CN112909464B - 一种均匀阻抗枝节加载的微带合路器 - Google Patents

Abstract

本发明均匀阻抗枝节加载的微带合路器，包含低通滤波电路、高通滤波电路和合路电路，其特征在于：低通滤波电路包含有两个级联的π1型结构单元，π1型结构单元具有主传输线和设置于主传输线两端的两个均匀阻抗开路枝节，π1型结构单元的极点位于其两个零点的左侧；高通滤波电路包含两个级联的π2型结构单元，π2型结构单元具有主传输线和设置于主传输线两端的两个均匀阻抗开路枝节，π2型结构单元的极点位于其两个零点的之间。本发明有益效果如下：通过调整结构单元的参数值，可以灵活调控零极点的位置，从而产生良好的滚降特性；设计中使用非等长的枝节加载可以减小电路的尺寸，使得电路更加简单轻巧。

Description

一种均匀阻抗枝节加载的微带合路器

技术领域

本发明涉及合路器技术领域，特别涉及均匀阻抗枝节加载的微带合路器。

背景技术

目前，公知的射频信号开路枝节加载的微带合路器其枝节和主线宽度大多为等长的，其布线面积较大，不适合目前绝大多数移动通信系统基站中合路器小型化的需求，基于此，提出一种非等长开路枝节加载的小型化微带合路器。

经检索发现专利CN 204348876 U公开了一种超宽频双频双极化基站天线的内置微带合路器，包含高频分路、低频分路和高低频合路，高频分路具有两个开路枝节，低频分路具有三个开路枝节。该微带合路器具有体积小、成本低、性能优良的特点。然而其缺陷在于：枝节采用阶跃阻抗变换线段，设计相对复杂；枝节间主线的长度差距很小，不能达到进一步减小电路体积的目的。

发明内容

本发明的目的在于：克服上述现有技术的缺陷，提出一种面积小、结构简单的均匀阻抗枝节加载的微带合路器。

为了达到上述目的，本发明提供的均匀阻抗枝节加载的微带合路器，包含低通滤波电路、高通滤波电路和合路电路，其特征在于：所述低通滤波电路包含有两个级联的π1型结构单元，所述π1型结构单元具有主传输线和设置于主传输线两端的两个均匀阻抗开路枝节，所述π1型结构单元的极点位于其两个零点的左侧；所述高通滤波电路包含两个级联的π2型结构单元，所述π2型结构单元具有主传输线和设置于主传输线两端的两个均匀阻抗开路枝节，所述π2型结构单元的极点位于其两个零点的之间。

进一步的，所述高通滤波电路还包括加载在两个π2型结构单元之间高频微带线上的均匀阻抗开路枝节，使高频频带内产生第三个零点，所述第三个零点位于两个π2型结构单元中较短开路枝节产生的零点之间。

此外，本发明还提供了上述均匀阻抗枝节加载的微带合路器的设计方法，包含以下步骤：

步骤1、根据低通滤波电路需要抑制的频带选择两个π1型结构单元级联；

步骤2、通过调节两个π1型结构单元中主传输线和两个均匀阻抗开路枝节的长度和宽度，以控制零点与极点之间的距离，使得π1型结构单元的极点定位于其两个零点的左侧，具体来说该极点应定位于通带内，至此完成两个π1型结构单元微带滤波电路的设计；

步骤3、根据高通滤波电路需要抑制的频带选择两个π2型结构单元级联；

步骤4、通过调节两个π2型结构单元中主传输线和两个均匀阻抗开路枝节的长度和宽度，以控制零点与极点之间的距离，使得π2型结构单元的极点定位于其两个零点之间，具体来说该极点应定位于通带内，至此完成两个π2型结构单元微带滤波电路的设计；

步骤5、级联单元结构之间的主传输线尺寸通过参数扫描、调节匹配来确定，使得S参数达到预定标准，具体来说，S₁₁在通带内小于-20dB；S₂₁在阻带内小于-27dB，在通带内大于-0.5dB，至此完成微带低通滤波器和微带高通滤波器的设计；

步骤6、将两个设计好的微带低通滤波器和微带高通滤波器通过含有T型结的合路电路相连，即完成所述微带合路器的设计。

本微带合路器具有以下特点：

1、本合路器采用非耦合的微带线的实现方式，在其基础上将合路器分为低通滤波器和高通滤波器分别设计，在考虑带外抑制的基础上，通过多个π型结构单元的级联来产生多个可控的零点和极点，以实现良好的滤波器的滚降特性。

2、π型结构单元(包含主线和加载于主线两端的开路枝节)具有3段微带线，每段微带线分别由线长和线宽来控制其电长度θ和阻抗Z，因此对于π型结构单元需要对总共6个参数进行分析，也便于用ABCD矩阵进行分析。

π型结构单元中的两个开路枝节产生的零点位于其长度为四分之一波长对应的频点上，通过调整6个参数可以精确的控制零点与极点之间的距离，根据极点产生机理，分为π1型结构单元和π2型结构单元分别进行分析。π1型结构单元的两根开路枝节长度相差不大，其两个零点相互靠近，极点则产生与两个零点的左侧；π2型结构单元的两根开路枝节长度相差很大，两个零点相距很大，极点产生于两个零点的中间。因此，该π型结构单元可以适应低通和高通滤波电路的设计。

实施本发明的技术方案，具有以下有益结果：

1、通过调整π型结构单元的参数值，可以灵活调控零极点的位置，从而产生良好的滚降特性；

2、设计中使用非等长的枝节加载可以减小电路的尺寸，使得电路更加简单轻巧。

附图说明

下面结合附图对本发明作进一步的说明。

图1是本实例均匀阻抗枝节加载的微带合路器的俯视示意图。

图2是本实例π型结构单元示意图。

图3是本实例π1型结构单元的S₁₁和S₂₁参数以及零极点图。

图4是本实例π2型结构单元的S₁₁和S₂₁参数以及零极点图。

图5是本实例低通道和高通道的S₁₁和S₂₁参数以及零极点图。

图6是本实例合路器中低通道和高通道的S₁₁和S₂₁参数图。

图7是本实例π1型结构单元和π2型结构单元的短枝节宽度变化趋势。

图8是本实例π1型结构单元和π2型结构单元的短枝节长度变化趋势。

图9是本实例π1型结构单元和π2型结构单元的长枝节宽度变化趋势。

图10是本实例π1型结构单元和π2型结构单元的长枝节长度变化趋势。

图11是本实例π1型结构单元和π2型结构单元的主线宽度变化趋势。

图12是本实例π1型结构单元和π2型结构单元的主线长度变化趋势。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例对本发明做进一步说明。

如图1所示，本实例均匀阻抗枝节加载的微带合路器，包括介质基板和分设置于介质基板底面和顶面的金属地板和微带电路，微带电路包含低通滤波电路(698MHz-798MHz)1,高通滤波电路(885MHz-960MHz)2和合路电路3，低通滤波电路1包含有低频输入端口、两个级联的π1型结构单元和低频输出端口，高通滤波电路2包含高频输入端口、两个级联的π2型结构单元和高频输出端口。低频输出端口、高频输出端口分别连接合路电路3的低频输入端口、高频输入端口。π1型结构单元具有主传输线和设置于主传输线两端的两个均匀阻抗开路枝节，开路枝节长度相近(长度之比小于1.2)，使得π1型结构单元的极点位于其两个零点的左侧。π2型结构单元具有主传输线和设置于主传输线两端的两个均匀阻抗开路枝节，开路枝节长度相差较大(长度之比大于1.2)，使得π2型结构单元的极点位于其两个零点的之间。如图1所示，低通滤波电路1中，靠近低频输入端口的π1型结构单元具有两个均匀开路枝节31、32，靠近低频输出端口的π1型结构单元具有两个均匀开路枝节33、34。在高通滤波电路2中，靠近高频输入端口的π2型结构单元具有两个均匀开路枝节41、42，靠近高频输出端口的π2型结构单元具有两个均匀开路枝节44、45。本例中，低通滤波电路1由700MHz频段(698MHz-798MHz)端口馈入，高通滤波电路2由900M(885MHz-960MHz)频段端口馈入，合路电路3为合路端口输出，在合路电路中由微带线T型结连接实现合路。

为了达到更好的高频带通抑制效果，高通滤波电路2还包括加载在两个π2型结构单元之间高频微带线上的均匀阻抗开路枝节43，使高频频带内产生第三个零点，该第三个零点位于两个π2型结构单元中较短开路枝节42、45产生的零点之间。

如图2所示，本实例采用的π型结构单元可分为π1型结构单元和π2型结构单元进行分析。每个结构单元具有6个参数L₀,W₀,L_x1,W_x1,L_x2,W_x2。

本合路器可采用ABCD网络矩阵分析，参数对应于图2：

短开路枝节的ABCD矩阵：

长开路枝节的ABCD矩阵：

主线的ABCD矩阵：

式中Z_x1、θ_x1、Z_x2、θ_x2、Z₀、θ₀分别代表短枝节、长枝节以及主线的阻抗以及电长度，Y_in1代表短开路枝节的输入导纳，Y_in2代表长开路枝节的输入导纳，Y₀代表主线的导纳，j代表虚数单位。

根据π型结构单元的分布，

同时，由于两侧都为50Ω的端口，S₂₁用ABCD矩阵可表示为

当│S₂₁│＝0的时候对应零点的频率，│S₂₁│＝1的时候对应极点的频率，通过MATLAB编程，其计算结果跟ADS中的结果基本吻合。

对于低通滤波电路的π1型结构单元，如图3所示，6个参数初始值为：

L₀＝10mm；W₀＝4mm；L_x1＝22mm；W_x1＝3mm；L_x2＝24mm；W_x2＝1.7mm。为了获得滤波响应，一对有着不同长度(L_x1和L_x2)的均匀阻抗开路枝节被加载在主线上。这两个开路枝节可以在长度为四分之一波长对应的频点上产生零点，这两个传输零点能够被它们所对应的相关枝节的长度和宽度独立控制和调节。长一点的枝节控制低端的传输零点，短一点的枝节控制高端的零点。图3为该π1型结构单元的S₁₁和S₂₁参数和零极点分布。由于两个枝节长度差距不大，因此两个零点距离很近，同时其极点产生于两个零点的左侧，为了获得良好的滚降特性，需要通过控制参数来调控极点f_p和第一个零点f_z1的距离。该π1型结构单元的6个参数对于零极点的影响如图7-12的左侧图所示。由于设计的通带边缘频率(798MHz)和阻带边缘频率(885MHz)距离很近，因此，滚降的设计尤为重要，通过对参数扫描的分析，可以通过减小短枝节宽度，减小短枝节长度，增加长枝节长度，增加主线宽度，减小主线长度来减小零点与极点的距离。其中主线长度对于零极点的靠近影响最大，这也是减小电路尺寸的关键参数。

对于高通滤波电路的π2型结构单元，如图4所示，6个参数初始值为：L₀＝5mm；W₀＝4mm；L_x1＝22mm；W_x1＝3mm；L_x2＝44mm；W_x2＝1.7mm。高通滤波电路与低通滤波电路不同之处在于它的两个开路枝节的长度(L_x1和L_x2)差距更大，因此其两个零点距离更远，所关心的极点产生于两个零点之间。图4为π2型结构单元的S₁₁和S₂₁参数和零极点分布。该π2型结构单元的6个参数对于零极点的影响如图7-12的右侧图所示。由于设计的通带边缘频率(885MHz)和阻带边缘频率(798MHz)距离很近，因此，通过对参数扫描的分析，可以通过增加短枝节宽度，增加短枝节长度，减小长枝节宽度，减小长枝节长度，增加主线长度的方式来调整获得良好的滚降特性，然后在其基础上进行参数优化。

π型结构单元的个数取决于滤波器的设计要求，其阻带的带宽要求决定开路枝节的数目，如图5左图所示，在低通滤波器的设计中，各零点分布在通带的右侧，由于需要对885MHz-960MHz以及1.71GHz-2.7GHz两个频带产生抑制效果，因此，需要在两个频带内各产生两个零点(f_z1、f_z2和f_z3、f_z4)，于是选择两个π1型结构单元进行级联，同时对应于频段的比例关系，多个π1型结构单元之间的枝节长度也是相应的比例。多个π1型结构单元的级联对于通带内的回波损耗也有明显的改善，更容易展宽通带的带宽。

如图5右图所示，在高通滤波器的设计中，零点分布在通带的两侧，同时也需要对698MHz-798MHz以及1.71GHz-2.7GHz两个频带产生抑制效果，因此，需要在两个频带内各产生两个零点(f_z1、f_z2和f_z3、f_z4)，但此处由于1.71GHz-2.7GHz频带中的两个零点不能满足抑制要求，因此在两个π2型结构单元的级联基础上再加入一个新的枝节，使得1.71GHz-2.7GHz频带内产生三个零点(f_z3、f_z4和f_z5)来拓宽阻带。同时更多的零点对于通带内的回波损耗也有明显的改善，更容易展宽通带的带宽。

通过π2型结构单元的级联指导了非等长枝节的排布。同时对应于频带的比例，π2型结构单元内部的两个枝节长度之比也是相应的比例。

如图6所示，左图为低通结构的合路仿真结果，右图为高通结构的合路仿真结果。

合路器中的单路滤波器有两个频段需要抑制，对于π型结构单元，满足fl＜f1＜f2＜fh,其中f1,f2为π型结构单元的零点，fh、fl为阻带频段的上下边缘频率。

本发明均匀阻抗枝节加载的微带合路器的设计方法，具体设计步骤如下：

均匀阻抗枝节加载的微带合路器的设计方法，包含以下步骤：

步骤1、低通滤波器由低阻带频段往高阻带频段的方向设计，若阻带上下限之比fh/fl＜1.08，可在主线上加载单个四分之一波长开路短截线；若阻带上下限之比1.08≤fh/fl＜1.4，则加载一个π1型结构单元；若比值fh/fl＞1.4，则需采用n(n≥1)个π1型结构单元级联以及在级联的n个π1型结构单元后新增单个枝节。对于这种情况，详细说明：首先考虑带内是否有高次谐振零点，有则与当前阻带内π1型结构单元的零点一起分析，若高次谐振零点和本单元结构的零点不能满足阻带的抑制需求，则需要在阻带内插入一个新的枝节以达到阻带的抑制要求。

本实施例中，两个πⅠ型结构单元的参数设计：低通滤波电路抑制的第一个频段为885MHz-965MHz，由于1.08≤fh/fl＜1.4，因此采用一个π1型结构单元加载，其枝节长度由谐振频率f1,f2决定；第二个频段(1.71GHz-2.7GHz)的上下限之比fh/fl＞1.4，此时需同时考虑频段中是否有第一个阻带中π1型结构单元的高次谐振零点，本阻带确有高次谐振零点，因此，结合高次谐振零点，本频带也仅需要一个π1型结构单元的加载。

综上，本实施例合路器中的低通滤波电路采用两个π1型单元结构级联。

步骤2、通过调节两个π1型结构单元中主传输线和两个均匀阻抗开路枝节的长度和宽度，以控制零点与极点之间的距离，使得π1型结构单元的极点定位于其两个零点的左侧，具体来说该极点应定位于通带内，至此完成两个π1型结构单元微带滤波电路的设计。

步骤3、对于高通滤波器，基础π2型单元结构的两个零点各分布在两个阻带内，再根据两个阻带的抑制是否达标来增加π2型单元结构的数目。

本实施例中，根据两个阻带(698MHz-798MHz，1.71GHz-2.7GHz)来确定π2型单元结构的枝节的长度范围。低频阻带需要两个零点，高频阻带在考虑了高次谐波零点后，两个零点仍不满足抑制需求，因此需要增加一个新的枝节来达到抑制要求。

综上，本实施例合路器中的高通滤波电路采用两个π2型单元结构级联，并且在后方加入一个枝节43。调节均匀阻抗开路枝节43的长度和宽度，使高频频带内产生第三个零点，第三个零点位于两个π2型结构单元中较短开路枝节产生的零点之间。

步骤4、通过调节两个π2型结构单元中主传输线和两个均匀阻抗开路枝节的长度和宽度，以控制零点与极点之间的距离，使得π2型结构单元的极点定位于其两个零点之间，具体来说该极点应定位于通带内，至此完成两个π2型结构单元微带滤波电路的设计。

步骤5、级联单元结构之间的主传输线尺寸通过参数扫描、调节匹配来确定，使得S参数达到预定标准，具体来说，S₁₁在通带内小于-20dB；S₂₁在阻带内小于-27dB，在通带内大于-0.5dB，至此完成微带低通滤波器和微带高通滤波器的设计。

步骤6、将两个设计好的微带低通滤波器和微带高通滤波器通过含有T型结的合路电路相连，即完成所述微带合路器的设计。

本实施实用仿真软件ADS(Advanced Design System)中根据设计要求来选取π型结构单元和枝节数目：低通选择2个π1型结构单元，π1型结构单元之间的枝节长度的选取按照阻带频段的比值选取；高通选择2个π2型结构单元，π2型结构单元内部的两个枝节长度的选取按照阻带频段的比值选取。由滚降频带的带宽要求，通过π型结构单元的参数扫描来确定主线的尺寸。然后将ADS中单路仿真的模型在HFSS中进行建模，尽量将微带线进行弯折来减小电路尺寸，然后将HFSS中导出的S参数文件(S2p文件)导入ADS中进行合路仿真，产生合路结果。再将ADS中的合路结果在HFSS中进行建模，并通过参数扫描以及优化来获得最终结果。均匀阻抗枝节加载的微带合路器在电磁仿真软件HFSS.18.0中建模仿真。

本实例均匀阻抗枝节加载的微带合路器所采用的介质基板相对介电常数为3.5，厚度为0.762mm，损耗角正切为0.0018。

本发明通过对π型结构单元的零极点分析来实现设计要求规定的滚降特性。该设计中使用非等长的均匀阻抗开路枝节加载和非等长的主线长度可以减小电路的尺寸，使得电路更加简单轻巧。

除上述实施例外，本发明还可以有其他实施方式。凡采用等同替换或等效变换形成的技术方案，均落在本发明要求的保护范围。

Claims (9)

1.一种均匀阻抗枝节加载的微带合路器，包含低通滤波电路（1）、高通滤波电路（2）和合路电路（3），其特征在于：所述低通滤波电路（1）包含有两个级联的π1型结构单元，所述π1型结构单元具有主传输线和设置于主传输线两端的两个均匀阻抗开路枝节，所述π1型结构单元的两个开路枝节的长度之比小于1.2，所述π1型结构单元的极点位于其两个零点的左侧；所述高通滤波电路（2）包含两个级联的π2型结构单元，所述π2型结构单元具有主传输线和设置于主传输线两端的两个均匀阻抗开路枝节，π2型结构单元的两个开路枝节长度之比大于1.2，所述π2型结构单元的极点位于其两个零点的之间。

2.根据权利要求1所述的均匀阻抗枝节加载的微带合路器，其特征在于：所述高通滤波电路（2）还包括加载在两个π2型结构单元之间高频微带线上的均匀阻抗开路枝节（43），使高频频带内产生第三个零点，所述第三个零点位于两个π2型结构单元中较短开路枝节产生的零点之间。

3.根据权利要求1所述的均匀阻抗枝节加载的微带合路器，其特征在于：所述低通滤波电路（1）用于对885MHz-960MHz和1.71GHz-2.7GHz两个频带进行抑制，在两个频带内各产生两个零点。

4.根据权利要求3所述的均匀阻抗枝节加载的微带合路器，其特征在于：所述高通滤波电路（2）用于对698MHz-798MHz和1.71GHz-2.7GHz两个频带进行抑制，1.71GHz-2.7GHz频带内具有三个零点（f_z3、f_z4、f_z5）。

5.根据权利要求1所述的均匀阻抗枝节加载的微带合路器，其特征在于：所述均匀阻抗开路枝节为非耦合微带线。

6.根据权利要求1所述的均匀阻抗枝节加载的微带合路器，其特征在于：包括介质基板和设置于介质基板底面的金属地板，所述低通滤波电路（1）、高通滤波电路（2）和合路电路（3）设置于介质基板的上表面。

7.根据权利要求1所述的均匀阻抗枝节加载的微带合路器，其特征在于：所述低通滤波电路（1）具有低频微带线和设置于该低频微带线两端的低频输入端口、低频输出端口，所述高通滤波电路（2）具有高频微带线和设置于该高频微带线两端的高频输入端口、高频输出端口，低频输出端口、高频输出端口分别连接合路电路（3）的低频输入端口、高频输入端口。

8.权利要求1-7任一项所述均匀阻抗枝节加载的微带合路器的设计方法，包含以下步骤：

步骤1、根据低通滤波电路需要抑制的频带选择两个π1型结构单元级联，所述π1型结构单元的两个开路枝节的长度之比小于1.2；

步骤2、通过调节两个π1型结构单元中主传输线和两个均匀阻抗开路枝节的长度和宽度，以控制零点与极点之间的距离，使得π1型结构单元的极点定位于其两个零点的左侧，具体来说该极点应定位于通带内，至此完成两个π1型结构单元微带滤波电路的设计；

步骤3、根据高通滤波电路需要抑制的频带选择两个π2型结构单元级联，所述π2型结构单元的两个开路枝节长度之比大于1.2；

步骤4、通过调节两个π2型结构单元中主传输线和两个均匀阻抗开路枝节的长度和宽度，以控制零点与极点之间的距离，使得π2型结构单元的极点定位于其两个零点之间，具体来说该极点应定位于通带内，至此完成两个π2型结构单元微带滤波电路的设计；

步骤5、级联单元结构之间的主传输线尺寸通过参数扫描、调节匹配来确定，使得S参数达到预定标准，具体来说，S₁₁在通带内小于-20dB；S₂₁在阻带内小于-27dB，在通带内大于-0.5dB，至此完成微带低通滤波器和微带高通滤波器的设计；

步骤6、将两个设计好的微带低通滤波器和微带高通滤波器通过含有T型结的合路电路相连，即完成所述微带合路器的设计。

9.权利要求8所述均匀阻抗枝节加载的微带合路器的设计方法，其特征在于：两个π2型结构单元之间的高频微带线上加载均匀阻抗开路枝节（43），调节均匀阻抗开路枝节（43）的长度和宽度，使高频频带内产生第三个零点，所述第三个零点位于两个π2型结构单元中较短开路枝节产生的零点之间。

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