条带与四分之一波长开路线平行布置。本发明结构紧凑、损耗低、选择性高、隔离度好。
Description
技术领域
本发明涉及微波无源器件技术领域，特别是一种双通带功分滤波器。
背景技术
功分器和滤波器是现代无线通信系统中不可缺少的两种无源器件。在系统中，它们通常是级联在一起的，这往往导致大的电路尺寸和高插入损耗。为了解决这一问题，将功分器和带通滤波器集成到一个组件中，即功分滤波器(Filtering Power Diver,FPD)，同时实现指定的功率分配/组合和频率选择性的功能。功分滤波器作为一种功能集成的无源元件，受到了学术研究者的广泛关注。
文献1[C.F.Chen,T.Y.Huang,T.M.Shen and R.B.Wu,"Design of MiniaturizedFiltering Power Dividers for System-in-a-Package,"IEEE Transactions onComponents,Packaging and Manufacturing Technology,vol.3,no.10,pp.1663-1672,Oct.2013]通过利用网式谐振器，实现了一种带有切比雪夫和准椭圆带通响应的威尔金森功分器，但是，为了改善高阶响应的带内隔离特性，该种功分滤波器需要多层的隔离电阻才能实现，加大了交叉耦合拓扑的实现难度。
文献2[W.M.Chau,K.W.Hsu and W.H.Tu,"Filter-Based Wilkinson PowerDivider,"IEEE Microwave and Wireless Components Letters,vol.24,no.4,pp.239-241,April 2014]通过将一个带通滤波器和两个低通滤波器与威尔金森功分器集成，提出了一种具有宽阻带性能的功分滤波器，然而，其插损大、选择性差的问题限制了该功分滤波器的广泛应用。文献3[S.S.Gao,S.Sun and S.Xiao,"A Novel Wideband Bandpass PowerDivider With Harmonic-Suppressed Ring Resonator,"IEEE Microwave and WirelessComponents Letters,vol.23,no.3,pp.119-121,March 2013]通过利用环形谐振器，设计了一款选择性高的三通带功分滤波器，但是其带内的隔离水平欠佳。
发明内容
发明目的：本发明所要解决的技术问题是针对当前功分滤波器技术隔离水平高，损耗少和选择性高三者不能兼得的特点，提供一种结构紧凑、损耗低、选择性高、隔离度好的双通带功分滤波器。
为了解决上述技术问题，本发明提供了一种双通带功分滤波器，包括PCB板，PCB板包括顶面的电路层、介质基板和底面的金属接地板，电路层包括输入端口馈线和两组对称的镜像电路，输入端口馈线沿PCB板的中轴线布置，起始于PCB板的前端，延伸至PCB板的后部，后端与PCB板底层的金属接地板短接；镜像电路包括输出端口馈线、两条耦合微带线条带、四分之一波长开路线和二分之一波长开路线，一条耦合微带线条带靠近输入端口馈线的后段，并与输入端口馈线的后段平行布置，另一条耦合微带线条带与四分之一波长开路线平行布置；输出端口馈线和二分之一波长开路线分别连接耦合微带线条带的前端，四分之一波长开路线的外端与二分之一波长开路线第二段的后端连接；隔离电阻跨接于耦合微带线条带的后端。
本发明中，输入端口馈线包括50欧姆微带线导带和终端短路主传输线，终端短路主传输线靠近与50欧姆微带线导带的后段；终端短路主传输线的后端通过金属化过孔与金属接地板短接。
本发明中，输出端口馈线包括50欧姆微带线导带和阻抗匹配线，阻抗匹配线包括串接的第一直线段、第二直线段，第一直线段起始于输出50欧姆导带线内侧，延外侧延长线与PCB板的短边正交；第二直线段的前端与第一直线段连接，后端与耦合微带线条带的前端连接；第二直线段与第一直线段的夹角为135°。
本发明中，第一耦合微带线条带和第二耦合微带线条带靠近终端短路主传输线，并与终端短路主传输线平行布置。
本发明中，二分之一波长开路线布置在耦合微带导线的外侧，包括串接的两段；二分之一波长开路线第一段与PCB板的中轴线正交，内侧与耦合微带线条带的前端连接；二分之一波长开路线第二段的前端与第一段的外端连接，二分之一波长开路线的第二段靠近PCB板的短边，并与PCB板的短边平行。
本发明中，四分之一波长开路线内侧延长线与PCB板的中轴线垂直，四分之一波长开路线外侧与二分之一波长开路线第二段垂直；四分之一波长开路线外侧与二分之一波长开路线第二段的后端连接，四分之一波长开路线靠近PCB板的短边，并与PCB板的短边平行。
本发明中，第三耦合微带线条带和第四耦合微带线条带分别与第一四分之一波长开路线和第二四分之一波长开路线平行布置；第三耦合微带线条带和第四耦合微带线条带分别布置在第一四分之一波长开路线和第二四分之一波长开路线的后侧，靠近PCB板长边，与PCB板平行；第三耦合微带线条带和第四耦合微带线条带的内侧分别通过金属化过孔与金属接地板短接。
本发明中，包括隔离电阻，隔离电阻跨接于第一耦合微带线条带与第二耦合微带线条带的后端。
本发明中，介质基板相对介电常数为3.5-3.6，厚度为0.50-0.52mm，损耗角正切为0.0027。
有益效果：本发明结构紧凑、损耗低、选择性高、隔离度好。为了解决当前功分滤波器技术隔离水平高，损耗少和选择性高三者不能兼得的特点，本发明创造性提供一种结构紧凑、损耗低、选择性高、隔离度好的双通带功分滤波器。使功分滤波器在具有良好隔离水平和低损耗的同时选择性更高。
附图说明
下面结合附图和具体实施方式对本发明做更进一步的具体说明，本发明的上述或其他方面的优点将会变得更加清楚。
图1是本发明一种高选择性三通带功分滤波器的立体结构示意图。
图2是图1的俯视图。
图3是实施例1的结构尺寸示意图。
图4是实施例1的S参数仿真图。
图5是实施例1的两个输出端口的匹配特性和隔离特性S参数仿真图。
图中，输入端口馈线1，第一输出端口馈线2，第二输出端口馈线3，第一耦合微带线条带4，第二耦合微带线条带5，第一二分之一波长开路线8，第二二分之一波长开路线9，第一四分之一波长开路线6，第二四分之一波长开路线7，第三耦合微带线条带41，第四耦合微带线条带51，介质基板12，金属接地板13，第一金属化过孔10，第二金属化过孔401，第三金属化过孔501，隔离电阻11
输入50欧姆微带线导带101、输入终端短路主传输线(阻抗匹配线)102，
第一输出50欧姆微带线导带201、第一输出阻抗匹配线202，
第二输出50欧姆微带线导带301、第二输出阻抗匹配线302。
具体实施方式
下面将结合附图对本发明作详细说明。
实施例1：
如图1、图2所示，本实施例提供了一种一种双通带功分滤波器，包括双面、矩形的PCB板，PCB板包括顶面的电路层、介质基板12和底面的金属接地板13，其特征在于，包括一个隔离电阻11，PCB板的电路层包括输入端口馈线1和左右两组镜像电路，镜像电路以PCB板的中轴线为对称轴对称布置；输入端口馈线1沿PCB板的中轴线布置，起始于PCB板的前端，延伸至PCB板的后部，后端与PCB板底层的金属接地板13短接；左边镜像电路包括第一输出端口馈线2、第一耦合微带线条带4、第三耦合微带线条段41、第一四分之一波长开路线6和第一二分之一波长开路线8，第一耦合微带线条带4靠近输入端口馈线1的后段，并与输入端口馈线1的后段平行布置，第三耦合微带线条带41与第一四分之一波长开路线6平行布置；第一输出端口馈线1和第一二分之一波长开路线8分别连接第一耦合微带线条带4的前端，第一四分之一波长开路线6的外端与第一二分之一波长开路线8第二段的后端连接；
右边镜像电路包括第二输出端口馈线3、第二耦合微带线条带5、第四耦合微带线条段51、第二四分之一波长开路线7和第二二分之一波长开路线9，第二耦合微带线条带5靠近输入端口馈线1的后段，并与输入端口馈线1的后段平行布置，第四耦合微带线条带51与第二四分之一波长开路线7平行布置；第二输出端口馈线3和第二二分之一波长开路线9分别连接第二耦合微带线条带5的前端，第二四分之一波长开路线7的外端与第二二分之一波长开路线9第二段的后端连接；
隔离电阻11跨接于第一耦合微带线条带4和第二耦合微带条带5的后端。
输入端口馈线1包括50欧姆微带线导带101和终端短路主传输线102，终端短路主传输线102靠近与50欧姆微带线导带101的后段；终端短路主传输线102的后端通过第一金属化过孔10与金属接地板13短接。
第一输出端口馈线2包括第一输出50欧姆微带线导带201和第一输出阻抗匹配线202，第一输出阻抗匹配线202包括串接的两直线段，第一直线段起始于第一输出50欧姆导带线201内侧，延外侧延长线与PCB板的短边正交；第二直线段的前端与第一直线段连接，后端与第一耦合微带线条带4的前端连接；第二直线段与第一直线段的夹角为135°；
第二输出端口馈线3包括第二输出50欧姆微带线导带301和第二输出阻抗匹配线302，第二输出阻抗匹配线302包括串接的两直线段，第一直线段起始于第二输出50欧姆导带线301内侧，延外侧延长线与PCB板的短边正交；第二直线段的前端与第一直线段连接，后端与第二耦合微带线条带5的前端连接；第二直线段与第一直线段的夹角为135°。
第一耦合微带线条带4和第二耦合微带线条带5靠近终端短路主传输线102，并与终端短路主传输线102平行布置。
第一二分之一波长开路线8布置在第一耦合微带导线4的外侧，包括串接的两段；第一二分之一波长开路线8第一段与PCB板的中轴线正交，内侧与第一耦合微带线条带4的前端连接；第一二分之一波长开路线8第二段的前端与第一段的外端连接，第一二分之一波长开路线8的第二段靠近PCB板的短边，并与PCB板的短边平行；
第二二分之一波长开路线9布置在第二耦合微带导线5的外侧，包括串接的两段；第二二分之一波长开路线9第一段与PCB板的中轴线正交，内侧与第二耦合微带线条带5的前端连接；第二二分之一波长开路线9第二段的前端与第一段的外端连接，第二二分之一波长开路线9的第二段靠近PCB板的短边，并与PCB板的短边平行。
第一四分之一波长开路线6内侧延长线与PCB板的中轴线垂直，第一四分之一波长开路线6外侧与第一二分之一波长开路线8第二段垂直；第一四分之一波长开路线6外侧与第一二分之一波长开路线8第二段的后端连接，第一四分之一波长开路线6靠近PCB板的短边，并与PCB板的短边平行；
第二四分之一波长开路线7内侧延长线与PCB板的中轴线垂直，第二四分之一波长开路线7外侧与第二二分之一波长开路线9第二段垂直；第二四分之一波长开路线7外侧与第二二分之一波长开路线9第二段的后端连接，第二四分之一波长开路线7靠近PCB板的短边，并与PCB板的短边平行。
第三耦合微带线条带41和第四耦合微带线条带51分别与第一四分之一波长开路线6和第二四分之一波长开路线7平行布置；第三耦合微带线条带41和第四耦合微带线条带51分别布置在第一四分之一波长开路线6和第二四分之一波长开路线7的后侧，靠近PCB板长边，与长边平行；第三耦合微带线条带41和第四耦合微带线条带51的内侧分别通过第二金属化过孔401和第二金属化过孔501与金属接地板13短接。
第一四分之一波长开路线6、第一二分之一波长开路线8和第一输出端口馈线2呈S形；第二四分之一波长开路线7、第二二分之一波长开路线9和第二输出端口馈线3呈S形。
所述隔离电阻11跨接于第一耦合微带线条带4与第二耦合微带线条带5的后端。
所述介质基板12相对介电常数为3.5-3.6，厚度为0.50-0.52mm，损耗角正切为0.0027。
本实施例在制造上通过印制电路板制造工艺对电路基板正面及背面的金属面进行加工腐蚀，从而形成所需的金属图案，结构简单，可在单片PCB板上实现，便于加工集成。同时，本发明利用多模谐振器的谐振机理和主传输线的电场分布特性，获得良好的功率分配特性和滤波特性，通过巧妙的在谐振器之间接隔离电阻，获得了良好的端口隔离特性。
实施例1的结构如图1所示，俯视图如图2所示，有关尺寸规格如图3所示。所采用的介质基板12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3，双通带功分滤波器的各尺寸参数如下：WP1＝1.18mm，W1＝0.5mm，W2＝0.1mm，W3＝0.4mm，W4＝2mm，W5＝0.4mm，W6＝1.3mm，LP1＝5mm,L1＝13.2mm，L2＝15.3mm，L4＝17mm，L5＝7.6mm，L6＝9.46mm，L7＝9.46mm，g1＝0.1mm,R1＝1100Ω。功分滤波器不包括50欧姆微带线导带的总面积为38.9×29.2mm2，对应的导波长尺寸为0.57λg×0.43λg，其中λg为第一通带中心频率对应的导波波长。
本实例功分滤波器是在电磁仿真软件HFSS.13.0中建模仿真的。图4是本实例中功分滤波器的S参数仿真图，从图中可以看出，该功分滤波器的双通带的中心频率分别为2.38GHz和3.78GHz，3dB相对带宽分别为43.6％，和25.1％，通带内回波损耗低于18.5dB，双通带的最小插入损耗分别为0.17dB、0.32dB。有三个传输零点使得该实例功分滤波器具有很好的频率选择性和谐波抑制性。
图5是本实例中功分滤波器的两个功率输出端口匹配特性和隔离特性的S参数仿真图，从图中可以看出，该实例功分滤波器通带内的输出端口回波损耗均低于18dB，隔离较好。
本实施例利用四分之一波长终端短路的三线耦合结构，结合枝节加载，和阻抗匹配原理，实现了功率分配和频率选择功能的集成，通过巧妙的在谐振器之间接隔离电阻，获得了良好的端口隔离特性，实现了一种结构紧凑、损耗低、选择性高、隔离度好、具有较好带外抑制性能的双通带功分滤波器，该功分滤波器非常适用于现代无线通信系统。
本发明提供了一种双通带功分滤波器，具体实现该技术方案的方法和途径很多，以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。本实施例中未明确的各组成部分均可用现有技术加以实现。
Claims (9)
1.一种双通带功分滤波器，其特征在于，包括PCB板，PCB板包括顶面的电路层、介质基板和底面的金属接地板，电路层包括输入端口馈线和两组对称的镜像电路，输入端口馈线沿PCB板的中轴线布置，起始于PCB板的前端，延伸至PCB板的后部，后端与PCB板底层的金属接地板短接；镜像电路包括输出端口馈线、两条耦合微带线条带、四分之一波长开路线和二分之一波长开路线，一条耦合微带线条带靠近输入端口馈线的后段，并与输入端口馈线的后段平行布置，另一条耦合微带线条带与四分之一波长开路线平行布置；输出端口馈线和二分之一波长开路线分别连接耦合微带线条带的前端，四分之一波长开路线的外端与二分之一波长开路线第二段的后端连接；隔离电阻跨接于耦合微带线条带的后端。
2.根据权利要求1所述的一种双通带功分滤波器，其特征在于，输入端口馈线包括50欧姆微带线导带和终端短路主传输线，终端短路主传输线靠近与50欧姆微带线导带的后段；终端短路主传输线的后端通过金属化过孔与金属接地板短接。
3.根据权利要求1所述的一种双通带功分滤波器，其特征在于，输出端口馈线包括50欧姆微带线导带和阻抗匹配线，阻抗匹配线包括串接的第一直线段、第二直线段，第一直线段起始于输出50欧姆导带线内侧，延外侧延长线与PCB板的短边正交；第二直线段的前端与第一直线段连接，后端与耦合微带线条带的前端连接；第二直线段与第一直线段的夹角为135°。
4.根据权利要求3所述的一种双通带功分滤波器，其特征在于，第一耦合微带线条带和第二耦合微带线条带靠近终端短路主传输线，并与终端短路主传输线平行布置。
5.根据权利要求1所述的一种双通带功分滤波器，其特征在于，二分之一波长开路线布置在耦合微带导线的外侧，包括串接的两段；二分之一波长开路线第一段与PCB板的中轴线正交，内侧与耦合微带线条带的前端连接；二分之一波长开路线第二段的前端与第一段的外端连接，二分之一波长开路线的第二段靠近PCB板的短边，并与PCB板的短边平行。
6.根据权利要求1所述的一种双通带功分滤波器，其特征在于，四分之一波长开路线内侧延长线与PCB板的中轴线垂直，四分之一波长开路线外侧与二分之一波长开路线第二段垂直；四分之一波长开路线外侧与二分之一波长开路线第二段的后端连接，四分之一波长开路线靠近PCB板的短边，并与PCB板的短边平行。
7.根据权利要求1所述的一种双通带功分滤波器，其特征在于，第三耦合微带线条带和第四耦合微带线条带分别与第一四分之一波长开路线和第二四分之一波长开路线平行布置；第三耦合微带线条带和第四耦合微带线条带分别布置在第一四分之一波长开路线和第二四分之一波长开路线的后侧，靠近PCB板长边，与PCB板平行；第三耦合微带线条带和第四耦合微带线条带的内侧分别通过金属化过孔与金属接地板短接。
8.根据权利要求1所述的一种双通带功分滤波器，其特征在于，包括隔离电阻，隔离电阻跨接于第一耦合微带线条带与第二耦合微带线条带的后端。
9.根据权利要求1所述的一种双通带功分滤波器，其特征在于，介质基板相对介电常数为3.5-3.6，厚度为0.50-0.52mm，损耗角正切为0.0027。
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