CN111416183B - 一种采用双层圆形贴片的新型单通带滤波耦合器 - Google Patents

一种采用双层圆形贴片的新型单通带滤波耦合器 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种采用双层圆形贴片的新型单通带滤波耦合器，包括：从上到下依次平行布置的上层介质基板、金属接地板和下层介质基板，上层介质基板、金属接地板和下层介质基板的轮廓互相重合；当信号从第一端口输入时，第二端口和第三端口输出的信号幅值相等，相位相同；当信号从第四端口输入时，第二端口和第三端口输出的信号幅值相等，相位相反。相较于现有技术，本方案具有结构简单、高Q值及高功率处理能力的优点。

Description

一种采用双层圆形贴片的新型单通带滤波耦合器
技术领域
本发明涉及微波无源器件领域，尤其涉及一种采用双层圆形贴片的新型单通带滤波耦合器。
背景技术
现代无线通信系统需要紧凑和高性能的滤波器和耦合器。耦合器和带通滤波器在许多射频及微波应用中起着重要作用。在射频前端，它们通常以级联形式使用，这样的形式不仅系统体积庞大，而且工作性能可能下降。为了减小占用空间并改善整个电路性能，滤波耦合器作为一个单一的多功能集成元件，它既可以提供耦合器又具有带通滤波器的功能，已被探索并受到越来越多的关注。
在文献1[H.Uchida,N.Yoneda,Y.Konishi and S.Makino,"BandpassDirectional Couplers with Electromagnetically-Coupled Resonators,"2006 IEEEMTT-S International Microwave Symposium Digest,San Francisco,CA,2006,pp.1563-1566.]中，最初提出了一种滤波耦合器的概念，将其中传统耦合器中的λ/4和3λ/4转换器部分被替换为谐振器之间的耦合。
在文献2[W.Wang,T.Shen,T.Huang and R.Wu,"Miniaturized rat-race couplerwith bandpass response and good stopband rejection,"2009IEEE MTT-SInternational Microwave Symposium Digest,Boston,MA,2009,pp.709-712.]中引入了四个网型耦合谐振器进一步实现紧凑的尺寸并改善阻带抑制。
文献3[C.Wu and C.H.Chen,"Compact LTCC bandpass 180°hybrid usinglumped single-to-differential and single-to-common bandpass filters,"2009IEEEMTT-S International Microwave Symposium Digest,Boston,MA,2009,pp.1473-1476.]通过对多层低温共烧陶瓷(Low Temperature Co-fired Ceramic，LTCC)技术的探索，提出了一种非常紧凑的滤波耦合器，但是LTCC存在Q值和功率容限低的缺点。
文献4[H.Li,J.Xu and X.Y.Zhang,"Substrate Integrated WaveguideFiltering Rat-Race Coupler Based on Orthogonal Degenerate Modes,"in IEEETransactions on Microwave Theory and Techniques,vol.67,no.1,pp.140-150,Jan.2019.]利用基片集成波导(SIW)设计了具有高Q值的滤波耦合器。
发明内容
本发明提供了一种采用双层圆形贴片的单通带滤波耦合器，以解决现有的滤波耦合器存在结构复杂、Q值和功率容限低且无法高功率处理的问题。
本发明实施例提供一种采用双层圆形贴片的新型单通带滤波耦合器，包括：从上到下依次平行布置的上层介质基板、金属接地板和下层介质基板，所述上层介质基板、金属接地板和下层介质基板的轮廓互相重合；
当信号从第一端口输入时，第二端口和第三端口输出的信号幅值相等，相位相同；当信号从第四端口输入时，第二端口和第三端口输出的信号幅值相等，相位相反。
所述上层介质基板上表面设有顶层圆形贴片R、第一端口馈线和第四端口馈线；所述下层介质基板下表面设有底层圆形贴片R、第二端口馈线和第三端口馈线；所述金属接地板设有接地板第一槽线、接地板第二槽线、接地板第三槽线、接地板第四槽线、接地板第五槽线、接地板第六槽线、接地板第七槽线和接地板第八槽线。
进一步地，在一种实现方式中，所述上层介质基板、下层介质基板与金属接地板的形状均为切除两个顶点后的正方形，且被切除的所述两个顶点位于正方形的同一边上，所述正方形的切除部分为等腰直角三角形，所述等腰直角三角形的直角与正方形被切除的顶点处的直角重叠；
所述上层介质基板、金属接地板和下层介质基板的中心点在一条直线上，所述上层介质基板、金属接地板和下层介质基板的中心点所在直线垂直于上层介质基板所在平面。
进一步地，在一种实现方式中，所述第一端口馈线一端延伸至上层介质基板的侧边，另一端与顶层圆形贴片相接，所述第四端口馈线一端延伸至上层介质基板的侧边，另一端与顶层圆形贴片相接。
进一步地，在一种实现方式中，所述第二端口馈线一端延伸至下层介质基板的侧边，另一端与底层圆形贴片相接，所述第三端口馈线一端延伸至下层介质基板的侧边，另一端与底层圆形贴片相接。
进一步地，在一种实现方式中，所述第一端口馈线中轴线所在直线与第四端口馈线中轴线所在直线垂直，所述第一端口馈线中轴线所在直线与第四端口馈线中轴线所在直线相交于顶层圆形贴片的圆心；所述第二端口馈线中轴线所在直线与第三端口馈线中轴线所在直线垂直，所述第二端口馈线中轴线所在直线与第三端口馈线中轴线所在直线相交于底层圆形贴片的圆心。
进一步地，在一种实现方式中，所述金属接地板上的接地板第一槽线、接地板第二槽线、接地板第三槽线、接地板第四槽线、接地板第五槽线、接地板第六槽线、接地板第七槽线和接地板第八槽线依次间隔45度角分布，所述接地板第四槽线和接地板第八槽线沿着金属接地板第一线段所在直线布置，所述接地板第二槽线和接地板第六槽线沿着金属接地板第二线段所在直线布置，所述第一线段的第一端点与第二端点以及第二线段的第三端点与第四端点分别为原正方形各边中点，所述第一线段与第二线段互相垂直于原正方形的中点。
进一步地，在一种实现方式中，所述接地板第四槽线靠近第一端点，所述接地板第八槽线靠近第二端点，所述接地板第二槽线靠近第四端点，所述接地板第六槽线靠近第三端点，所述接地板第一槽线、接地板第二槽线、接地板第三槽线、接地板第四槽线、接地板第五槽线、接地板第六槽线、接地板第七槽线和接地板第八槽线与金属接地板中心点之间的距离均相等，所述金属接地板中心点为第一线段与第二线段的交点，所述述金属接地板中心点。
进一步地，在一种实现方式中，所述第一端口馈线与第四端口馈线关于第二线段所在直线轴对称分布，所述第二端口馈线与第三端口馈线分别位于下层介质基板第一线段所在直线和第二线段所在直线上。
进一步地，在一种实现方式中，所述第一端口馈线中轴线所在直线与第四端口馈线中轴线所在直线相交于上层介质基板中心点，所述上层介质基板中心点为第一线段与第二线段的交点，所述上层介质基板中心点与顶层圆形贴片的圆心重合；所述第二端口馈线与第三端口馈线中轴线所在直线相交于下层介质基板中心点，所述下层介质基板中心点为第一线段与第二线段的交点，所述下层介质基板中心点与底层圆形贴片的圆心重合。
现有技术中的滤波耦合器存在结构杂、Q值和功率容限低且无法高功率处理的问题。而采用前述一种采用双层圆形贴片的新型单通带滤波耦合器，利用圆形贴片TM11谐振模式进行设计，通过接地金属板的槽将特定的谐振模式传输到另一层。达到了结构简单、高Q值及高功率处理能力的效果。具体的，相对于现有技术，本发明的显著优点为：
(1)结构简单：本发明可在PCB板上实现，便于加工集成，生产成本低，将两个滤波器和耦合器融合成具有滤波功能的环形耦合器，体积减小，重量减轻且易集成。
(2)平衡特性好：本发明利用圆形贴片TM11模式电场特性，实现在不同输入端口输入信号时，输出端口的等幅同相及等幅反相，具有稳定的幅度差和相位差特性。
(3)高Q值、高功率处理能力：利用贴片本身具有高Q值、高功率处理能力。
附图说明
为了更清楚地说明本发明的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，对于本领域普通技术人员而言，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1是本实施例一种采用双层圆形贴片的单通带滤波耦合器的立体结构示意图；
图2是本实施例一种采用双层圆形贴片的单通带滤波耦合器中每层金属的俯视图；
图3是本实施例一种采用双层圆形贴片的单通带滤波耦合器的每层金属的尺寸图；
图4是本实施例一种采用双层圆形贴片的单通带滤波耦合器的S11,S21,S31仿真图；
图5是本实施例一种采用双层圆形贴片的单通带滤波耦合器的S44,S24,S34仿真图；
图6是本实施例一种采用双层圆形贴片的单通带滤波耦合器的两个输出端口的相位差仿真图；
图7是本实施例一种采用双层圆形贴片的单通带滤波耦合器的S22,S33,S41仿真图；
其中，P1-第一端口，P2-第二端口，P3-第三端口，P4-第四端口，1-第一端口馈线，101-上层介质基板，102-下层介质基板，2-第二端口馈线，200-金属接地板，3-第三端口馈线，4-第四端口馈线，R1-顶层圆形贴片，R2-底层圆形贴片，51-接地板第一槽线，52-接地板第二槽线，53-接地板第三槽线，54-接地板第四槽线，55-接地板第五槽线，56-接地板第六槽线，57-接地板第七槽线，58-接地板第八槽线。
具体实施方式
为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。
本发明实施例公开一种采用双层圆形贴片的单通带滤波耦合器，本方法集成滤波器和耦合器的功能，尺寸大大减小，具有高功率处理能力和高Q值，具有良好的电路性能，应用于无线通信系统射频前端电路。
如图1、图2所示，一种采用双层圆形贴片的新型单通带滤波耦合器，包括：从上到下依次平行布置的上层介质基板101、金属接地板200和下层介质基板102，所述上层介质基板101、金属接地板200和下层介质基板102的轮廓互相重合；
当信号从第一端口P1输入时，第二端口P2和第三端口P3输出的信号幅值相等，相位相同；当信号从第四端口P4输入时，第二端口P2和第三端口P3输出的信号幅值相等，相位相反。
具体的，本实施例中，所述上层介质基板101位于器件上层，所述下层介质基板102位于器件下层；功能上集成了滤波器和耦合器的功能，尺寸大幅减小，利用圆形贴片TM11简并模式的正向和反向电场实现所需要的0度和180度相位差。当信号从第一端口P1输入时，第二端口P2和第三端口P3输出的信号等幅同相，信号从第四端口P4输入时，第二端口P2和第三端口P3输出的信号等幅反相。
所述上层介质基板101上表面设有顶层圆形贴片R1、第一端口馈线1和第四端口馈线4；所述下层介质基板102下表面设有底层圆形贴片R2、第二端口馈线2和第三端口馈线3；所述金属接地板200设有接地板第一槽线51、接地板第二槽线52、接地板第三槽线53、接地板第四槽线54、接地板第五槽线55、接地板第六槽线56、接地板第七槽线57和接地板第八槽线58。
本实施例所述的一种采用双层圆形贴片的新型单通带滤波耦合器中，所述上层介质基板101、下层介质基板102与金属接地板200的形状均为切除两个顶点后的正方形，且被切除的所述两个顶点位于正方形的同一边上，所述正方形的切除部分为等腰直角三角形，所述等腰直角三角形的直角与正方形被切除的顶点处的直角重叠；
所述上层介质基板101、金属接地板200和下层介质基板102的中心点在一条直线上，所述上层介质基板101、金属接地板200和下层介质基板102的中心点所在直线垂直于上层介质基板101所在平面。
本实施例所述的一种采用双层圆形贴片的新型单通带滤波耦合器中，所述第一端口馈线1一端延伸至上层介质基板101的侧边，本实施例中，所述侧边即上层介质基板101的边缘，另一端与顶层圆形贴片R1相接，所述第四端口馈线4一端延伸至上层介质基板101的侧边，另一端与顶层圆形贴片R1相接。
本实施例所述的一种采用双层圆形贴片的新型单通带滤波耦合器中，所述第二端口馈线2一端延伸至下层介质基板102的侧边，另一端与底层圆形贴片R2相接，所述第三端口馈线3一端延伸至下层介质基板102的侧边，另一端与底层圆形贴片R2相接。
本实施例所述的一种采用双层圆形贴片的新型单通带滤波耦合器中，所述第一端口馈线1中轴线所在直线与第四端口馈线4中轴线所在直线垂直，所述第一端口馈线1中轴线所在直线与第四端口馈线4中轴线所在直线相交于顶层圆形贴片R1的圆心；所述第二端口馈线2中轴线所在直线与第三端口馈线3中轴线所在直线垂直，所述第二端口馈线2中轴线所在直线与第三端口馈线3中轴线所在直线相交于底层圆形贴片R2的圆心。具体的，本实施例中，所述第一端口馈线为矩形，所述中轴线与第一端口馈线的长边平行。
本实施例所述的一种采用双层圆形贴片的新型单通带滤波耦合器中，所述金属接地板200上的接地板第一槽线51、接地板第二槽线52、接地板第三槽线53、接地板第四槽线54、接地板第五槽线55、接地板第六槽线56、接地板第七槽线57和接地板第八槽线58依次间隔45度角分布，所述接地板第四槽线54和接地板第八槽线58沿着金属接地板200第一线段AB所在直线布置，所述接地板第二槽线52和接地板第六槽线56沿着金属接地板200第二线段CD所在直线布置，所述第一线段AB的第一端点A与第二端点B以及第二线段CD的第三端点C与第四端点D分别为原正方形各边中点，所述第一线段AB与第二线段CD互相垂直于原正方形的中点。
本实施例所述的一种采用双层圆形贴片的新型单通带滤波耦合器中，所述接地板第四槽线54靠近第一端点A，所述接地板第八槽线58靠近第二端点B，所述接地板第二槽线52靠近第四端点D，所述接地板第六槽线56靠近第三端点C，所述接地板第一槽线51、接地板第二槽线52、接地板第三槽线53、接地板第四槽线54、接地板第五槽线55、接地板第六槽线56、接地板第七槽线57和接地板第八槽线58与金属接地板200中心点之间的距离均相等，所述金属接地板200中心点为第一线段AB与第二线段CD的交点。
本实施例所述的一种采用双层圆形贴片的新型单通带滤波耦合器中，所述第一端口馈线1与第四端口馈线4关于第二线段CD所在直线轴对称分布，所述第二端口馈线2与第三端口馈线3分别位于下层介质基板102第一线段AB所在直线和第二线段CD所在直线上。
本实施例所述的一种采用双层圆形贴片的新型单通带滤波耦合器中，所述第一端口馈线1中轴线所在直线与第四端口馈线4中轴线所在直线相交于上层介质基板101中心点，所述上层介质基板101中心点为第一线段AB与第二线段CD的交点，所述上层介质基板101中心点与顶层圆形贴片R1的圆心重合；所述第二端口馈线2与第三端口馈线3中轴线所在直线相交于下层介质基板102中心点，所述下层介质基板102中心点为第一线段AB与第二线段CD的交点，所述下层介质基板102中心点与底层圆形贴片R2的圆心重合。
本发明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，本设计不仅实现了滤波耦合器的功能，而且由于采用了圆形贴片和双层结构，充分利用了电路空间，大大减小了电路体积。利用接地板槽线传输贴片的谐振模式TM11，设计出具有良好性能的滤波耦合器。下面对本发明作进一步详细描述。
实施例的结构如图1所示，俯视图如图2所示，有关尺寸规格如图3所示。所采用的上层介质基板101和下层介质基板102基质为RO4003基质，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4，采用双层圆形贴片的单通带滤波耦合器的各尺寸参数如下：R＝10mm，lk＝6mm，wk＝1.18mm，s＝4mm，l＝3.8mm，w＝0.6mm双层圆形贴片的单通带滤波耦合器不包括50欧姆微带线导带的总面积为20×20mm2，对应的导波长尺寸为0.56λg×0.56λg，其中λg为通带中心频率4.46GHz对应的导波波长。
本实例采用双层圆形贴片的单通带滤波耦合器是在电磁仿真软件HFSS.13.0中建模仿真的。图4是本实例中采用双层圆形贴片的单通带滤波耦合器的S11，S21和S31仿真图，从图中可以看出，采用双层圆形贴片的单通带滤波耦合器的中心频率是4.46GHz，3-dB相对带宽为14％，通带内回波损耗低于20dB，最小插入损耗为1.1dB。
图5是本实例中双层圆形贴片的单通带滤波耦合器的S44，S24，S34实验结果仿真图，中心频率是4.46GHz，3-dB相对带宽为14％，通带内回波损耗低于19dB，最小插入损耗为1.1dB。
图6是本实例中采用双层圆形贴片的单通带滤波耦合器的第一端口输入时到第二、第三端口的相位差以及从第四端口输入时到第二、第三端口的相位差，同相相位差小于3°，反相相位差小于180°±3°。
图7本实例中采用双层圆形贴片的单通带滤波耦合器的S22，S33，S41仿真图，第一和第四端口的带内隔离大于26dB，两输出端口的回波损耗均大于19dB。
综上所述，本实施例的一种采用双层圆形贴片的单通带滤波耦合器。利用圆形贴片TM11谐振模式设计了单通带滤波耦合器。接地金属板的槽将特定的谐振模式传输到另一层。该滤波耦合器非常适用于现代无线通信系统。
本发明提供了一种采用双层圆形贴片的单通带滤波耦合器，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)

1.一种采用双层圆形贴片的新型单通带滤波耦合器，其特征在于，包括：从上到下依次平行布置的上层介质基板（101）、金属接地板（200）和下层介质基板（102），所述上层介质基板（101）、金属接地板（200）和下层介质基板（102）的轮廓互相重合；
当信号从第一端口（P1）输入时，第二端口（P2）和第三端口（P3）输出的信号幅值相等，相位相同；当信号从第四端口（P4）输入时，第二端口（P2）和第三端口（P3）输出的信号幅值相等，相位相反；
所述上层介质基板（101）上表面设有顶层圆形贴片（R1）、所述第一端口（P1）、第一端口馈线（1）、所述第四端口（P4）和第四端口馈线（4）；所述下层介质基板（102）下表面设有底层圆形贴片（R2）、所述第二端口（P2）、第二端口馈线（2）、所述第三端口（P3）和第三端口馈线（3）；所述金属接地板（200）设有接地板第一槽线（51）、接地板第二槽线（52）、接地板第三槽线（53）、接地板第四槽线（54）、接地板第五槽线（55）、接地板第六槽线（56）、接地板第七槽线（57）和接地板第八槽线（58）。
2.根据权利要求1所述的一种采用双层圆形贴片的新型单通带滤波耦合器，其特征在于，所述上层介质基板（101）、下层介质基板（102）与金属接地板（200）的形状均为切除两个顶点后的正方形，且被切除的所述两个顶点位于正方形的同一边上，所述正方形的切除部分为等腰直角三角形，所述等腰直角三角形的直角与正方形被切除的顶点处的直角重叠；
所述上层介质基板（101）、金属接地板（200）和下层介质基板（102）的中心点在一条直线上，所述上层介质基板（101）、金属接地板（200）和下层介质基板（102）的中心点所在直线垂直于上层介质基板（101）所在平面。
3.根据权利要求2所述的一种采用双层圆形贴片的新型单通带滤波耦合器，其特征在于，所述第一端口馈线（1）一端延伸至上层介质基板（101）的侧边，另一端与顶层圆形贴片（R1）相接，所述第四端口馈线（4）一端延伸至上层介质基板（101）的侧边，另一端与顶层圆形贴片（R1）相接。
4.根据权利要求3所述的一种采用双层圆形贴片的新型单通带滤波耦合器，其特征在于，所述第二端口馈线（2）一端延伸至下层介质基板（102）的侧边，另一端与底层圆形贴片（R2）相接，所述第三端口馈线（3）一端延伸至下层介质基板（102）的侧边，另一端与底层圆形贴片（R2）相接。
5.根据权利要求4所述的一种采用双层圆形贴片的新型单通带滤波耦合器，其特征在于，所述第一端口馈线（1）中轴线所在直线与第四端口馈线（4）中轴线所在直线垂直，所述第一端口馈线（1）中轴线所在直线与第四端口馈线（4）中轴线所在直线相交于顶层圆形贴片（R1）的圆心；所述第二端口馈线（2）中轴线所在直线与第三端口馈线（3）中轴线所在直线垂直，所述第二端口馈线（2）中轴线所在直线与第三端口馈线（3）中轴线所在直线相交于底层圆形贴片（R2）的圆心。
6.根据权利要求5所述的一种采用双层圆形贴片的新型单通带滤波耦合器，其特征在于，所述金属接地板（200）上的接地板第一槽线（51）、接地板第二槽线（52）、接地板第三槽线（53）、接地板第四槽线（54）、接地板第五槽线（55）、接地板第六槽线（56）、接地板第七槽线（57）和接地板第八槽线（58）依次间隔45度角分布，所述接地板第四槽线（54）和接地板第八槽线（58）沿着金属接地板（200）第一线段AB所在直线布置，所述接地板第二槽线（52）和接地板第六槽线（56）沿着金属接地板（200）第二线段CD所在直线布置，所述第一线段AB的第一端点A与第二端点B以及第二线段CD的第三端点C与第四端点D分别为原正方形各边中点，所述第一线段AB与第二线段CD互相垂直于原正方形的中点。
7.根据权利要求6所述的一种采用双层圆形贴片的新型单通带滤波耦合器，其特征在于，所述接地板第四槽线（54）靠近第一端点A，所述接地板第八槽线（58）靠近第二端点B，所述接地板第二槽线（52）靠近第四端点D，所述接地板第六槽线（56）靠近第三端点C，所述接地板第一槽线（51）、接地板第二槽线（52）、接地板第三槽线（53）、接地板第四槽线（54）、接地板第五槽线（55）、接地板第六槽线（56）、接地板第七槽线（57）和接地板第八槽线（58）与金属接地板（200）中心点之间的距离均相等，所述金属接地板（200）中心点为第一线段AB与第二线段CD的交点。
8.根据权利要求7所述的一种采用双层圆形贴片的新型单通带滤波耦合器，其特征在于，所述第一端口馈线（1）与第四端口馈线（4）关于第二线段CD所在直线轴对称分布，所述第二端口馈线（2）与第三端口馈线（3）分别位于下层介质基板（102）第一线段AB所在直线和第二线段CD所在直线上。
9.根据权利要求8所述的一种采用双层圆形贴片的新型单通带滤波耦合器，其特征在于，所述第一端口馈线（1）中轴线所在直线与第四端口馈线（4）中轴线所在直线相交于上层介质基板（101）中心点，所述上层介质基板（101）中心点为第一线段AB与第二线段CD的交点，所述上层介质基板（101）中心点与顶层圆形贴片（R1）的圆心重合；所述第二端口馈线（2）与第三端口馈线（3）中轴线所在直线相交于下层介质基板（102）中心点，所述下层介质基板（102）中心点为第一线段AB与第二线段CD的交点，所述下层介质基板（102）中心点与底层圆形贴片（R2）的圆心重合。
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