CN111682292A - 一种基于四模谐振器的四通带功分滤波器 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种基于四模谐振器的四通带功分滤波器，包括介质基板，介质基板底面设有金属接地板，顶面设有输入端口馈线、第一输出馈线和第二输出馈线，输入端口馈线位于介质基板的中部，第一输出馈线和第二输出馈线分别对称设置在输入端口馈线的两侧；所述输入端口馈线和第一输出馈线之间分别设有第一四模谐振器和第二四模谐振器；所述输入端口馈线和第二输出馈线之间分别设有第三四模谐振器和第四四模谐振器。

Description

一种基于四模谐振器的四通带功分滤波器
技术领域
本发明涉及微波无源器件技术领域，特别是一种基于四模谐振器的四通带功分滤波器。
背景技术
在现代无线通信系统中，功率分配器和滤波器是重要的射频前端无源器件，为了同时实现功率分配和滤波功能，经常以级联的方式设计在电路中，在这种方式下，不仅电路的体积会增大，而且电路性能会降低。因此，为了减低电路尺寸，提高电路性能，近年来一直在探索带有滤波响应的功率分配器的研究。同时，随着现代无线通信系统的不断发展也提高了对多通带通信系统的需求。
文献1[K.J.Song,M.Y.Fan,and F.Zhang,“Compact Triple-Band Power DividerIntegrated Bandpass-Filtering Response Using Short-Circuited SIRs,”IEEE Trans.Compon.Packag.Manufact.Technol.,vol.7,no.7,July.2017]通过利用耦合短路阶梯阻抗谐振器和半波长谐振器实现三通带滤波响应，可以通过调节阻抗比和电长度来同时得到三个所需的通带。但是，由于电路结构复杂，且端口隔离度较高，带外抑制差的问题影响了该功分滤波器的广泛应用。
文献2[C.-F.Chen,T.-Y.Huang,and R.-B.Wu,“Novel compact net-typeresonators and their applications to microstrip bandpass filters,”IEEETrans.Microw.Theory Techn.,vol.54,no.2,pp.755-762,Feb.2006]通过利用网形三模谐振器，在不显著增大电路尺寸的基础上，简单高效地实现了一种多通带微带滤波器，但是，由于设计参数自由度的限制，很难同时实现对所有通带的设计要求，加大了设计的实现难度。
文献3[R.Gómez-Garcia,R.Loeches-Sanchez,D.Psychogiou,and D.Peroulis,“Single/multi-band Wilkinson-type power dividers with embedded transversalfiltering sections and application to channelized filters,”IEEETrans.Circuits Syst.I,Reg.Papers,vol.62,no.6,pp.1518-1527,Jun.2015.]提出了一种具有固有滤波能力的新型单/多通带威尔金森功分器，但其电路体积大，端口隔离度欠佳。
基于上述背景，我们结合多模谐振器的谐振机理，利用一个波长传输线的场分布原理，实现功率分配和滤波功能的集成，同时，巧妙的设计隔离电阻的位置，实现了一种结构紧凑、损耗低、选择性高、隔离度好以及具有良好的带外抑制特性的四通带功分滤波器，该功分滤波器非常适用于现代无线通信系统的应用。
发明内容
随着信息技术的快速发展，单通带功分滤波器已经不能满足多个信道集成在一个系统的应用需求，在无线通信系统中使用多通带功分滤波器可以有效减少系统的整个电路的复杂度和通信设备的体积，从而达到简化系统、降低社会成本的目的。因此本发明的目的在于提供一种良好性能的四通带功分滤波器，同时具备结构紧凑、损耗低、选择性高、隔离度好以及良好的带外抑制特性。
实现本发明目的的技术解决方案为：一种基于四模谐振器的四通带功分滤波器，包括位于上部的介质基板(9)以及位于下部的金属接地板(8)，介质基板(9)一长边设有输入端口馈线(1)，介质基板(9)短边设有第一端口输出馈线(2)和第二端口输出馈线(3)，所述第一输出端口馈线(2)和输入端口馈线(1)之间分别设有第一四模谐振器(4)、第三四模谐振器(6)，所述第二输出端口馈线(3)和输入端口馈线(1)之间分别设有第二四模谐振器(5)和第四四模谐振器(6)，所述第一四模谐振器(4)和第二四模谐振器(5)之间设有隔离电阻R1，第三四模谐振器(6)和第四四模谐振器(7)之间设有隔离电阻R2。
进一步的，所述输入端口馈线(1)包括第一50欧姆微带线导带(11)和输入耦合线(12)，第一50欧姆微带线导带(11)一端连接介质基板(9)第一侧边(9a)，另一端连接输入耦合线(12)；第一50欧姆微带线导带(11)与介质基板(9)第一侧边(9a)连接处为输入端。
进一步的，所述第一输出端口馈线(2)由第二50欧姆微带线导带(21)和L形输出耦合线(22)组成，第二50欧姆微带线导带(21)连接介质基板(9)第二侧边(9b)，L形输出耦合线(22)与第二50欧姆微带线导带(21)连接，L形输出耦合线(22)与输入耦合线(12)平行，第二50欧姆微带线导带(21)与输入耦合线(12)垂直；第二50欧姆微带线导带(21)与介质基板(9)第二侧边连接处为第一输出端。
进一步的，所述第二输出馈线(3)由第三50欧姆微带线导带(31)和L形输出耦合线(32)组成，第三50欧姆微带线导带(31)连接介质基板(9)第三侧边(9c)，L形输出耦合线(32)与第三50欧姆微带线导带(31)连接，L形输出耦合线(32)与输入耦合线(12)平行，第三50欧姆微带线导带(31)与输入耦合线(12)垂直；第三50欧姆微带线导带(31)与介质基板(9)第三侧边连接处为第二输出端。
进一步的，第一四模谐振器(4)包括第一U型谐振器(42)和第二U型谐振器(41)和第一终端开路枝节(43)；第一终端开路枝节(43)对称设置在第一U型谐振器(42)中间；第一U型谐振器(42)内连接着第二U型谐振器(41)，第一U型谐振器(42)呈倒U型放置，第二U型谐振器(41)呈正U型放置；第二U型谐振器(41)关于第一终端开路枝节(43)对称放置
进一步的，第二四模谐振器(5)包括第三U型谐振器(52)和第四U型谐振器(51)和第二终端开路枝节(53)；第二终端开路枝节(53)对称设置在第三U型谐振器(52)中间；第三U型谐振器(52)内连接着第四U型谐振器(51)，第三U型谐振器(52)呈倒U型放置，第四U型谐振器(51)呈正U型放置；第四U型谐振器(51)关于第二终端开路枝节(53)对称放置。
进一步的，第三四模谐振器(6)包括第五U型谐振器(62)和第六U型谐振器(61)和第三终端开路枝节(63)；第三终端开路枝节(63)对称设置在第五U型谐振器(62)中间；第五U型谐振器(62)内连接着第六U型谐振器(61)，第五U型谐振器(62)呈倒U型放置，第六U型谐振器(61)呈正U型放置；第六U型谐振器(61)关于第三终端开路枝节(63)对称放置。
进一步的，第四四模谐振器(7)包括第七U型谐振器(72)和第八U型谐振器(71)和第四终端开路枝节(73)；第四终端开路枝节(73)对称设置在第七U型谐振器(72)中间；第七U型谐振器(72)内连接着第八U型谐振器(71)，第七U型谐振器(72)呈倒U型放置，第八U型谐振器(71)呈正U型放置；第八U型谐振器(71)关于第四终端开路枝节(73)对称放置。
进一步的，第一四模谐振器(4)和第二四模谐振器(5)在输入耦合线(12)两侧对称；第三四模谐振器(6)和第四四模谐振器(7)在输入耦合线(12)两侧对称；第一四模谐振器(4)和第三四模谐振器(7)为中心对称设置；第二四模谐振器(5)和第四四模谐振器(6)为中心对称设置。
有益效果：本发明与现有技术相比，其技术方案具有有益技术效果：
(1)本发明的结构紧凑，可在单片PCB板上实现，便于加工集成，生产成本低。
(2)本发明利用枝节加载型多模谐振器的谐振机理和主传输线的电场分布特性，具有高选择性和宽频带特性。
(3)本发明利用一个波长主传输线与谐振器耦合以及开路枝节产生零点的特性，具有良好的带外抑制特性。
(4)本发明的功分滤波器利用谐振器之间接隔离电阻，隔离度好，适用于现代无线通信系统。
附图说明
图1是本发明一种基于四模谐振器的四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(11)，第一输出端口馈线(21)，第二输出端口馈线(31)，金属接地板(8)，第一四模谐振器(4)，第二四模谐振器(5)，第三四模谐振器(6)，第四四模谐振器(7)，多边形介质基板(9)，隔离电阻R1和R2，第一50欧姆微带线导带(11)，第二50欧姆微带线导带(21)，第三50欧姆微带线导带(31)，输入耦合线(12)，第一输出耦合线(22)，第二输出耦合线(32)。
具体实施方式
如图1所示，本实施例提供了一种基于四模谐振器的四通带功分滤波器，包括介质基板(9)，介质基板(9)底面设有金属接地板(8)，顶面设有输入端口馈线(1)、第一输出馈线(2)和第二输出馈线(3)，输入端口馈线(1)位于介质基板(9)的中部，第一输出馈线(2)和第二输出馈线(3)分别对称设置在输入端口馈线(1)的两侧；输入端口馈线(1)和第一输出馈线(2)之间分别设有第一四模谐振器(4)和第三四模谐振器(6)；
输入端口馈线(1)和第二输出馈线(3)之间分别设有第二四模谐振器(5)和第四四模谐振器(7)。
输入端口馈线(1)包括第一50欧姆微带线导带(11)和输入耦合线(12)，第一50欧姆微带线导带(11)一端贴近介质基板(9)第一侧边(9a)，另一端连接输入耦合线(12)；第一50欧姆微带线导带(11)与介质基板(9)第一侧边连接处为输入端。
第一输出端口馈线(2)由第二50欧姆微带线导带(21)和L形输出耦合线(22)组成，第二50欧姆微带线导带(21)贴近介质基板(9)第二侧边(9b)，L形输出耦合线(22)与第二50欧姆微带线导带(21)连接，L形输出耦合线(22)与输入耦合线(12)平行，第二50欧姆微带线导带(21)与输入耦合线(12)垂直；
50欧姆微带线导带(21)与介质基板(9)第二侧边连接处为第一输出端。
第二输出端口馈线(3)由第三50欧姆微带线导带(31)和L形输出耦合线(32)组成，第三50欧姆微带线导带(31)贴近介质基板(9)第三侧边(9c)，L形输出耦合线(32)与第三50欧姆微带线导带(31)连接，L形输出耦合线(32)与输入耦合线(12)平行，第三50欧姆微带线导带(31)与输入耦合线(12)垂直；
50欧姆微带线导带(31)与介质基板(9)第三侧边连接处为第二输出端。
第一四模谐振器(4)包括第一U型谐振器(42)和第二U型谐振器(41)和第一终端开路枝节(43)；第一终端开路枝节(43)对称设置在第一U型谐振器(42)中间；第一U型谐振器(42)内连接着第二U型谐振器(41)，第一U型谐振器(42)呈倒U型放置，第二U型谐振器(41)呈正U型放置；第二U型谐振器(41)关于第一终端开路枝节(43)对称放置
第二四模谐振器(5)包括第三U型谐振器(52)和第四U型谐振器(51)和第二终端开路枝节(53)；第二终端开路枝节(53)对称设置在第三U型谐振器(52)中间；第三U型谐振器(52)内连接着第四U型谐振器(51)，第三U型谐振器(52)呈倒U型放置，第四U型谐振器(51)呈正U型放置；第四U型谐振器(51)关于第二终端开路枝节(53)对称放置。
第三四模谐振器(6)包括第五U型谐振器(62)和第六U型谐振器(61)和第三终端开路枝节(63)；第三终端开路枝节(63)对称设置在第五U型谐振器(62)中间；第五U型谐振器(62)内连接着第六U型谐振器(61)，第五U型谐振器(62)呈倒U型放置，第六U型谐振器(61)呈正U型放置；第六U型谐振器(61)关于第三终端开路枝节(63)对称放置。
第四四模谐振器(7)包括第七U型谐振器(72)和第八U型谐振器(71)和第四终端开路枝节(73)；第四终端开路枝节(73)对称设置在第七U型谐振器(72)中间；第七U型谐振器(72)内连接着第八U型谐振器(71)，第七U型谐振器(72)呈倒U型放置，第八U型谐振器(71)呈正U型放置；第八U型谐振器(71)关于第四终端开路枝节(73)对称放置。
第一四模谐振器(4)和第二四模谐振器(5)在输入耦合线(12)两侧对称；第三四模谐振器(6)和第四四模谐振器(7)在输入耦合线(12)两侧对称；第一四模谐振器(4)和第三四模谐振器(7)为中心对称设置；第二四模谐振器(5)和第四四模谐振器(6)为中心对称设置。
正面视图如图2所示，有关尺寸规格如图3所示。所采用的介质基板7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，功分滤波器的各尺寸参数如下：L1＝24.33,L2＝16.46,L3＝6.76,L4＝12.32,L5＝14.1,L6＝6.67,Lc＝25.4,Lx＝0.6,Lp＝5,Lf1＝1.47,Lf2＝0.1,W1＝0.22,W2＝0.44,W3＝0.9,W4＝0.32,Wf＝0.26,g1＝0.16,g2＝0.1,R1＝310Ω,R2＝200Ω.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，该四通带功分滤波器四个通带的中心频率为1.20GHz、1.68GHz、1.85GHz和2.14GHz，通带内回波损耗低于16.0dB，最小插入损耗为1.0dB。
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低于15.0dB，带内隔离度好于15.0dB。
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，生产成本低。同时，利用四模谐振器和网络拓扑，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。
由于本发明的四通带功分滤波器同时具备高选择性、结构紧凑、端口隔离度好以及良好的带外抑制特性选择性高、插入损耗小、带外抑制性能好，适用于现代无线通信系统。
本实施例利用四模谐振器和网络拓扑，获得良好的功率分配特性和滤波特性，并巧妙地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高选择性、结构紧凑、端口隔离度好以及良好的带外抑制特性选择性高、插入损耗小、带外抑制性能好的四通带功分滤波器，适用于现代无线通信系统。
本发明提供了一种基于四模谐振器的四通带功分滤波器的思路及方法，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)

1.一种基于四模谐振器的四通带功分滤波器，其特征在于，包括位于上部的介质基板(9)以及位于下部的金属接地板(8)，介质基板(9)一长边设有输入端口馈线(1)，介质基板(9)短边设有第一端口输出馈线(2)和第二端口输出馈线(3)，所述第一输出端口馈线(2)和输入端口馈线(1)之间分别设有第一四模谐振器(4)、第三四模谐振器(6)，所述第二输出端口馈线(3)和输入端口馈线(1)之间分别设有第二四模谐振器(5)和第四四模谐振器(6)，所述第一四模谐振器(4)和第二四模谐振器(5)之间设有隔离电阻R1，第三四模谐振器(6)和第四四模谐振器(7)之间设有隔离电阻R2。
2.根据权利要求1所述的一种基于四模谐振器的四通带功分滤波器，其特征在于，所述输入端口馈线(1)包括第一50欧姆微带线导带(11)和输入耦合线(12)，第一50欧姆微带线导带(11)一端连接介质基板(9)第一侧边(9a)，另一端连接输入耦合线(12)；第一50欧姆微带线导带(11)与介质基板(9)第一侧边(9a)连接处为输入端。
3.根据权利要求1所述的一种基于四模谐振器的四通带功分滤波器，其特征在于，所述第一输出端口馈线(2)由第二50欧姆微带线导带(21)和L形输出耦合线(22)组成，第二50欧姆微带线导带(21)连接介质基板(9)第二侧边(9b)，L形输出耦合线(22)与第二50欧姆微带线导带(21)连接，L形输出耦合线(22)与输入耦合线(12)平行，第二50欧姆微带线导带(21)与输入耦合线(12)垂直；第二50欧姆微带线导带(21)与介质基板(9)第二侧边连接处为第一输出端。
4.根据权利要求1所述的一种基于四模谐振器的四通带功分滤波器，其特征在于，所述第二输出馈线(3)由第三50欧姆微带线导带(31)和L形输出耦合线(32)组成，第三50欧姆微带线导带(31)连接介质基板(9)第三侧边(9c)，L形输出耦合线(32)与第三50欧姆微带线导带(31)连接，L形输出耦合线(32)与输入耦合线(12)平行，第三50欧姆微带线导带(31)与输入耦合线(12)垂直；第三50欧姆微带线导带(31)与介质基板(9)第三侧边连接处为第二输出端。
5.根据权利要求1所述的一种基于四模谐振器的四通带功分滤波器，其特征在于，第一四模谐振器(4)包括第一U型谐振器(42)和第二U型谐振器(41)和第一终端开路枝节(43)；第一终端开路枝节(43)对称设置在第一U型谐振器(42)中间；第一U型谐振器(42)内连接着第二U型谐振器(41)，第一U型谐振器(42)呈倒U型放置，第二U型谐振器(41)呈正U型放置；第二U型谐振器(41)关于第一终端开路枝节(43)对称放置。
6.根据权利要求1所述的一种基于四模谐振器的四通带功分滤波器，其特征在于，第二四模谐振器(5)包括第三U型谐振器(52)和第四U型谐振器(51)和第二终端开路枝节(53)；第二终端开路枝节(53)对称设置在第三U型谐振器(52)中间；第三U型谐振器(52)内连接着第四U型谐振器(51)，第三U型谐振器(52)呈倒U型放置，第四U型谐振器(51)呈正U型放置；第四U型谐振器(51)关于第二终端开路枝节(53)对称放置。
7.根据权利要求1所述的一种基于四模谐振器的四通带功分滤波器，其特征在于，第三四模谐振器(6)包括第五U型谐振器(62)和第六U型谐振器(61)和第三终端开路枝节(63)；第三终端开路枝节(63)对称设置在第五U型谐振器(62)中间；第五U型谐振器(62)内连接着第六U型谐振器(61)，第五U型谐振器(62)呈倒U型放置，第六U型谐振器(61)呈正U型放置；第六U型谐振器(61)关于第三终端开路枝节(63)对称放置。
8.根据权利要求1所述的一种基于四模谐振器的四通带功分滤波器，其特征在于，第四四模谐振器(7)包括第七U型谐振器(72)和第八U型谐振器(71)和第四终端开路枝节(73)；第四终端开路枝节(73)对称设置在第七U型谐振器(72)中间；第七U型谐振器(72)内连接着第八U型谐振器(71)，第七U型谐振器(72)呈倒U型放置，第八U型谐振器(71)呈正U型放置；第八U型谐振器(71)关于第四终端开路枝节(73)对称放置。
9.根据权利要求2所述的一种基于四模谐振器的四通带功分滤波器，其特征在于，第一四模谐振器(4)和第二四模谐振器(5)在输入耦合线(12)两侧对称；第三四模谐振器(6)和第四四模谐振器(7)在输入耦合线(12)两侧对称；第一四模谐振器(4)和第三四模谐振器(7)为中心对称设置；第二四模谐振器(5)和第四四模谐振器(6)为中心对称设置。
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