CN111725596B - 一种高性能三模滤波功分器及其设计方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种高性能三模滤波功分器及其设计方法，该功分器中的T型谐振器、输入端口馈线、第一输出端口馈线、第二输出端口馈线和隔离电阻均布设与介质基板上；输入端口馈线设置于T型谐振器输入臂的一侧，第一输出端口馈线、第二输出端口馈线对称设置于T型谐振器输出臂的两侧，隔离电阻设置于第一输出端口馈线和第二输出端口馈线之间。本发明利用单个开路的T型谐振器和隔离电阻，实现了较好的频率选择性和高带内隔离度，并且在两条输出线之间加载了电阻，以实现滤波功分器的良好隔离性能；此外，两个开路微带线集成到两个输出端口中，以生成多个传输零点，从而改善了滤波功分器的频率选择性和谐波抑制。

Description

一种高性能三模滤波功分器及其设计方法
技术领域
本发明属于功分器设计技术领域，具体涉及一种高性能三模滤波功分器及其设计方法。
背景技术
功分器全称功率分配器，是一种将一路输入信号能量分成两路或者多路输出相等或不相等能量的器件；带通滤波器是指允许特定频带的波段通过同时屏蔽其他频带的设备；功分器和带通滤波器作为现代无线通信系统中必不可少的无源组件，其在射频发射前端占据了过多的空间，为了解决这个问题，一种有效的方法是将功分器和带通滤波器集成到单个组件中，即对功分器进行滤波，以同时实现特点频率写功率分配/组合和频率选择性的两种功能。
发明内容
针对现有技术中的上述不足，本发明提供的高性能三模滤波功分器解决了现有的滤波功分器隔离度和频率选择性不好的问题。
为了达到上述发明目的，本发明采用的技术方案为：一种高性能三模滤波功分器，包括介质基板、T型谐振器、输入端口馈线、第一输出端口馈线、第二输出端口馈线和隔离电阻；
所述T型谐振器、输入端口馈线、第一输出端口馈线、第二输出端口馈线和隔离电阻均布设与介质基板上；
所述输入端口馈线设置于T型谐振器输入臂的一侧，第一输出端口馈线、第二输出端口馈线对称设置于T型谐振器输出臂的两侧，所述隔离电阻设置于第一输出端口馈线和第二输出端口馈线之间。
进一步地，所述第一输出端口馈线和第二输出端口馈线结构相同，均包括相互垂直的第一微带线和第二微带线；所述第一微带线的长度与T型谐振器输出臂的长度相同，所述第一微带线与T型谐振器输出臂的耦合距离为g2；
所述输入端口馈线包括相互垂直的第三微带线和第四微带线，所述第三微带线的长度大于T型谐振器输入臂的长度，所述第四微带线的长度小于第三微带线的长度，所述第三微带线与T型谐振器输入臂的耦合距离为g1；
所述第一输出端口馈线中第二微带线的开路端口作为三模滤波器的第一输出端口port2，所述第二输出端口馈线中第二微带线的开路端口作为三模滤波功分器的第二输出端口port3，所述输入端口馈线中第三微带线的开路端口作为三模滤波器的输入端口port1。
进一步地，所述隔离电阻R设置于靠近T型谐振器的第一输出端口馈线和第二输出端口馈线中的两个第一微带线之间。
进一步地，所述T型谐振器为半波微带谐振器；
所述半波微带谐振器的分解结构包括一个弯折开路枝节和一个短路枝节，所述弯折开路枝节包括第五微带线、第六微带线和第七微带线，所述第五微带线和第六微带线相互垂直，所述第六微带线和第七微带线相互垂直；
所述短路枝节的短路端与弯折开路枝节中第五微带线和第六微带线之间的弯折点连接；所述短路枝节作为T型谐振器的输入臂，所述弯折开路枝节的第五微带线作为T型谐振器的输出臂。
进一步地，所述第一输出端口馈线和第二输出端口馈线中的第二微带线上还分别连接有一个与其垂直的且长度为LS宽度为WS的开路枝节。
进一步地，所述介质基板为罗杰斯4003c；所述介质基板的参数包括相对介电常数为3.38，介质损耗正切为0.0027，厚度为0.508。
一种高性能三模滤波功分器的设计方法，包括以下步骤：
S1、确定滤波功分器的包括中心频率和相对带宽在内的设计要求；
S2、根据T型谐振器各组成微带线的长度，确定其奇模谐振频率和偶模谐振频率：
S3、根据T型谐振器奇模谐振频率和偶模谐振频率对应的外部Q值，计算T型谐振器的宽度w及其对应的耦合距离g1和g2；
S4、根据设计要求确定开路枝节的长度LS和宽度WS；
S5、根据设计要求确定两个输出端口馈线的宽度Wp以及隔离电阻的值R；
S6、根据上述步骤S2-S6中的三模滤波功分器参数，在HFSS中进行滤波功分器的仿真，并对其参数进行优化，当前仿真输出结果满足设计要求且隔离度满足要求时，完成当前三模滤波功分器的设计。
进一步地，所述步骤S2中，所述T型谐振器的奇模对应与T型谐振器的短路枝节，所述奇模的谐振频率fodd为：
Figure GDA0003251566280000031
式中，c为光速，L1为奇模即短路枝节的长度，εeff为相对介电常数；
所述T型谐振器的偶模对应于T型谐振器的弯折开路枝节，所述偶模包括一个四分之一波长的终端开路谐振器和一个二分之一波长的终端短路谐振器；
所述四分之一波长的终端开路谐振器的谐振频率为：
Figure GDA0003251566280000032
式中，L3和L4分别为四分之一波长的终端开路谐振器中第六微带线的长度和第七微带线的长度；
所述二分之一波长的终端短路谐振器的谐振频率为：
Figure GDA0003251566280000033
式中，L2为二分之一波长的终端短路谐振器中第八微带线的长度。
进一步地，所述步骤S5中的三模滤波功分器参数包括短路枝节的长度L1、第六微带线的长度L3，第七微带线的长度L4、第八微带线的长度L2、开路枝节的长度LS、开路枝节的宽度WS、T型谐振器中微带线的宽度w、T型谐振器与输入端口馈线的耦合距离g1、T型谐振器与输出端口馈线的耦合距离g2和两个输出端口馈线的宽度Wp。
本发明的有益效果为：
本发明提供的高性能三模滤波功分器，利用单个开路的T型谐振器和隔离电阻，实现了较好的频率选择性和高带内隔离度，并且在两条输出线之间加载了电阻，以实现滤波功分器的良好隔离性能；此外，两个开路微带线集成到两个输出端口中，以生成多个传输零点，从而改善了滤波功分器的频率选择性和谐波抑制。
附图说明
图1为本发明提供的高性能三模滤波功分器结构图。
图2为本发明提供的T型谐振器结构示意图。
图3为本发明提供的T型谐振器分解结构中的短路枝节结构示意图。
图4为本发明提供的T型谐振器分解结构中的弯折开路枝节结构示意图。
图5为本发明提供的弯折开路枝节结构中的四分之一波长的终端开路路谐振器结构示意图。
图6为本发明提供的弯折开路枝节结构中的二分之一波长的终端短路路谐振器结构示意图。
图7为本发明提供的高性能三模滤波功分器设计方法流程图。
图8为本发明提供的三模滤波功分器耦合方案示意图。
图9为本发明提供的仿真的滤波功分器的输入端口反射与插入损耗曲线示意图。
图10为本发明提供的仿真的滤波功分器输出端口反射系数与插入损耗曲线示意图。
其中：1、第一微带线；2、第二微带线；3、第三微带线；4、第四微带线；5、第五微带线；6、第六微带线；7、第七微带线；8、第八微带线；9、短路枝节；10、开路枝节。
具体实施方式
下面对本发明的具体实施方式进行描述，以便于本技术领域的技术人员理解本发明，但应该清楚，本发明不限于具体实施方式的范围，对本技术领域的普通技术人员来讲，只要各种变化在所附的权利要求限定和确定的本发明的精神和范围内，这些变化是显而易见的，一切利用本发明构思的发明创造均在保护之列。
如图1所示，一种高性能三模滤波功分器，包括介质基板、T型谐振器、输入端口馈线、第一输出端口馈线、第二输出端口馈线和隔离电阻；
T型谐振器、输入端口馈线、第一输出端口馈线、第二输出端口馈线和隔离电阻均布设与介质基板上；输入端口馈线设置于T型谐振器输入臂的一侧，第一输出端口馈线、第二输出端口馈线对称设置于T型谐振器输出臂的两侧，隔离电阻设置于第一输出端口馈线和第二输出端口馈线之间。
本实施例中采用的介质基板为罗杰斯4003c；介质基板的参数包括相对介电常数为3.38，介质损耗正切为0.0027，厚度为0.508。
本实施例中，图1中的第一输出端口馈线和第二输出端口馈线结构相同，均包括相互垂直的第一微带线1和第二微带线2；第一微带线1的长度与T型谐振器输出臂的长度相同，第一微带线1与T型谐振器输出臂的耦合距离为g2；
输入端口馈线包括相互垂直的第三微带线3和第四微带线4，第三微带线3的长度大于T型谐振器输入臂的长度，第四微带线4的长度小于第三微带线3的长度，第三微带线3与T型谐振器输入臂的耦合距离为g1；
第一输出端口馈线中第二微带线2的开路端口作为三模滤波器的第一输出端口port2，第二输出端口馈线中第二微带线2的开路端口作为三模滤波功分器的第二输出端口port3，输入端口馈线中第三微带线3的开路端口作为三模滤波器的输入端口port1。
隔离电阻R设置于靠近T型谐振器的第一输出端口馈线和第二输出端口馈线中的两个第一微带线1之间；隔离电阻的值根据三模滤波功分器的设计要求来确定，以实现滤波功分器具有较高的隔离度。
如图2所示，本实施例中的T型谐振器为半波微带谐振器；
半波微带谐振器的分解结构包括一个弯折开路枝节和一个短路枝节9，弯折开路枝节包括第五微带线5、第六微带线6和第七微带线7，第五微带线5和第六微带线6相互垂直，第六微带线6和第七微带线7相互垂直；
短路枝节9的短路端与弯折开路枝节中第五微带线5和第六微带线6之间的弯折点连接；短路枝节9作为T型谐振器的输入臂，弯折开路枝节的第五微带线5作为T型谐振器的输出臂。
上述T型谐振器为对称结构分布(将弯折开路枝节中下方拉直后)，通过对其进行奇偶模分析，将其分解成一个奇模(即图3中的短路枝节9结构)和两个偶模(将图4中的弯折开路枝节分解图5和图6中所示的四分之一波长的终端开路谐振器和二分之一终端短路谐振器)，对于奇模来说，中间时电压为零的点构成电壁；对于二分之一终端短路谐振器，短路时终端对于的金属化过孔接地实现的，开路时微带线悬空得到。
本实施例中的第一输出端口馈线和第二输出端口馈线中的第二微带线2上还分别连接有一个与其垂直的且长度为LS宽度为WS的开路枝节10，这里设置的两个开路枝节10用来抑制三模滤波功分器的高次谐波分量。
实施例2：
如图2所示，与实施例1对应地，本实施例提供了一种高性能三模滤波功分器的设计方法，如图7所示，包括以下步骤：
S1、确定滤波功分器的包括中心频率和相对带宽在内的设计要求；
S2、根据T型谐振器各组成微带线的长度，确定其奇模谐振频率和偶模谐振频率：
S3、根据T型谐振器奇模谐振频率和偶模谐振频率对应的外部Q值，计算T型谐振器的宽度w及其对应的耦合距离g1和g2；
S4、根据设计要求确定开路枝节的长度LS和宽度WS；
S5、根据设计要求确定两个输出端口馈线的宽度Wp以及隔离电阻的值R；
S6、根据上述步骤S2-S6中的三模滤波功分器参数，在HFSS中进行滤波功分器的仿真，并对其参数进行优化，当前仿真输出结果满足设计要求且隔离度满足要求时，完成当前三模滤波功分器的设计。
上述步骤S2中，T型谐振器的奇模对应与T型谐振器的短路枝节9，当奇模的输入端口输入导纳Yodd＝0时，奇模的谐振频率fodd为：
Figure GDA0003251566280000071
式中，c为光速，L1为奇模即短路枝节9的长度，εeff为相对介电常数；
T型谐振器的偶模对应于T型谐振器的弯折开路枝节，偶模包括一个四分之一波长的终端开路谐振器和一个二分之一波长的终端短路谐振器；
四分之一波长的终端开路谐振器的谐振频率为：
Figure GDA0003251566280000081
式中，L3和L4分别为四分之一波长的终端开路谐振器中第六微带线6的长度和第七微带线7的长度；
二分之一波长的终端短路谐振器的谐振频率为：
Figure GDA0003251566280000082
式中，L2为二分之一波长的终端短路谐振器中第八微带线8的长度。
上述步骤S5中的三模滤波功分器参数包括短路枝节9的长度L1、第六微带线6的长度L3，第七微带线7的长度L4、第八微带线8的长度L2、开路枝节10的长度LS、开路枝节10的宽度WS、T型谐振器中微带线的宽度w、T型谐振器与输入端口馈线的耦合距离g1、T型谐振器与输出端口馈线的耦合距离g2和两个输出端口馈线的宽度Wp。
图8给出了滤波功分器相应的耦合方案，其中E1、E2和O代表构成T型谐振器的偶模和奇模，在输入端口port1激励的输入信号首先沿输入传输线传播，然后将能量耦合到三模谐振器，最后在输出端口(port2和port3)均分并耦合至两条输出线。因此，图8中的耦合系数满足ME1L2＝ME1L3，ME2L2＝ME2L3和MOL2＝MOL3的关系。在图8中尚未考虑隔离电阻(R)的影响，因为滤波功分器结构的对称性几乎不影响三模滤波功率分配响应。但是，随着耦合强度的改变，滤波响应也会改变，一旦指定了滤波响应，输出端口2对端口3的隔离将主要通过改变隔离电阻来实现。
实施例3：
本实施例提供了采用上述实施例2的方法进行滤波功分器设计的具体实例，
本实施例中的设计要求中心频率为1.9GHz，3dB相对带宽是18.4％。设计步骤如下所示：首先根据公式谐振频率的计算公式，利用谐振器参数L1～L4的值(L1＝22.6mm，L2＝1.41mm，L3＝6.4mm，L4＝15.1mm)，计算得到奇模的谐振频率是1.93GHz，第一个偶模的谐振频率是2.04GHz，第二个偶模的谐振频率是1.77GHz。然后根据奇模和第一、二个偶模的外部Q值(Qodd＝42.32，Qeven1＝11.82，Qeven2＝16.41)计算谐振器的宽度w＝0.78mm和缝隙大小g1＝0.12mm，g2＝0.26mm。接着为了抑制高次谐波分量，在滤波功分器的两个输出端加载开路枝节。最后为了实现较高的隔离度，在两个输出端口之间加载100Ω的电阻。
为了验证上述方案中确定参数的准确性，在HFSS中仿真验证了滤波功分器结构，得到滤波功分器的尺寸如下：L1＝22.6mm，L2＝2.2mm，L3＝5.6mm，L4＝15.6mm，Ls＝9.8mm，Ws＝0.12mm，Wp＝1.2mm，w＝0.78mm，g1＝0.12mm，g2＝0.26mm。图9表示了仿真的滤波功分器的输入端口反射系数S11和插入损耗S12、S13。可以看到S11<-10dB的频率范围是1.72～2.07GHz，在中心频率1.9GHz处插入插入损耗S12、S13都为3.78dB。图10表示了仿真的滤波功分器输出端的反射系数和隔离度，可以看到S22<-10dB和S33<-10dB的频率范围是1.68～2.11GHz，在中心频率1.9Hz两个输出端口的隔离度S23为-22.3dB；因此，采用本发明方案设计的功分滤波器满足设计要求的同时具有较高的隔离度。

Claims (2)

1.一种高性能三模滤波功分器的设计方法，高性能三模滤波功分器包括介质基板、T型谐振器、输入端口馈线、第一输出端口馈线、第二输出端口馈线和隔离电阻；
所述T型谐振器、输入端口馈线、第一输出端口馈线、第二输出端口馈线和隔离电阻均布设与介质基板上；所述输入端口馈线设置于T型谐振器输入臂的一侧，第一输出端口馈线、第二输出端口馈线对称设置于T型谐振器输出臂的两侧，所述隔离电阻设置于第一输出端口馈线和第二输出端口馈线之间；
所述第一输出端口馈线和第二输出端口馈线结构相同，均包括相互垂直的第一微带线(1)和第二微带线(2)；所述第一微带线(1)的长度与T型谐振器输出臂的长度相同，所述第一微带线(1)与T型谐振器输出臂的耦合距离为g2；
所述输入端口馈线包括相互垂直的第三微带线(3)和第四微带线(4)，所述第三微带线(3)的长度大于T型谐振器输入臂的长度，所述第四微带线(4)的长度小于第三微带线(3)的长度，所述第三微带线(3)与T型谐振器输入臂的耦合距离为g1；
所述第一输出端口馈线中第二微带线(2)的开路端口作为三模滤波器的第一输出端口port2，所述第二输出端口馈线中第二微带线(2)的开路端口作为三模滤波功分器的第二输出端口port3，所述输入端口馈线中第三微带线(3)的开路端口作为三模滤波器的输入端口port1；
所述隔离电阻R设置于靠近T型谐振器的第一输出端口馈线和第二输出端口馈线中的两个第一微带线(1)之间；
所述T型谐振器为半波微带谐振器；
所述半波微带谐振器的分解结构包括一个弯折开路枝节和一个短路枝节(9)，所述弯折开路枝节包括第五微带线(5)、第六微带线(6)和第七微带线(7)，所述第五微带线(5)和第六微带线(6)相互垂直，所述第六微带线(6)和第七微带线(7)相互垂直；
所述短路枝节(9)的短路端与弯折开路枝节中第五微带线(5)和第六微带线(6)之间的弯折点连接；所述短路枝节(9)作为T型谐振器的输入臂，所述弯折开路枝节的第五微带线(5)作为T型谐振器的输出臂；
所述第一输出端口馈线和第二输出端口馈线中的第二微带线(2)上还分别连接有一个与其垂直的且长度为LS宽度为WS的开路枝节(10)；
所述介质基板为罗杰斯4003c；所述介质基板的参数包括相对介电常数为3.38，介质损耗正切为0.0027，厚度为0.508；
其特征在于，包括以下步骤：
S1、确定滤波功分器的包括中心频率和相对带宽在内的设计要求；
S2、根据T型谐振器各组成微带线的长度，确定其奇模谐振频率和偶模谐振频率：
S3、根据T型谐振器奇模谐振频率和偶模谐振频率对应的外部Q值，计算T型谐振器的宽度w及其对应的耦合距离g1和g2；
S4、根据设计要求确定开路枝节的长度LS和宽度WS；
S5、根据设计要求确定两个输出端口馈线的宽度Wp以及隔离电阻的值R；
S6、根据上述步骤S2-S6中的三模滤波功分器参数，在HFSS中进行滤波功分器的仿真，并对其参数进行优化，当前仿真输出结果满足设计要求且隔离度满足要求时，完成当前三模滤波功分器的设计；
所述步骤S2中，所述T型谐振器的奇模对应于 T型谐振器的短路枝节(9)，所述奇模的谐振频率fodd为：
Figure FDA0003454937040000031
式中，c为光速，L1为奇模即短路枝节(9)的长度，εeff为相对介电常数；
所述T型谐振器的偶模对应于T型谐振器的弯折开路枝节，所述偶模包括一个四分之一波长的终端开路谐振器和一个二分之一波长的终端短路谐振器；
所述四分之一波长的终端开路谐振器的谐振频率为：
Figure FDA0003454937040000032
式中，L3和L4分别为四分之一波长的终端开路谐振器中第六微带线(6)的长度和第七微带线(7)的长度；
所述二分之一波长的终端短路谐振器的谐振频率为：
Figure FDA0003454937040000033
式中，L2为二分之一波长的终端短路谐振器中第八微带线(8)的长度。
2.根据权利要求1所述的高性能三模滤波功分器的设计方法，其特征在于，所述步骤S5中的三模滤波功分器参数包括短路枝节(9)的长度L1、第六微带线(6)的长度L3，第七微带线(7)的长度L4、第八微带线(8)的长度L2、开路枝节(10)的长度LS、开路枝节(10)的宽度WS、T型谐振器中微带线的宽度w、T型谐振器与输入端口馈线的耦合距离g1、T型谐振器与输出端口馈线的耦合距离g2和两个输出端口馈线的宽度Wp。
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