CN112993501A - 加载谐振器慢波传输线的微带小型化宽阻带滤波功分器 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种加载谐振器慢波传输线的微带小型化宽阻带滤波功分器，属于射频微波技术领域，包括两个对称设置的加载谐振器慢波传输线、信号输入端口、第一信号输出端口、第二信号输出端口以及隔离电阻；所述的两个对称设置的加载谐振器慢波传输线一端连接信号输入端口，另一端分别连接第一信号输出端口、第二信号输出端口；所述隔离电阻连接在两个加载谐振器的慢波传输线末端之间。基于本发明中的传输线所设计的威尔金森功分器相较于传统的威尔金森功分器具有更小的尺寸，也具有良好的低通滤波性能和宽阻带性能。

Description

加载谐振器慢波传输线的微带小型化宽阻带滤波功分器

技术领域

本发明属于射频微波技术领域，涉及一种加载谐振器慢波传输线的微带小型化宽阻带滤波功分器。

背景技术

功分器和低通滤波器是射频通信电路中重要的组成部分。功分器主要应用于功率放大器、天线等射频器件的功率分配，可将输入端的功率按照一定比例分成二路或者N路功率输出，而低通滤波器主要用来滤除不需要的高频信号。威尔金森功分器因为具有较好的隔离度和端口匹配性，是目前一种应用广泛的无源功分器。随着射频通信系统的发展，对各射频元器件的尺寸都提出了更高的要求，射频器件的集成度和小型化是目前研究的一个重点。滤波功分器通常是由功分器和滤波器单独设计然后组合而成，这需要导致电路占用很大的面积和具有较高的插入损耗，因此在单个器件中同时实现功率分配和滤波的作用具有重要的意义。同时，威尔金森功分器由于受到两臂四分之一波长传输线的限制，在较低频段往往导致功分器尺寸过大，也不利于射频通信系统的小型化，因此研究具有滤波特性的小型化威尔金森功分器具有重要的意义。

发明内容

有鉴于此，本发明的目的在于提供一种基于加载谐振器的平面慢波传输线的微带小型化等分滤波功分器，旨在使用一种具有宽阻带低通滤波性能的慢波传输线代替传统四分之一波长传输线，以实现功分器尺寸缩减的同时，还具有较好的低通滤波特性和宽阻带性能。

为达到上述目的，本发明提供如下技术方案：

一种加载谐振器慢波传输线的微带小型化宽阻带滤波功分器，包括两个对称设置的加载谐振器慢波传输线、信号输入端口、第一信号输出端口、第二信号输出端口以及隔离电阻；

所述的两个对称设置的加载谐振器慢波传输线一端连接信号输入端口，另一端分别连接第一信号输出端口、第二信号输出端口；所述隔离电阻连接在两个加载谐振器的慢波传输线末端之间。

进一步，所述加载谐振器慢波传输线包括T型平板电容、T型平板电容的连接线，以及在所述T型平板电容的两侧对称设置的两个弯折细传输线、两个矩形平板电容、两个矩形平板电容连接线、两个蛇形线、两个水平细传输线；

其中，所述弯折细传输线与矩形平板电容通过矩形平板电容连接线连接，所述弯折细传输线还与蛇形线连接，所述蛇形线另一端与水平细传输线连接，所述水平细传输线另一端通过T型平板电容连接线与所述T型平板电容连接。

进一步，所述矩形平板电容的底部和T型平板电容底部位于同一水平线上。

进一步，所述第一信号输出端口、第二信号输出端口向两个T型平板电容方向弯折，且弯折处设有45°切角。

进一步，弯折细传输线等效为并联电感L_s1与并联电容C_s1，矩形平板电容的连接线和矩形平板电容分别等效为串联电感L_r1和并联电容C_r1，蛇形线等效为串联电感L_s2和并联电容C_s2、C_s3，水平细传输线等效为串联电感L_s3和并联电容C_s4，T型平板电容和T型平板电容的连接线等效为并联电容C_r2和串联电感L_r2，矩形平板电容和T型平板电容之间的耦合等效为并联电容C_r3；

对地并联电容C_r1和串联电感L_r1组成一个串联谐振电路，等效为一个并联电容C_p1；对地并联电容C_r2和串联电感L_r2组成一个串联谐振电路，等效为一个并联电容C_p2；C_p1和C_p2计算为

每段加载谐振器的慢波传输线的总的等效串联电感均为L_t，且满足以下关系

L_t＝2L_s1+2L_s2+2L_s3

总的等效并联电容C_t等效为

C_t＝2C_s1+2C_s2+2C_s3+2C_s4+2C_p1+C_p2

每段慢波传输线的等效特性阻抗为

每段慢波传输线的相移为

其中，ω为慢波传输线的工作角频率。

进一步，所述隔离电阻为阻值100Ω的贴片电阻。

本发明的有益效果在于：基于本发明中的加载谐振器的慢波传输线所设计的威尔金森功分器相较于传统的威尔金森功分器具有更小的尺寸。其次，慢波传输线上加载的两种谐振器使其具有良好的滤波性能和宽阻带性能，又因为慢波传输线具有低通的固有特性，所以，基于本发明中的传输线所设计的威尔金森功分器具有良好的低通滤波性能和宽阻带性能。

本发明的其他优点、目标和特征在某种程度上将在随后的说明书中进行阐述，并且在某种程度上，基于对下文的考察研究对本领域技术人员而言将是显而易见的，或者可以从本发明的实践中得到教导。本发明的目标和其他优点可以通过下面的说明书来实现和获得。

附图说明

为了使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图对本发明作优选的详细描述，其中：

图1为本发明基于加载谐振器的慢波传输线的微带小型化等分滤波功分器的结构示意图；

图2为本发明加载谐振器的慢波传输线的结构示意图；

图3为本发明加载谐振器的慢波传输线的等效电路示意图；

图4为本发明加载谐振器的慢波传输线的S参数仿真曲线图；

图5为本发明加载谐振器的慢波传输线的相位仿真图；

图6为本发明加载谐振器的慢波传输线的特性阻抗仿真图；

图7为矩形谐振器和T型谐振器的结构示意图；

图8为矩形谐振器和T型谐振器的S参数仿真曲线图；

图9为本发明基于加载谐振器的慢波传输线的微带小型化等分滤波功分器具体实施例样品的结构尺寸标注图；

图10为本发明基于加载谐振器的慢波传输线的微带小型化等分滤波功分器的具体实施例样品的S参数仿真曲线图；

图11为本发明实施例样品的输出端信号幅度差和相位差的仿真曲线图；

图12为传统威尔金森等分功分器的结构示意图；

图13为传统威尔金森功分器的S参数仿真曲线图。

具体实施方式

以下通过特定的具体实例说明本发明的实施方式，本领域技术人员可由本说明书所揭露的内容轻易地了解本发明的其他优点与功效。本发明还可以通过另外不同的具体实施方式加以实施或应用，本说明书中的各项细节也可以基于不同观点与应用，在没有背离本发明的精神下进行各种修饰或改变。需要说明的是，以下实施例中所提供的图示仅以示意方式说明本发明的基本构想，在不冲突的情况下，以下实施例及实施例中的特征可以相互组合。

其中，附图仅用于示例性说明，表示的仅是示意图，而非实物图，不能理解为对本发明的限制；为了更好地说明本发明的实施例，附图某些部件会有省略、放大或缩小，并不代表实际产品的尺寸；对本领域技术人员来说，附图中某些公知结构及其说明可能省略是可以理解的。

本发明实施例的附图中相同或相似的标号对应相同或相似的部件；在本发明的描述中，需要理解的是，若有术语“上”、“下”、“左”、“右”、“前”、“后”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此附图中描述位置关系的用语仅用于示例性说明，不能理解为对本发明的限制，对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语的具体含义。

本发明基于加载谐振器的慢波传输线的微带小型化等分低通滤波宽阻带功分器，如图1所示，包括介质基板11，介质基板11的一个表面上设有金属微带和隔离电阻12，另一个表面上设有金属地。金属微带部分包括信号输入端口微带线1，信号第一输出端口微带线2，信号第二输出端口微带线3，四段弯折细传输线4、四段矩形平板电容的连接线5、四段蛇形线6、四段水平细传输线7、四个矩形平板电容8、两段T型平板电容的连接线9、两个T型平板电容10。

一段具有低通滤波和宽阻带性能的加载谐振器的慢波传输线结构如图2所示，包括二段弯折细传输线4、二段矩形平板电容的连接线5、二段蛇形线6、二段水平细传输线7、二个矩形平板电容8、一段T型平板电容的连接线9、一个T型平板电容10。

如图1所示，基于加载谐振器的慢波传输线的微带小型化等分滤波功分器由两段具有宽阻带低通滤波性能的慢波传输线、信号输入端口1、第一信号输出端口2、第二信号输出端口3和隔离电阻12组成。

两段加载谐振器的慢波传输线一端共同连接于信号输入端口1，另一端分别与第一信号输出端口2和第二信号输出端口3相连接。隔离电阻12连接在两段加载谐振器的慢波传输线末端之间。

如图2所示，一段加载谐振器的慢波传输线中，弯折细传输线4与矩形平板电容8通过矩形平板电容的连接线5相连，弯折细传输线4与蛇形线6直接相连，蛇形线6与水平细传输线7直接相连，水平细传输线7与T型平板电容10通过T型平板电容的连接线9相连接，加载谐振器的慢波传输线以T型平板电容的连接线9为中心左右对称。矩形平板电容8的底部和T型平板电容10底部位于同一水平线上。此外，两个信号输出端口在拐弯处分别设有两个45°切角。

在功分器的设计中，信号输入端口1用于射频信号的输入，信号第一输出端口2和信号第二输出端口3用于输出等分滤波后的射频信号。两段加载谐振器的慢波传输线等效为两段四分之一波长传输线，具有70.7Ω的等效特性阻抗和90°相移。隔离电阻12用于隔离信号第一输出端口2和信号第二输出端口3之间的信号传输，防止两个信号输出端口的微带线与外部端口阻抗不匹配造成的反射信号在两个信号输出端之间的串扰，隔离电阻采用阻值为100Ω的贴片电阻。

加载谐振器的慢波传输线的等效电路如图3所示。弯折细传输线4等效为并联电感L_s1与并联电容C_s1，矩形平板电容的连接线5和矩形平板电容8分别等效为串联电感L_r1和和并联电容C_r1，蛇形线6等效为串联电感L_s2和并联电容C_s2、C_s3，水平细传输线7可以等效为串联电感L_s3和并联电容C_s4，T型平板电容10和T型平板电容的连接线9可以等效为并联电容C_r2和串联电感L_r2，矩形平板电容8和T型平板电容10之间的耦合可以等效为并联电容C_r3。

对地并联电容C_r1和串联电感L_r1组成了一个串联谐振电路，对慢波传输线主传输线来说，可以等效为一个并联电容C_p1，对地并联电容C_r2和串联电感L_r2组成了一个串联谐振电路，对慢波传输线的主传输线来说，可以等效为一个并联电容C_p2。而耦合电容C_r3远小于并联电容C_r1和对地并联电容C_r2，在计算时可忽略不计。C_p1和C_p2可以计算为

每段加载谐振器的慢波传输线的总的等效串联电感均为L_t，且满足以下关系

L_t＝2L_s1+2L_s2+2L_s3

总的等效并联电容C_t可以等效为

C_t＝2C_s1+2C_s2+2C_s3+2C_s4+2C_p1+C_p2

每段慢波传输线的等效特性阻抗为

每段慢波传输线的相移为

其中，ω为慢波传输线的工作角频率。

由于本发明所采取的弯折细传输线4、水平细传输线7和蛇形线6相对于70.7Ω的微带传输线具有更窄的线宽，所以具有更大的串联电感。而矩形平板电容8和T型平板电容10则可以给慢波传输线提供比70.7Ω微带传输线更大的并联电容。所以本发明所设计每单位长度的加载谐振器的慢波传输线相对于传统均匀微带传输线具有更大的总串联电感和总并联电容。所以在实现相同特性阻抗和相移的情况下，本发明所提出的加载谐振器的慢波传输线比传统均匀微带传输线具有更小的尺寸。

如图7所示，本发明分别使用矩形平板电容8和矩形平板电容的连接线5在慢波传输线的主传输线并联支路上构成一个LC串联矩形谐振器，该谐振器为慢波传输线的阻带提供一个传输零点，从而增加慢波传输线的阻带宽度。T型平板电容10和T型平板电容的连接线9在慢波传输线的主传输线并联支路上构成一个LC串联T型谐振器。该谐振器可以为慢波传输线又提供一个传输零点，同样可以增加慢波传输线的阻带宽度。通过改变矩形平板电容8的长度和宽度，和矩形平板电容连接线9的长度和宽度，可以对矩形谐振器的传输零点进行调整。通过改变T型平板电容10的尺寸，T型平板电容连接线9的长度和宽度，可以对T型谐振器的传输零点进行调整。通过对矩形谐振器和T型谐振器进行尺寸调整，可以使这两个谐振器分别产生的一个传输零点分布在两个不同频率，使得慢波传输线的阻带内具有两个不同的传输零点，从而增加慢波传输线的阻带带宽。由于慢波传输线具有低通的固有特性，所以，本发明中加载谐振器的慢波传输线具有宽阻带低通滤波性能。

所描述的实施例是本发明一个实施例,而不是全部的实施例。下面通过参考附图描述的实施例是示例性的,旨在用于解释本发明,而不能理解为对本发明的限制。通过该实施例，本领域技术人员可由本说明书所揭露的内容轻易地了解本发明的优点与功效。

如图1所示，加载谐振器的慢波传输线的微带小型化等分滤波功分器实施例样品工作中心频率为在0.9GHz，采用国产聚四氟乙烯介质基板，相对介电常数2.65，基板厚度1mm。所用隔离电阻为0805型号的贴片电阻，其尺寸为2.0mm×1.2mm，阻值大小为100Ω。

实施例中的加载谐振器的慢波传输线的微带小型化等分滤波功分器的电路尺寸为26.7mm×25.1mm，即0.116λ_g×0.109λ_g，λ_g表示0.9GHz时介质基板上的导波波长。

其中，矩形谐振器和T型谐振器的S参数仿真曲线图如图8所示，可见两种谐振器分别谐振于3.8GHz和6.6GHz，在谐振点处具有最大衰减，分别为42.8dB和27.9dB,为两个传输零点。这两种谐振器加载于慢波传输线上，会为慢波传输线阻带增加两个传输零点，有利于增加慢波传输线的阻带带宽。

本发明加载谐振器的慢波传输线实施例样品S参数仿真曲线图如图4所示，可以看出通过矩形谐振器和T型谐振器的加载，该慢波传输线在3.9GHz和8.9GHz处增加了两个传输零点。由于慢波传输线各部分结构之间存在耦合，而对于较高频段影响更大，所以慢波传输线阻带内的传输零点相较于两种谐振器的传输零点所在频率有一定的变化，且高频处传输零点所在频率的变化更大。本发明加载谐振器的慢波传输线实施例样品在2GHz-14GHz的频带范围内|S₂₁|小于-10dB，|S₁₁|大于-5dB；在3.14GHz-14GHz的频带范围内，|S₂₁|小于-20dB，|S₁₁|大于-5dB。在工作中心频点0.9GHz处，|S₁₁|为-46.6dB,|S₂₁|和|S₃₁|均为-3.34dB。在0GHz-1.2GHz的频带范围内，|S₁₁|小于-10dB,|S₂₁|大于-0.6dB,可见此慢波传输线具有良好的低通滤波性能和宽阻带性能。此外，由图4和图5可以看出，在0.9GHz处，该慢波传输线的相移为90.0°。如图6所示，加载谐振器的慢波传输线的等效特性阻抗实部为69.9Ω，虚部为0.6Ω，所以实施例样品中的慢波传输线可以很好的代替传统威尔金森功分器中的四分之一波长传输线。

本发明的基于加载谐振器的慢波传输线的微带小型化等分功分器的实施例样品的具体尺寸标注如图9中所示，具体电路各部分尺寸如下表1所示：

表1微带等分功分器样品各部分尺寸(单位：mm)

图10为本发明实施例样品的S参数仿真曲线图，所使用的仿真软件为全波电磁仿真软件IE3D。图中|S₁₁|表示功分器输入端口反射系数的模值，|S₂₁|、|S₃₁|表示功分器传输系数的模值，|S₃₂|表示信号第一输出端口2到信号第二输出端口3的传输系数的模值。

根据仿真结果可以看出，本发明实施例样品功分器在0GHz-1.19GHz的频带范围内，|S₁₁|小于-10dB，|S₂₁|和|S₃₁|均大于-3.65dB,说明本功分器具有低通的性能。在中心频点0.9GHz处，|S₁₁|为-46.68dB，说明了实施例样品功分器的信号输入端具有良好的阻抗匹配；|S₂₁|和|S₃₁|均为-3.34dB，说明该实施例样品功分器具有良好的等分效果和较低损耗的特性；|S₃₂|为-35.3dB,说明该实施例样品功分器的两个信号输出端口具有良好的隔离度。本发明实施例样品功分器在0.38GHz-1.19GHz的频带范围内具有良好的性能，相对带宽为90％，在该频带范围内，|S₁₁|均小于-10dB，|S₂₁|，|S₃₁|均大于-3.54dB，|S₃₂|均小于-10dB。

如图11所示，在本发明实施例样品功分器在0.38GHz-1.19GHz的频带范围内，功分器的信号第一输出端口2、信号第二输出端口3的输出信号之间的幅度差小于0.001dB，相位差小于0.02°，说明本发明实施例在误差允许范围内可视为等幅同相输出。

同时，本发明实施例样品功分器在1.75GHz-14GHz频率范围内的|S₁₁|大于-5dB，且|S₂₁|、|S₃₁|均小于-10dB，在2.13GHz-14GHz频率范围内|S₂₁|、|S₃₁|均小于-15dB，|S₁₁|大于-5dB。其15dB阻带的最高频率可达中心频率的15.6倍，其相对阻带带宽为1318.9％。说明该功分器对具有良好的低通滤波和宽阻带的效果。

作为性能对比，与本发明提出的加载谐振器的慢波传输线的功分器实施例样品采用同样的介质基板，工作于同样中心频率的情况下，传统威尔金森功分器的电路尺寸如图12所示，其大小为56.6mm×31.7mm，可以看出本发明提出的加载谐振器慢波传输线的功分器实施例样品仅有传统的威尔金森尺寸的37.4％。

如图13所示为仿真的S参数曲线图，传统威尔金森功分器|S₁₁|小于-10dB带宽范围为0.39GHz-1.41GHz，相对带宽为113.3％。本发明加载谐振器的慢波传输线的功分器实施例样品具相较于传统威尔金森功分器带宽稍窄。然而可以看出在1.75GHz-14GHz频率范围内，传统的威尔金森功分器分别在2.7GHz、4.4GHz、6.0GHz、7.7GHz、9.4GHz、11.3GHz和13.1GHz有七个谐波通带，在这些频点处其|S₁₁|分别为-27.1dB、-24.9dB、-39.7dB、-27.3dB、-28.6dB、-18.4dB和-16.0dB，在该频带范围内其|S₂₁|和|S₃₁|均大于-9.5dB。所以传统的威尔金森功分器不具备滤波和宽阻带的性能。

结合附图和以上分析表明，本发明基于加载谐振器的慢波传输线的微带小型化等分滤波功分器的实施例样品与传统威尔金森功分器相比，在尺寸减小62.6％的同时，还具有良好的低通滤波和宽阻带效果。

最后说明的是，以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非限制，尽管参照较佳实施例对本发明进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，可以对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本技术方案的宗旨和范围，其均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。

Claims (6)

1.一种加载谐振器慢波传输线的微带小型化宽阻带滤波功分器，其特征在于：包括两个对称设置的加载谐振器慢波传输线、信号输入端口、第一信号输出端口、第二信号输出端口以及隔离电阻；

所述的两个对称设置的加载谐振器慢波传输线一端连接信号输入端口，另一端分别连接第一信号输出端口、第二信号输出端口；所述隔离电阻连接在两个加载谐振器的慢波传输线末端之间。

2.根据权利要求1所述的加载谐振器慢波传输线的微带小型化宽阻带滤波功分器，其特征在于：所述加载谐振器慢波传输线包括T型平板电容、T型平板电容的连接线，以及在所述T型平板电容的两侧对称设置的两个弯折细传输线、两个矩形平板电容、两个矩形平板电容连接线、两个蛇形线、两个水平细传输线；

其中，所述弯折细传输线与矩形平板电容通过矩形平板电容连接线连接，所述弯折细传输线还与蛇形线连接，所述蛇形线另一端与水平细传输线连接，所述水平细传输线另一端通过T型平板电容连接线与所述T型平板电容连接。

3.根据权利要求2所述的加载谐振器慢波传输线的微带小型化宽阻带滤波功分器，其特征在于：所述矩形平板电容的底部和T型平板电容底部位于同一水平线上。

4.根据权利要求2所述的加载谐振器慢波传输线的微带小型化宽阻带滤波功分器，其特征在于：所述第一信号输出端口、第二信号输出端口向两个T型平板电容方向弯折，且弯折处设有45°切角。

5.根据权利要求2所述的加载谐振器慢波传输线的微带小型化宽阻带滤波功分器，其特征在于：弯折细传输线等效为并联电感L_s1与并联电容C_s1，矩形平板电容的连接线和矩形平板电容分别等效为串联电感L_r1和并联电容C_r1，蛇形线等效为串联电感L_s2和并联电容C_s2、C_s3，水平细传输线等效为串联电感L_s3和并联电容C_s4，T型平板电容和T型平板电容的连接线等效为并联电容C_r2和串联电感L_r2，矩形平板电容和T型平板电容之间的耦合等效为并联电容C_r3；

对地并联电容C_r1和串联电感L_r1组成一个串联谐振电路，等效为一个并联电容C_p1；对地并联电容C_r2和串联电感L_r2组成一个串联谐振电路，等效为一个并联电容C_p2；C_p1和C_p2计算为

每段加载谐振器的慢波传输线的总的等效串联电感均为L_t，且满足以下关系

L_t＝2L_s1+2L_s2+2L_s3

总的等效并联电容C_t等效为

C_t＝2C_s1+2C_s2+2C_s3+2C_s4+2C_p1+C_p2

每段慢波传输线的等效特性阻抗为

每段慢波传输线的相移为

其中，ω为慢波传输线的工作角频率。

6.根据权利要求1所述的加载谐振器慢波传输线的微带小型化宽阻带滤波功分器，其特征在于：所述隔离电阻为阻值100Ω的贴片电阻。

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