CN111430868A - 一种宽带共模抑制的平衡到非平衡滤波功分器 - Google Patents

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Abstract

本发明提出了一种宽带共模抑制的平衡到非平衡滤波功分器，旨在拓宽平衡到非平衡滤波功分器共模抑制带宽，以满足微波电路系统高度集成和强抗干扰能力的需求，包括介质基板、印制在介质基板下表面上的金属底板、印制在介质基板上表面轴线BB'两侧且开口方向相背的U型输入微带线和U型输出微带线；所述U型输入微带线与U型输出微带线之间印制有四个呈星型排布的阻抗谐振器，相邻的阻抗谐振器关于两条垂直轴线镜像对称；所述U型输出微带线，其矩形微带臂之间印制有与矩形微带底连接的第一匹配枝节，该第一匹配枝节的自由端连接有隔离元件；所述折叠型微带线以及隔离元件的自由端，分别通过金属化过孔与金属底板连接。

Description

一种宽带共模抑制的平衡到非平衡滤波功分器
技术领域
本发明属于微波和射频技术领域，涉及一种滤波功分器，具体涉及一种宽带共模抑制的平衡到非平衡滤波功分器，可应用于无线通信系统射频前端。
背景技术
功分器具有功率分配的作用，它可以将一路信号分成两路或者多路信号，是无线通信系统的重要无源器件。而滤波器可以从众多信号中选择出所需要的频率信号，同时抑制掉不需要的频率信号，其在无线通信系统中是不可或缺的关键器件。将滤波功能加入到功分器中，可大大减少射频前端电路的尺寸，方便微波系统的集成，因此滤波功分器应运而生。另一方面，随着微波系统高集成化、小型化等要求的提高，除了要求微波器件本身向多功能化和小型化发展外，还需要将它们更加紧密地摆放在更小的空间中。这就不可避免地造成各器件受相邻器件的电磁干扰增大。平衡电路因具有共模抑制特性，可以有效的降低系统噪声，减小电路组件的串扰。和平衡电路相比，平衡非平衡电路不仅能够有效的抑制共模噪声，而且能同时连接平衡电路和非平衡电路，方便微波系统的集成。作为平衡到非平衡电路的重要组成部分，平衡到非平衡功分器的设计与研究具有重要的意义。而平衡到非平衡滤波功分器不仅可以对功率进行再分配，同时对传输信号有高度选择性而且还具有良好的抗干扰能力，因此在微波电路和射频前端电路得到了广泛应用。
目前，对平衡到非平衡滤波功分器的设计多采用半波长或者四分之三波长传输线在差模共模信号传输时产生的不同阻抗特性，实现共模信号的抑制，但是由于传输线的色散效应，使得共模抑制带宽比较窄，这会使平衡到非平衡滤波功分器的抗干扰性能大打折扣。例如，申请公布号为CN 107464978 A，名称为“平衡转非平衡信号滤波功分器”的专利申请，公开了一种平衡转非平衡信号滤波功分器，该功分器在平衡输入端口之间加载了一条半波长传输线，在工作通带内实现了良好的共模抑制，同时采用两个二分之一波长的传输线谐振器，实现了通带内良好的滤波效果，但在工作通带外，共模信号不能被抑制。又如，申请公布号为CN 108417941 A，名称为“基于环形谐振器的平衡-非平衡滤波功分器”的专利申请，公开了一种新型的基于环形谐振器的平衡-非平衡滤波功分器，该功分器在平衡输入端口之间加载了一条四分之三波长传输线，同时采用环形谐振器结构，实现了良好的滤波功分功能，在很宽的频带内，均能实现较高的共模抑制，但在-4dB的工作频率范围内，共模抑制恶化到-10dB左右，该功分器的共模抑制性能仍有待提高。
发明内容
本发明的目的在于克服上述现有技术存在的缺陷，提出了一种宽带共模抑制的平衡到非平衡滤波功分器，旨在拓宽平衡到非平衡滤波功分器共模抑制带宽，以满足微波电路系统高度集成和强抗干扰能力的需求。
为了实现上述目的，本发明采取的技术方案包括介质基板1、印制在介质基板1下表面上的金属底板2、印制在介质基板1上表面轴线BB'两侧且开口方向相背的U型输入微带线3和U型输出微带线4；
所述U型输入微带线3和U型输出微带线4均由一条矩形微带底和与矩形微带底垂直的两条矩形微带臂连接而成，所述U型输入微带线3的矩形微带底靠近轴线BB'的边与U型输出微带线4的矩形微带底靠近轴线BB'的边关于轴线BB'对称，U型输入微带线3的两条矩形微带臂和U型输出微带线4的两条矩形微带臂关于轴线AA'对称；
所述U型输入微带线3与U型输出微带线4之间印制有四个呈星型排布的阻抗谐振器5，所述阻抗谐振器5由用于实现高阻抗特性的折叠型微带线51和用于实现低阻抗特性的矩形金属贴片52连接而成，相邻的阻抗谐振器5关于两条垂直轴线镜像对称，且矩形金属贴片52靠近两条垂直轴线的交叉点；
所述U型输出微带线4，其矩形微带臂之间印制有与矩形微带底连接的第一匹配枝节6，该第一匹配枝节6的自由端连接有隔离元件7；
所述折叠型微带线51以及隔离元件7的自由端，分别通过金属化过孔8与金属底板2连接。
上述的宽带共模抑制的平衡到非平衡滤波功分器，所述相邻的阻抗谐振器5镜像对称的两条垂直轴线，分别与轴线AA'及轴线BB'重合。
上述的宽带共模抑制的平衡到非平衡滤波功分器，所述折叠型微带线51采用L型结构，且L型结构的长臂与轴线BB'平行，短臂与轴线AA'平行。
上述的宽带共模抑制的平衡到非平衡滤波功分器，所述第一匹配枝节6，由一条矩形微带线构成，该矩形微带线短边中线与轴线AA'重合。
上述的宽带共模抑制的平衡到非平衡滤波功分器，所述U型输出微带线4，其矩形微带底与两个矩形微带臂的交汇位置各连接有一个第二匹配枝节9，该第二匹配枝节9采用一个臂连接有矩形微带的U型结构，且矩形微带位于U型输出微带线4的矩形微带底与矩形微带臂的角分线上。
本发明与现有技术相比，具有如下优点：
1.本发明由于采用了开口方向相背的U型输入微带线和U型输出微带线，利用差模信号和共模信号传输时，U型输入微带线和U型输出微带线所产生的不同电磁效应，从而实现对差模信号的有效传输，同时抑制共模信号的传输，由此实现了宽带共模抑制，在1GHz-12GHz频带内，该结构共模抑制均在-20dB以下，而且在1GHz-9GHz频带内，共模抑制均在-40dB以下，具有较高的共模抑制特性。
2.本发明由于采用四个呈星型排布的阻抗谐振器，该谐振器由用于实现高阻抗特性的折叠型微带线和用于实现低阻抗特性的矩形金属贴片连接而成，通过调节折叠型微带线和矩形金属贴片的长度和宽度，可实现滤波功能，同时保持较宽的谐波抑制特性；另外，U型输出微带线的矩形微带底与两个矩形微带臂的交汇位置各连接有一个第二匹配枝节，该枝节在差模通带左右两边各引入一个传输零点，从而显著提升了平衡到非平衡滤波功分器的频率选择性能，而且在1GHz-9.5GHz频带内，带外谐波均在-30dB以下，由此可见，该结构具有较好的带外谐波抑制特性。
附图说明
图1是本发明的整体结构示意图；
图2是本发明的上表面微带结构位置尺寸图；
图3是本发明的星型排布的阻抗谐振器位置尺寸图；
图4是本发明差模输入回波损耗和差模插入损耗的S参数仿真图；
图5是本发明差模输出回波损耗和输出端隔离度的S参数仿真图；
图6是本发明共模输入回波损耗和共模插入损耗以及交叉模回波损耗的S参数仿真图。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施例，对本发明目的、技术方案和技术效果作进一步详细描述。
参见图1，一种宽带共模抑制的平衡到非平衡滤波功分器包括介质基板1、印制在介质基板1下表面上的金属底板2、印制在介质基板1上表面轴线BB'两侧且开口方向相背的U型输入微带线3和U型输出微带线4；
所述介质基板1，采用相对介电常数为2.65，损耗角正切为0.003，大小为24mm×46.2mm,厚度为0.5mm的矩形F4BM材料。
所述U型输入微带线3和U型输出微带线4均由一条矩形微带底和与矩形微带底垂直的两条矩形微带臂连接而成，参见图2，其中U型输入微带线3的矩形微带底的宽度为W1＝0.35mm，长度为L0＝17mm，U型输出微带线4的矩形微带底的宽度为W2＝0.8mm，长度为L0＝17mm，矩形微带臂的宽度均为W0＝1.35mm,所述U型输入微带线3的矩形微带底靠近轴线BB'的边与U型输出微带线4的矩形微带底靠近轴线BB'的边关于轴线BB'对称，U型输入微带线3的两条矩形微带臂和U型输出微带线4的两条矩形微带臂关于轴线AA'对称。
所述U型输入微带线3与U型输出微带线4之间印制有四个呈星型排布的阻抗谐振器5,参见图3，所述阻抗谐振器5由用于实现高阻抗特性的折叠型微带线51和用于实现低阻抗特性的矩形金属贴片52连接而成，相邻的阻抗谐振器5关于两条垂直轴线镜像对称，且矩形金属贴片52靠近两条垂直轴线的交叉点；所述折叠型微带线51，采用L型结构,构成L型侧臂的矩形微带长度为L1＝8.5mm，构成L型底臂的矩形微带长度为L2＝2.2mm，两条矩形微带线的宽度相同，均为d1＝0.35mm，且L型结构的长臂与轴线BB'平行，短臂与轴线AA'平行，所述矩形金属贴片52，其矩形贴片长度为L3＝4.5mm，宽度为d2＝1.75mm。
所述U型输出微带线4，其矩形微带臂之间印制有与矩形微带底连接的第一匹配枝节6，其由一条矩形微带线构成，参见图2，其长度为L5＝21.8mm，宽度为W3＝1.58mm，且矩形微带线短边中线与轴线AA'重合，该第一匹配枝节6的自由端连接有隔离元件7，该隔离元件7采用81欧姆的贴片电阻，以实现输出端口之间良好的隔离性能。
所述折叠型微带线51以及隔离元件7的自由端，分别通过金属化过孔8与金属底板2连接，金属化过孔的直径均为1mm，每个金属化过孔正上方均印制有边长为1.5mm的矩形金属贴片，以实现良好的接地性能。
所述U型输出微带线4，其矩形微带底与两个矩形微带臂的交汇位置各连接有一个第二匹配枝节9，该第二匹配枝节9采用一个臂连接有矩形微带的U型结构，且矩形微带位于U型输出微带线4的矩形微带底与矩形微带臂的角分线上，其宽度为W4＝0.3mm，总长度为L4＝42mm。
本发明的工作原理是：信号由U型输入微带线3输入时，其中的微带差模信号，在U型输入微带线3对称轴线处产生虚拟电壁，此时差模信号通过U型输入微带线3的矩形微带底与折叠型微带线51的L型长臂之间的缝隙，能够有效的耦合到阻抗谐振器5上，而在微带共模信号传输时，U型输入微带线3对称轴线处产生虚拟磁壁，共模信号不能通过缝隙耦合到阻抗谐振器5上，因此可被有效抑制，由此实现了宽带共模抑制特性；随后微带差模信号通过四个呈星型排布的阻抗谐振器5，利用阻抗谐振器5的高低阻抗特性，进行信号滤波，相邻阻抗谐振器5通过缝隙形成磁耦合，从而调节滤波通带的品质因数，最后差模信号通过缝隙有效耦合到U型输出微带线4上，通过加载第一匹配枝节6和隔离元件8，实现两个输出端口良好的信号隔离性能，另外，U型输出微带线的矩形微带底与两个矩形微带臂的交汇位置加载的第二匹配枝节9，可在差模通带附近引入两个传输零点，从而显著提升了平衡到非平衡滤波功分器的带外选择性能。
以下结合仿真实验，对本发明的技术效果进一步说明：
1.仿真实验和内容
1.1利用商业仿真软件HFSS_19.2对本发明实施例中差模输入回波损耗和差模插入损耗的S参数在1-12GHz范围内进行了仿真计算，结果如图4所示。
1.2利用商业仿真软件HFSS_19.2对本发明实施例中差模输出回波损耗和输出端隔离度的S参数在1-5GHz范围内进行了仿真计算，结果如图5所示。
1.3利用商业仿真软件HFSS_19.2对本发明实施例中共模输入回波损耗和共模插入损耗以及交叉模回波损耗的S参数在1-12GHz范围内进行了仿真计算，结果如图6所示。
2.仿真结果
参照图4，在本实施例中，在差模信号激励下，该功分器的工作频带的中心频点为2.43GHz，在整个工作频带内，输入端口最大回波损耗
Figure BDA0002488597620000061
高达32dB,回波损耗
Figure BDA0002488597620000062
在10dB以上的绝对带宽为260MHZ，相对带宽为10.6％；在整个工作频带内，最小插入损耗
Figure BDA0002488597620000063
为3.57dB，最大插入损耗为4.70dB；在1GHz-10GHz的频段内，在差模通带左边有一个传输零点，右边有4个传输零点，-30dB的带外抑制范围为1GHz-9.5GHz，-20dB的带外抑制范围为1GHz-12GHz，仿真结果表明，该功分器差模信号传输时，带外选择性好，谐波抑制性能比较优越。
参照图5，在本实施例中，在差模信号激励下，在整个工作通带内，该功分器在输出端口最大回波损耗
Figure BDA0002488597620000064
高达21dB，回波损耗
Figure BDA0002488597620000065
在10dB以上的绝对带宽为380MHZ，相对带宽为15.6％，两个输出端口的隔离度
Figure BDA0002488597620000066
高达30dB，隔离度
Figure BDA0002488597620000067
在10dB以上的绝对带宽为360MHZ，相对带宽为14.8％，仿真结果表明，在整个工作通带，输出端口匹配良好，输出端口之间隔离度能很好地满足工程要求。
参见图6，本实施例中，在共模信号激励下，在1GHz-12GHz整个频带内，输入端口回波损耗
Figure BDA0002488597620000068
小于等于0.5dB，共模插入损耗
Figure BDA0002488597620000069
和交叉模
Figure BDA00024885976200000610
均在20dB以上，在1GHz-9GHz频带内，共模插入损耗
Figure BDA00024885976200000611
和交叉模
Figure BDA00024885976200000612
均在40dB以上，仿真结果表明，该功分器共模抑制带宽较宽，且具有高度共模抑制特性。
以上是对本发明的具体实施例，不构成对本发明的任何限制，显然对于本领域的专业人员来说，再了解接本发明内容和原理后，都可能在不背离本发明原理和结构的情况下，进行形式和细节上的各种修正和改变，但是这些基于本发明思想的修正和改变仍在本发明的权利要求和保护范围内。

Claims (5)

1.一种宽带共模抑制的平衡到非平衡滤波功分器，其特征在于，包括介质基板(1)、印制在介质基板(1)下表面上的金属底板(2)、印制在介质基板(1)上表面轴线BB'两侧且开口方向相背的U型输入微带线(3)和U型输出微带线(4)；
所述U型输入微带线(3)和U型输出微带线(4)均由一条矩形微带底和与矩形微带底垂直的两条矩形微带臂连接而成，所述U型输入微带线(3)的矩形微带底靠近轴线BB'的边与U型输出微带线(4)的矩形微带底靠近轴线BB'的边关于轴线BB'对称，U型输入微带线(3)的两条矩形微带臂和U型输出微带线(4)的两条矩形微带臂关于轴线AA'对称；
所述U型输入微带线(3)与U型输出微带线(4)之间印制有四个呈星型排布的阻抗谐振器(5)，所述阻抗谐振器(5)由用于实现高阻抗特性的折叠型微带线(51)和用于实现低阻抗特性的矩形金属贴片(52)连接而成，相邻的阻抗谐振器(5)关于两条垂直轴线镜像对称，且矩形金属贴片(52)靠近两条垂直轴线的交叉点；
所述U型输出微带线(4)，其矩形微带臂之间印制有与矩形微带底连接的第一匹配枝节(6)，该第一匹配枝节(6)的自由端连接有隔离元件(7)；
所述折叠型微带线(51)以及隔离元件(7)的自由端，分别通过金属化过孔(8)与金属底板(2)连接。
2.根据权利要求1所述的宽带共模抑制的平衡到非平衡滤波功分器，其特征在于，所述相邻的阻抗谐振器(5)镜像对称的两条垂直轴线，分别与轴线AA'及轴线BB'重合。
3.根据权利要求1所述的宽带共模抑制的平衡到非平衡滤波功分器，其特征在于，所述折叠型微带线(51)采用L型结构，且L型结构的长臂与轴线BB'平行，短臂与轴线AA'平行。
4.根据权利要求1所述的宽带共模抑制的平衡到非平衡滤波功分器，其特征在于，所述第一匹配枝节(6)，由一条矩形微带线构成，该矩形微带线短边中线与轴线AA'重合。
5.根据权利要求1所述的宽带共模抑制的平衡到非平衡滤波功分器，其特征在于，所述U型输出微带线(4)，其矩形微带底与两个矩形微带臂的交汇位置各连接有一个第二匹配枝节(9)，该第二匹配枝节(9)采用一个臂连接有矩形微带的U型结构，且矩形微带位于U型输出微带线(4)的矩形微带底与矩形微带臂的角分线上。
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