CN112018482A - 基于阶梯阻抗多模谐振器的超宽带滤波功率分配器 - Google Patents

Abstract

本发明公开了基于阶梯阻抗多模谐振器的超宽带滤波功率分配器，属于基本电气元件的技术领域。该超宽带滤波功分器由中间层介质基板、设置在中间层介质基板上的上层微带结构和底层金属地板组成，其中，上层微带结构包含三个输入/输出端口、两个结构相同的超宽带阻抗变换器，每个超宽带阻抗变换器是由一个阶梯阻抗多模谐振器和其两端的强耦合结构构成，两端的强耦合部分采用了包括尺寸非对称的交指耦合线以及非对称宽度缺陷地的非对称的结构。通过将两个结构相同的超宽带阻抗变换器并联从而实现功率分配功能。本设计结构紧凑，体积小，以微带电路形式实现，且同时具有超宽带滤波与功率分配功能，可用于超宽带阵列天线的馈电网络、移动通信室内分布系统和其它的超宽带通信设备系统。

Description

基于阶梯阻抗多模谐振器的超宽带滤波功率分配器

技术领域

本发明涉及无线通信中的射频功分器，具体公开了基于阶梯阻抗多模谐振器的超宽带滤波功率分配器，此功分器同时具有超宽带滤波与超宽带功分功能，属于基本电气元件的技术领域。

背景技术

广泛应用于无线电通信、雷达、射频跟踪、精确定位等各领域的超宽带技术，不但是国际通信领域专家们的研究热点，而且还被看作是未来无线通信的关键技术之一。超宽带无线通信技术最初为直接利用脉宽为纳秒或亚纳秒级的脉冲作为信息载体的脉冲无线电技术，主要用于雷达和低截获/低侦查率的无线系统。随着微电子器件技术的发展，UWB(Ultra Wideband，超宽带)技术开始应用于民用领域。目前，学术界和工业界普遍比较关心的是3.1GHz-10.6GHz的Indoor UWB系统在商业上的应用价值。超宽带无线通信技术的快速发展对各种应用于超宽带无线通信的器件提出了更高的要求，高性能、小型化成为超宽带无线通信器件的必然发展趋势，UWB通信系统中的关键器件—超宽带滤波器与超宽带功分器得到广泛研究。

现有的超宽带功分器主要采用对称的微带结构，常见的功分器对称结构有：1、双层板结构，在上层介质基板上表面与下层介质基板下表面放置镜面对称的微带结构；2、单层板结构，在介质基板上表面放置中心对称的微带结构。并且现有的超宽带功分器大多仅具有功率分配功能，功能单一。为了解决功分器功能单一问题，最早通过级联的方式实现滤波功分一体化，但在随后的应用中发现这种方法虽然可以省去功分器与滤波器之间的50欧姆连接线，但缩小的系统尺寸有限，整体损耗大的问题依旧存在.随后一些研究者也设计了其它的滤波功分一体化方案，但其仍存在以下缺陷：带宽较窄、尺寸较大、结构较复杂。

阶梯阻抗谐振器于2005年被首次应用在超宽带器件设计中，其后，为了改善其通带选择性、带外抑制性等性能，枝节加载多模谐振器、微带/共面波导多模结构被相继应用在超宽带器件设计中。基于阶梯阻抗谐振器的功分器的实现在一些文章中已经提到一些方法，如Wei-Ming Chau等人在2014年发表的一篇文章“Filter-Based Wilkinson PowerDivider”，该文章提到了一种基于滤波器设计的威尔金森功分器，此功分器用到了阶梯阻抗谐振器，但是其带宽较窄，不具有带通滤波功能，并且尺寸较大。随着无线通信技术的发展，具有超宽带宽、复合功能、体积小型化与高选择性的超宽带功分器越来越得到重视，本发明旨在实现同时具备超宽带滤波功能和阻抗变换功能的超宽带滤波阻抗变换器以及同时具备超宽带滤波功能和功率分配功能的超宽带滤波功分器。

发明内容

本发明的发明目的是针对上述背景技术的不足，提供了基于阶梯阻抗多模谐振器的超宽带滤波功率分配器，采用新颖的非对称强耦合结构的超宽带滤波阻抗变换器及超宽带滤波功率分配器实现超宽带宽的同时实现超宽带滤波功能，特别适用于新型短距离无线通信中的超宽带通信系统，解决了现有超宽带器件功能单一且带宽较窄以及现有超宽带滤波功分一体化设计方案宽带窄、尺寸大、结构复杂的技术问题。

本发明为实现上述发明目的采用如下技术方案：

一种基于阶梯阻抗多模谐振器的超宽带滤波功率分配器，由中间层介质基板、设置在中间层介质基板上表面的上层微带结构和设置在中间层介质基板底面的底层金属地板组成；其中，上层微带线结构包含第一输入/输出端口、第二输入/输出端口、第三输入/输出端口、第一超宽带滤波阻抗变换器与第二超宽带滤波阻抗变换器，将两个结构相同的超宽带滤波阻抗变换器阻抗为2Z₀的高阻端以并联形式连接到输入阻抗为Z₀的第一输入/输出端口，将两个超宽带滤波阻抗变换器阻抗为Z₀的低阻端分别接入第二输入/输出端口、第三输入/输出端口，从而实现超宽带滤波功率分配器。

上述方案中，超宽带滤波阻抗变换器由中间的阶梯阻抗多模谐振器和其两端的强耦合结构组成，为了实现阻抗变换功能，两端的强耦合部分采用了非对称的结构，包括非对称长度的交指耦合线与非对称宽度的缺陷地。第一传输线、第二传输线与第三传输线构成了超宽带滤波阻抗变换器中间的阶梯阻抗多模谐振器；传输线四与阶梯阻抗多模谐振器的第一传输线相连，第六传输线十一为100欧姆微带线，第二传输线、第四传输线与第六传输线构成了高阻端的交指耦合线结构；第五传输线与阶梯阻抗多模谐振器的第一传输线相连，第七传输线与50欧姆微带线相连，第三传输线、第五传输线与第七传输线构成了低阻端的交指耦合线结构；上述两端的交指耦合线结构非对称。第一缺陷地单元设置在高阻端交指耦合线结构的正下方，第二缺陷地单元设置在低阻端交指耦合线结构的正下方，两端的缺陷地单元非对称，第一缺陷地单元较宽，第二缺陷地单元较窄。

阶梯阻抗多模谐振器为四模谐振器。该谐振器在超宽带频段内有四个谐振模式，保证了所设计的超宽带滤波功分器具有好的通带特性。

底层金属地板包括第一缺陷地单元、第二缺陷地单元；第一缺陷地单元、第二缺陷地单元是在金属单元上刻蚀形成的空气单元。

本发明采用上述技术方案，具有以下有益效果：

(1)本发明提出了一种具有非对称强耦合结构的阶梯阻抗多模谐振器，该非对称强耦合结构包括尺寸非对称的交指耦合线以及非对称宽度的缺陷地，以该阶梯阻抗多模谐振器为基础，通过微带线结构实现的滤波阻抗变换器能够工作于超宽频段且具备阻抗变换功能。

(2)本发明采用的具有非对称强耦合结构的阶梯阻抗多模谐振器为四模谐振器，该谐振器在超宽带频段内有四个谐振模式，保证了所设计的超宽带滤波功分器具有好的通带特性。

(3)本发明将两个结构相同的超宽带滤波阻抗变换器的高阻端以并联形式同时具有超宽带滤波与阻抗变换功能的超宽带滤波功率分配器，阻抗匹配性好，传输特性佳，在适用于高标准通信的超宽带无线通信系统有着良好的应用前景。

(4)本发明采用平面电路结构，适合与超宽带系统中其它器件集成，微带电路结构使得器件结构紧凑且体积小，另外，电路整体尺寸小，空间利用率高。

附图说明

图1是本发明超宽带滤波功分器的结构示意图。

图2是本发明超宽带滤波阻抗变换器的结构示意图。

图3是本发明超宽带滤波阻抗变换器上层微带的结构示意图。

图4是本发明超宽带滤波阻抗变换器底层金属地板的结构示意图。

图5是本发明超宽带滤波功分器底层金属地板的结构示意图。

图6是本发明超宽带滤波功分器拓扑的结构示意图。

图7是本发明超宽带滤波功分器各部分的尺寸标记图。

图8是本发明超宽带滤波功分器反射特性曲线S₁₁的仿真结果。

图9是本发明超宽带滤波功分器传输特性曲线S₂₁与S₃₁的仿真结果。

图10是本发明超宽带滤波功分器S参数曲线仿真结果的对比图。

图中标号说明：1、第一输入/输出端口，2、第二输入/输出端口，3、第三输入/输出端口，4、第一超宽带滤波阻抗变换器，5、第二超宽带滤波阻抗变换器，6、第一传输线，7、第二传输线，8、第三传输线，9、第四传输线，10、第五传输线，11、第六传输线，12、第七传输线，13、50欧姆微带线，14、高阻端交指耦合线结构，15、低阻端交指耦合线结构，16、18、19为第一缺陷地单元，17、20、21为第二缺陷地单元。

具体实施方式

下面结合附图对发明的技术方案进行详细说明。

本发明从基于阶梯阻抗多模谐振器的超宽带滤波器出发，采用创新的非对称强耦合结构，设计出了同时具有超宽带滤波与阻抗变换功能的超宽带滤波阻抗变换器，在该阻抗变换器的基础上延伸出同时具有超宽带滤波与功率分配功能的超宽带滤波功分器，解决了现有超宽带滤波功分一体化设计方案宽带窄、尺寸大、结构复杂等问题。

本发明公开的超宽带滤波功分器的结构示意图如图1所示，由上层微带结构、中间层介质基板和底层金属地板组成，上层微带结构和底层金属地板分别附着在中间层介质基板的上、下面，上层微带结构包含第一输入/输出端口1、第二输入/输出端口2、第三输入/输出端口3、第一超宽带滤波阻抗变换器4与第二超宽带滤波阻抗变换器5。超宽带滤波功分器拓扑结构如图6所示，将两个结构相同的超宽带滤波阻抗变换器阻抗为2Z₀的高阻端以并联形式连接到输入阻抗为Z₀的第一输入/输出端口1，将一个超宽带滤波阻抗变换器阻抗为Z₀的低阻端接到输入阻抗为Z₀的第二输入/输出端口2，将另一个超宽带滤波阻抗变换器阻抗为Z₀的低阻端接到输入阻抗为Z₀的第三输入/输出端口3，从而实现超宽带滤波功率分配器。该超宽带滤波功分器具有好的通带特性、好的通带选择性以及小的尺寸，各部分阻抗匹配性好，同时具有超宽带滤波与功率分配功能。

超宽带滤波阻抗变换器的结构如图2所示，由上层微带结构、中间层介质基板与底层金属地板组成。超宽带滤波阻抗变换器的上层微带结构如图3所示，第一传输线6、第二传输线7与第三传输线8构成了超宽带滤波阻抗变换器中间的阶梯阻抗多模谐振器；第四传输线9与第一传输线6相连，第六传输线11为位于第二传输线7与第四传输线9之间且与其它传输线无连接关系的100欧姆微带线，第二传输线7、第四传输线9与第六传输线11构成了高阻端交指耦合线结构14；第五传输线10与第一传输线6相连，第七传输线12位于第三传输线8和第五传输线10之间且与其它传输线无连接关系，第七传输线12与50欧姆微带线13相连，第三传输线8、第五传输线10与第七传输线12构成了低阻端交指耦合线结构15；高阻端交指耦合线结构14与低阻端交指耦合线结构15非对称，第四传输线9和第五传输线10的长度不同，第二传输线7和第三传输线8的长度不同，第六传输线11距离第一传输线的间隔与第七传输线12距离第一传输线6的间隔不同，因此，高阻端交指耦合线结构的和低阻端交指耦合线结构具有不同的耦合度。超宽带滤波阻抗变换器底层金属地板结构如图4所示，第一缺陷地单元16设置在高阻端交指耦合线结构14的正下方，第二缺陷地单元17设置在低阻端交指耦合线结构15的正下方；第一缺陷地单元16与第二缺陷地单元17非对称，第一缺陷地单元16的宽度大于第一缺陷地单元17的宽度，并且第一缺陷地单元16的宽度大于高阻端交指耦合线结构14的宽度，第二缺陷地单元17的宽度等于低阻端交指耦合线结构15的宽度。两个超宽带滤波阻抗变换器的100欧姆微带线并联后接入50欧姆的第一输入/输出端口1，第一超宽带滤波阻抗变换器4中的50欧姆微带线接入50欧姆的第二输入/输出端口2，第二超宽带滤波阻抗变换器5中的50欧姆微带线接入50欧姆的第三输入/输出端口3，即可得到超宽带滤波功分器。

超宽带滤波功分器底层金属地板结构如图5所示，包括：金属单元22、第一缺陷地单元18、19以及第二缺陷地单元20、21，第一缺陷地单元18、19以及第二缺陷地单元20、21为在金属单元22上刻蚀形成的空气单元，第一缺陷地单元18设置在第一超宽带滤波阻抗变换器4高阻端交指耦合线结构的正下方，第二缺陷地单元20设置在第一超宽带滤波阻抗变换器4低阻端交指耦合线结构的正下方，第一缺陷地单元19设置在第二超宽带滤波阻抗变换器5高阻端交指耦合线结构的正下方，第二缺陷地单元21设置在第二超宽带滤波阻抗变换器5低阻端交指耦合线结构的正下方。

在本实施例中，中层介质基板的介电常数为10.8，厚度为1.27mm。在图7中标明了本设计各部分的长宽，具体数值详见下表。(单位：mm)

图8、图9与图10是本发明超宽带滤波功分器的仿真结果特性图，反射特性曲线S₁₁在3.3GHz-10.1GHz频带范围内低于-10dB，具有较宽的通带范围；传输特性曲线S₂₁与S₃₁在上述频带范围内保持在-3dB左右，具有很好的传输特性；S参数特性曲线显示在上述频带范围外具有很好的滤波特性。综上仿真结果得出，本发明的超宽带滤波功分器同时具有优良的超宽带滤波与功率分配功能。

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作出若干改进，这些改进也应视为本发明的保护范围。

Claims (5)

1.基于阶梯阻抗多模谐振器的超宽带滤波阻抗变换器，包括：中间介质基板、附着在中间介质基板上表面的上层微带结构、附着在中间介质基板下表面的底层金属底板，其特征在于，所述上层微带结构为具有高阻端交指耦合线结构及低阻端交指耦合线结构的阶梯阻抗多模谐振器，底层金属底板上对应高阻端交指耦合线结构位置刻蚀有第一缺陷地单元，底层金属底板上对应低阻端交指耦合线结构的位置刻蚀有第二缺陷单元，所述高阻端交指耦合线结构与低阻端交指耦合线结构为尺寸非对称结构，第一缺陷地单元的宽度大于第二缺陷地单元的宽度，第一缺陷地单元的宽度大于高阻端交指耦合线结构的宽度，第二缺陷地单元的宽度等于低阻端交指耦合线结构的宽度。

2.根据权利要求1所述基于阶梯阻抗多模谐振器的超宽带滤波阻抗变换器，其特征在于，所述高阻端交指耦合线结构包括：与阶梯阻抗多模谐振器主传输线连接的第二传输线、第四传输线以及位于第二传输线与第四传输线之间且距离阶梯阻抗多模谐振器主传输线一定间隔的第六传输线，所述第六传输线为阻抗是2Z₀的微带线。

3.根据权利要求2所述基于阶梯阻抗多模谐振器的超宽带滤波阻抗变换器，其特征在于，所述低阻端交指耦合线结构包括：与阶梯阻抗多模谐振器主传输线连接的第三传输线、第五传输线以及位于第三传输线和第五传输线之间且距离阶梯阻抗多模谐振器主传输线一定间隔的第七传输线，所述第七传输线与阻抗是Z₀的微带线相连。

4.根据权利要求3所述基于阶梯阻抗多模谐振器的超宽带滤波阻抗变换器，其特征在于，第四传输线和第五传输线的长度不同，第二传输线和第三传输线的长度不同，第六传输线距离阶梯阻抗多模谐振器主传输线的间隔与第七传输线距离阶梯阻抗多模谐振器主传输线的间隔不同。

5.基于阶梯阻抗多模谐振器的超宽带滤波功率分配器，其特征在于，包括：两个权利要求3所述超宽带滤波阻抗变换器，两个超宽带滤波阻抗变换器高阻端交指耦合线结构中阻抗是2Z₀的微带线并联后接入第一输入/输出端口，一个超宽带滤波阻抗变换器低阻端交指耦合线结构连接的阻抗是Z₀的微带线分别接入第二输入/输出端口，另一个超宽带滤波阻抗变换器低阻端交指耦合线结构连接的阻抗是Z₀的微带线分别接入第三输入/输出端口。

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