CN113078433A - 一种滤波巴伦 - Google Patents

Abstract

本发明属于无线通信技术领域，具体公开了一种滤波巴伦，包括介质基板，介质基板上刻蚀有端口馈线和环形谐振器，端口馈线设置在环形谐振器的外侧，环形谐振器的内侧上设置有刻蚀结构，形成了非均匀阻抗的环形谐振器；端口馈线通过缝隙且加载有矩形支节实现与非均匀环形谐振器之间的强耦合，调节馈线的物理尺寸，能够控制馈线与非均匀环形谐振器之间的耦合强度，从而实现良好的通带特性，即实现良好的滤波特性，在馈线上加载支节能够进一步增加调节的灵活度，环形谐振器的一角设有一个微扰，调节微扰的尺寸，控制通带内两个模的位置，微扰上设矩形支节，增加微扰调节两个模位置的灵活度，能够控制带宽，提高滤波巴伦的带外特性。

Description

一种滤波巴伦

技术领域

本发明涉及无线通信技术领域，特别涉及一种滤波巴伦。

背景技术

随着无线通信技术的快速发展，对无线通信设备提出了更高的要求，高可靠性、小型化、电磁兼容性好已经成为未来的发展趋势。将滤波器与巴伦进行一体化设计，不仅能有效减小射频前端系统的整体尺寸，还能减小损耗，提高系统的整体性能。

现有技术的缺陷和不足包括：可实现的通带带宽不够宽；滤波巴伦通带内的性能不好，插入损耗大；滤波巴伦的阻带特性不好；滤波巴伦的尺寸不够紧凑、结构复杂、加工成本高。

发明内容

针对上述问题，本发明研究设计了一种性能优良、结构紧凑的滤波巴伦。该滤波巴伦具有平面结构，不需要采用复杂的介质集成波导SIW等结构，易于集成，不需要通过刻蚀地DGS来增强耦合保障通带特性。此外，该滤波巴伦在通带外还有两个传输零点，有效保证了该滤波器的带外特性，提高了滤波巴伦的选择性。同时，该滤波巴伦结构简单，易于加工。

为解决上述技术问题，本发明提供一种滤波巴伦，该滤波巴伦包括介质基板6，所述介质基板6下面设置有金属地板7，所述介质基板6上面刻蚀有环形谐振器1和端口馈线，所述端口馈线设置在环形谐振器1的外侧，所述环形谐振器1的内侧上设置有至少一个刻蚀结构11；所述环形谐振器1的外侧与所述端口馈线之间有缝隙；

所述端口馈线包括第一端口馈线2、第二端口馈线3和第三端口馈线4，所述第一端口馈线2、第二端口馈线3和第三端口馈线4上均设置有第一加载结构5；

所述环形谐振器1的内侧设有微扰12。

优选地，一种滤波巴伦，所述环形谐振器1为正多边形谐振环，且所述环形谐振器1的结构基于至少一条对角线对称；所述第一端口馈线2、第二端口馈线3和第三端口馈线4均为直线，所述第一端口馈线2为输入端口馈线，第二端口馈线3和第三端口馈线4均为输出端口馈线，第一端口馈线2、第二端口馈线3和第三端口馈线4分别设置在正多边形谐振环其中三边对应的外侧，且第二端口馈线3和第三端口馈线4分别位于第一端口馈线2的两侧；

所述微扰12设置在第一端口馈线2和第二端口馈线3或第三端口馈线4之间对应的正多边形谐振环的内角处。

优选地，一种滤波巴伦，所述第二端口馈线3和第三端口馈线4分别设置在与所述第一端口馈线2相邻的两侧。

优选地，一种滤波巴伦，所述环形谐振器1为正方形谐振环，所述微扰12设置在所述环形谐振器1中靠近所述第一端口馈线2的内角处，所述环形谐振器1的结构基于微扰12所在的对角线对称。

优选地，一种滤波巴伦，所述环形谐振器1为圆形谐振环，所述环形谐振器1的结构基于圆心对称；所述第一端口馈线2为输入端口馈线，第二端口馈线3和第三端口馈线4均为弧线，第一端口馈线2、第二端口馈线3和第三端口馈线4分别设置在圆形谐振环中三个半圆弧外侧的外侧，且第二端口馈线3和第三端口馈线4分别位于第一端口馈线2的两侧。

优选地，一种滤波巴伦，圆形谐振环的微扰12设置在第一端口馈线2和第二端口馈线3或第三端口馈线4之间的圆弧对应的圆形谐振环的内侧。

优选地，一种滤波巴伦，所述微扰12为正方形贴片，所述微扰12上设置有第二加载结构13。

优选地，一种滤波巴伦，所述第二加载结构13包括多个第二矩形支节131，所述多个第二矩形支节131分别设置在所述微扰12朝向环形谐振器1内部的两边上。

优选地，一种滤波巴伦，所述第一端口馈线2包括第一输入端口21和第一耦合线22，所述第二端口馈线3包括第一输出端口31和第二耦合线32，所述第三端口馈线4包括第二输出端口41和第三耦合线42；所述第一加载结构5包括多个第一矩形支节51，所述多个第一矩形支节51设置在对应耦合线上，并位于对应端口两侧。

优选地，所述多个第一矩形支节51长度不一，并按一长一短的方式排列在耦合线上。

优选地，一种滤波巴伦，所述第一输入端口21、第一输出端口31和第二输出端口41均是宽度为3.06mm的长方形，保证所述第一输入端口21、第一输出端口31和第二输出端口41的特性阻抗均为50Ω。

优选地，所述介质基板介电常数为4.4，厚度为1.6mm，所述滤波巴伦的尺寸为：23.7mm×27.6mm。

区别于现有技术的情况，本发明的有益效果如下：

(1)环形谐振器1上设置有至少一个刻蚀结构11，刻蚀结构11使得边界的微带传输线的宽度发生变化，使得微带传输线的阻抗发生变化，谐振器成为非均匀阻抗的谐振器。端口馈线能够实现与非均匀环形谐振器1之间的强耦合，通过调节端口馈线的物理尺寸，能够控制端口馈线与非均匀环形谐振器1之间的耦合强度，从而实现良好的通带特性，即实现良好的滤波特性，结合巴伦需要三条端口馈线的设计，使得本发明能够实现具有滤波功能的巴伦，通过一个器件实现了滤波器和巴伦两个器件的功能，有利于减小无线通信系统射频前端的物理尺寸。

(2)第一加载结构5对端口馈线的调节能力起到至关重要的作用，调节第一加载结构5的物理尺寸、设置位置和方式，影响环形谐振器1与端口馈线之间的耦合强度。

(3)在环形谐振器1的腔内引入微扰12，微扰12会影响腔内场的分布，从而引起谐振频率相应变化，改变微扰12的尺寸，谐振频率随着变化，可以控制通带内两个模的位置，从而达到控制带宽的作用，将正方形贴片设置在环形谐振器1的左下角，相比将微扰12放在右上角或其他位置的形式，更好实现通带外的两个传输零点，提高了滤波巴伦的带外特性。

(4)在微扰12的上面和右面设有两个第二矩形支节131，使用矩形支节131可增加微扰12对两个模的位置的调节范围，调节矩形支节131的长度和间距，控制模的位置，使得调节通带变化范围更大。

(5)端口馈线上的第一矩形支节51具有不同的长度是为了实现端口馈线与非均匀谐振器之间更好的耦合，通带特性好，此处第一矩形支节51的长度、排列方式能够更好实现滤波特性。

附图说明

此处所说明的附图用来提供对本申请的进一步理解，构成本申请的一部分，在这些附图中使用相同的参考标号来表示相同或相似的部分，本申请的示意性实施例及其说明用于解释本申请，并不构成对本申请的不当限定。

图1是本发明一种滤波巴伦的结构示意图；

图2是本发明正多边形谐振环的结构示意图；

图3是基于图2中正多边形谐振环改进的结构示意图；

图4是本发明正方形谐振环的结构示意图；

图5是基于图4改进的具有微扰支节的正方形谐振环的结构示意图；

图6是本发明馈线端口带支节的滤波巴伦的结构示意图；

图7是本发明圆形谐振环的结构示意图；

图8是本发明滤波器的分层结构示意图；

图9是仿真计算得到的S参数示意图；

图10是仿真计算得到的相位差示意图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

在本发明的描述中，需要说明的是，属于“中心”、“上”、“下”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“内”、“外”等指示的方向或位置关系为基于附图所述的方向或位置关系，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，因此不能理解为对本发明的限制。此外，属于“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性。

在本发明的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，属于“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

此外，下面所描述的本发明不同实施方式中所涉及的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互结合。

实施例1

在该实施例中，如图1、图8所示，本发明提供一种滤波巴伦，该滤波巴伦包括介质基板6，所述介质基板6下面设置有金属地板7，所述介质基板6上面刻蚀有环形谐振器1和端口馈线，所述端口馈线设置在环形谐振器1的外侧，所述环形谐振器1的内侧上设置有至少一个刻蚀结构11；所述环形谐振器1的外侧与所述端口馈线之间有缝隙；

所述端口馈线包括第一端口馈线2、第二端口馈线3和第三端口馈线4，所述第一端口馈线2、第二端口馈线3和第三端口馈线4上均设置有第一加载结构5；

所述环形谐振器1的内侧设有微扰12。

谐振器的边界为微带传输线，当微带传输线的宽度始终一致时，微带传输线的阻抗保持不变，谐振器为均匀阻抗的谐振器，本实施例在环形谐振器1的边界处设置有刻蚀结构11，刻蚀结构11使得边界的微带传输线的宽度发生变化，使得微带传输线的阻抗发生变化，谐振器成为非均匀阻抗的谐振器。

巴伦为一种三端口器件，或者说是一种通过将匹配输入转换为差分输出而实现平衡传输线电路与不平衡传输线电路之间的连接的宽带射频传输线变压器。巴伦的功能在于使系统具有不同阻抗或与差分/单端信令兼容，并且用于手机和数据传输网络等现代通信系统。

为了实现器件的巴伦功能，本申请在环形谐振器1的外侧设有第一端口馈线2、第二端口馈线3和第三端口馈线4分别作为三个端口，其中包括一个输入端口，两个输出端口。

所述介质基板6与所述端口馈线连接，所述端口馈线与所述环形谐振器1之间设有一定缝隙。具体地，所述第一端口馈线2、第二端口馈线3和第三端口馈线4与环形谐振器1之间均有缝隙，端口馈线与环形谐振器1之间通过缝隙进行耦合。

具体地，端口馈线能够实现与非均匀环形谐振器1之间的强耦合，通过调节端口馈线的物理尺寸，能够控制端口馈线与非均匀环形谐振器1之间的耦合强度，从而实现良好的通带特性，即实现良好的滤波特性，结合巴伦需要三条端口馈线的设计，使得本发明能够实现具有滤波功能的巴伦，通过一个器件实现了滤波器和巴伦两个器件的功能，有利于减小无线通信系统射频前端的物理尺寸。

进一步地，调节第一端口馈线2、第二端口馈线3和第三端口馈线4的物理尺寸可以调节端口馈线与非均匀环形谐振器1之间的耦合强度，在第一端口馈线2、第二端口馈线3和第三端口馈线4上均设置有第一加载结构5，第一加载结构5对端口馈线的调节能力起到至关重要的作用，调节第一加载结构5的物理尺寸、设置位置和方式，影响端口馈线调节的灵活性。

在环形谐振器1内加载合适的微扰就能分裂成两个简并模，微扰12会影响腔内场的分布，从而引起谐振频率相应变化，改变微扰12的尺寸，谐振频率随着变化，可以控制通带内两个模的位置，从而达到控制带宽的作用。

实施例2

提供一种滤波巴伦，所述环形谐振器1为正多边形谐振环，具体地，如图2所示，以正六边形谐振环为例，且所述环形谐振器1的结构基于至少一条对角线对称；所述第一端口馈线2、第二端口馈线3和第三端口馈线4均为直线，所述第一端口馈线2为输入端口馈线，第二端口馈线3和第三端口馈线4均为输出端口馈线，第一端口馈线2、第二端口馈线3和第三端口馈线4分别设置在正多边形谐振环其中三边对应的外侧，且第二端口馈线3和第三端口馈线4分别位于第一端口馈线2的两侧。

所述微扰12设置在第一端口馈线2和第二端口馈线3或第三端口馈线4之间对应的正多边形谐振环的内角处。

由于实现巴伦需要一定的对称性，在所述正多边形谐振环的每条边上相同位置处刻蚀掉相同数量的刻蚀结构11，图中只显示一个刻蚀结构11，实际应用中可根据需求，对刻蚀结构11的数量、形状和位置进行设计。

实施例3

在实施例2的基础上，提供一种滤波巴伦，如图3所示，所述第二端口馈线3和第三端口馈线4分别设置在与所述第一端口馈线2相邻的两侧，所述第一端口馈线2为输入端口馈线，第二端口馈线3和第三端口馈线4均为输出端口馈线。

让两个输出端口馈线设置在输入端口馈线相邻的两侧，使得端口之间较为接近，方便设计的同时提高巴伦的性能。

实施例4

在实施例1的基础上，提供一种滤波巴伦，如图4所示，所述环形谐振器1为正方形谐振环，所述微扰12设置在所述环形谐振器1中靠近所述第一端口馈线2的内角处，所述环形谐振器1的结构基于微扰12所在的对角线对称。

本实施例采用正方形谐振环是因为方形环的不连续性好，只要有边界处的微带传输线有拐弯就有不连续性，产生性能突变，性能改变大，便于制作具有特殊效果的器件，同时结合正方形谐振环的对称性，便于制作巴伦。

具体地，在环形谐振器1的每条边上均包括三个刻蚀结构11，所述环形谐振器1保持在微扰12所在的对角线处对称。

进一步地，如图4所示，所述第一端口馈线2、第二端口馈线3和第三端口馈线4分别设置在所述环形谐振器1的三侧，所述第一端口馈线2为输入端口馈线，第二端口馈线2和第三端口馈线4均为输出端口馈线，分别位于与所述第一端口馈线2相邻的两侧。

在环形谐振器1的对称面上加载合适的微扰就能分裂成两个简并模，具体地，在所述环形谐振器1中靠近所述第一端口馈线2的内角处设有微扰12。

具体地，如图3所示，第一端口馈线2与环形谐振器1的左边平行，第二端口馈线3与环形谐振器1的上边平行，第三端口馈线4与环形谐振器1的下边平行，三条端口馈线均与环形谐振器1保持一定的距离。

在环形谐振器1的腔内引入微扰12，微扰12会影响腔内场的分布，从而引起谐振频率相应变化，改变微扰12的尺寸，谐振频率随着变化，可以控制通带内两个模的位置，从而达到控制带宽的作用。

实施例5

在实施例4的基础上，提供一种带微扰的滤波巴伦，如图5所示，所述微扰12为正方形贴片，将正方形贴片设置在环形谐振器1的左下角，相比将微扰12放在右上角或其他位置的形式，本方案中微扰12靠近第一端口馈线2，第一端口馈线2为输入端口，实现更好的滤波特性，将该微扰12加载在对称面的左下方还能实现通带外的两个传输零点，提高了滤波巴伦的带外特性。正方形贴片的尺寸为1.25mm×1.25mm。

进一步地，如图5所示，所述微扰12上设置有第二加载结构13，所述第二加载结构13包括多个第二矩形支节131，所述多个第二矩形支节131分别设置在所述微扰12朝向环形谐振器1内部的两边上。如图3所示，分别在微扰12的上面和右面设有两个第二矩形支节131，使用矩形支节131可增加微扰12对两个模的位置的调节范围，调节矩形支节131的长度和间距，控制模的位置，使得调节通带变化范围更大。具体地，当所述第二矩形支节131的尺寸为0.2mm×0.4mm时，调节的灵活度最高，具有更好的滤波特性。

所述环形谐振器1每条边的长度为20.4mm，宽度为3.1mm，所述第一端口馈线2、第二端口馈线3和第三端口馈线4的长度与环形谐振器1的边长相同。

实施例6

在实施例1的基础上，在三条馈线上设置有支节，具体地，如图6所示，所述第一端口馈线2包括第一输入端口21和第一耦合线22，所述第二端口馈线3包括第一输出端口31和第二耦合线32，所述第三端口馈线4包括第二输出端口41和第三耦合线42；所述第一加载结构5包括多个第一矩形支节51，所述多个第一矩形支节51设置在对应耦合线上，并位于对应端口两侧。

进一步地，所述多个第一矩形支节51长度不一并按一长一短的方式排列在耦合线上。所述第一输入端口21、第一输出端口31和第二输出端口41均是宽度为3.06mm的长方形，保证所述第一输入端口21、第一输出端口31和第二输出端口41的特性阻抗均为50Ω。

端口馈线上的第一矩形支节51具有不同的长度是为了实现与非均匀谐振器之间更好的耦合，通带特性好，此处第一矩形支节51的长度、排列方式能够更好实现滤波特性。其中，长的第一矩形支节51的尺寸为0.2mm×2mm，短的第一矩形支节51的尺寸为0.2mm×0.8mm。

实际使用中，可根据不同的情况或需求，对第一矩形支节51的长度、排列方式进行合理的设计，如可将所有的第一矩形支节51设置成相同尺寸的支节(全部为高或者全部为矮)，将第一矩形支节51按一短一长的方式排列也可以。

实施例7

在该实施例中，提供一种滤波巴伦，如图7所示，所述环形谐振器1为圆形谐振环，所述环形谐振器1的结构基于圆心对称；所述第一端口馈线2为输入端口馈线，第二端口馈线3和第三端口馈线4均为弧线，第一端口馈线2、第二端口馈线3和第三端口馈线4分别设置在圆形谐振环中三个半圆弧外侧的外侧，且第二端口馈线3和第三端口馈线4分别位于第一端口馈线2的两侧，圆形谐振环的微扰12设置在第一端口馈线2和第二端口馈线3或第三端口馈线4之间的圆弧对应的圆形谐振环的内侧。

实施例8

本发明提供一种滤波巴伦，选用相对介电常数为4.4，厚度为1.6mm的介质基板作为介质材料，所述介质基板6通过端口馈线与所述环形谐振器1耦合。该滤波巴伦由非均匀的环形谐振器和三个带加载的馈线组合而成。环形谐振器对称面上的微扰可以控制通带内两个模的位置，从而达到控制滤波巴伦工作带宽的目的。

进一步地，在本设计中，如图9所示，对该结构进行仿真计算，横坐标为频率，单位为GHz,纵坐标为S参数，S11代表输入端口，S21、S31分别代表两个输出端口。该滤波巴伦的中心频率在2.25GHz，带宽范围为2.23-2.26GHz，中心频率处的插入损耗为5.1dB，通带外2.15GHz和2.38GHz处有两个传输零点，衰减分别为52.9dB和61.96dB，有效保证了良好的带外抑制特性。在S11的曲线上，通带内反射系数S11都在-10dB以下，具有良好的带内特性。

为了保证滤波巴伦具有良好的相位特性，滤波巴伦的输出端口相位差最好是保持在180°，通常滤波巴伦输出端口相位差在175°-185°之间，本申请的滤波巴伦仿真计算得到的相位参数如图10所示，横坐标为频率，单位为GHz,纵坐标为相位，从图上可以看出，在中心频率2.25GHz处，滤波巴伦两个输出端口的相位差为182°，具有良好的相位特性。该滤波巴伦的整体尺寸为23.7mm×27.6mm，结构非常紧凑。

以上具体实施方式是对本发明的详细说明，不能认定本发明的具体实施方式只局限于这些说明，对于本发明所属技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干简单推演和替代，都应当视为属于本发明的保护范围。

Claims (10)

1.一种滤波巴伦，包括介质基板(6)，所述介质基板(6)下面设置有金属地板(7)，所述介质基板(6)上面刻蚀有环形谐振器(1)和端口馈线，所述端口馈线设置在环形谐振器(1)的外侧，其特征在于：

所述环形谐振器(1)的内侧上设置有至少一个刻蚀结构(11)；所述环形谐振器(1)的外侧与所述端口馈线之间有缝隙；

所述端口馈线包括第一端口馈线(2)、第二端口馈线(3)和第三端口馈线(4)，所述第一端口馈线(2)、第二端口馈线(3)和第三端口馈线(4)上均设置有第一加载结构(5)；

所述环形谐振器(1)的内侧设有微扰(12)。

2.根据权利要求1所述的一种滤波巴伦，其特征在于：所述环形谐振器(1)为正多边形谐振环，且所述环形谐振器(1)的结构基于至少一条对角线对称；所述第一端口馈线(2)、第二端口馈线(3)和第三端口馈线(4)均为直线，所述第一端口馈线(2)为输入端口馈线，第二端口馈线(3)和第三端口馈线(4)均为输出端口馈线，第一端口馈线(2)、第二端口馈线(3)和第三端口馈线(4)分别设置在正多边形谐振环其中三边对应的外侧，且第二端口馈线(3)和第三端口馈线(4)分别位于第一端口馈线(2)的两侧；

所述微扰(12)设置在第一端口馈线(2)和第二端口馈线(3)或第三端口馈线(4)之间对应的正多边形谐振环的内角处。

3.根据权利要求2所述的一种滤波巴伦，其特征在于：所述第二端口馈线(3)和第三端口馈线(4)分别设置在与所述第一端口馈线(2)相邻的两侧。

4.根据权利要求3所述的一种滤波巴伦，其特征在于：所述环形谐振器(1)为正方形谐振环，所述微扰(12)设置在所述环形谐振器(1)中靠近所述第一端口馈线(2)的内角处，所述环形谐振器(1)的结构基于微扰(12)所在的对角线对称。

5.根据权利要求1所述的一种滤波巴伦，其特征在于：所述环形谐振器(1)为圆形谐振环，所述环形谐振器(1)的结构基于圆心对称；所述第一端口馈线(2)为输入端口馈线，第二端口馈线(3)和第三端口馈线(4)均为弧线，第一端口馈线(2)、第二端口馈线(3)和第三端口馈线(4)分别设置在圆形谐振环中三个半圆弧外侧的外侧，且第二端口馈线(3)和第三端口馈线(4)分别位于第一端口馈线(2)的两侧。

6.根据权利要求1所述的一种滤波巴伦，其特征在于：所述微扰(12)设置在第一端口馈线(2)和第二端口馈线(3)或第三端口馈线(4)之间的圆弧对应的圆形谐振环的内侧。

7.根据权利要求5所述的一种滤波巴伦，其特征在于：所述微扰(12)为正方形贴片，所述微扰(12)上设置有第二加载结构(13)。

8.根据权利要求7所述的一种滤波巴伦，其特征在于：所述第二加载结构(13)包括多个第二矩形支节(131)，所述多个第二矩形支节(131)分别设置在所述微扰(12)朝向环形谐振器(1)内部的两边上。

9.根据权利要求1所述的一种滤波巴伦，其特征在于：所述第一端口馈线(2)包括第一输入端口(21)和第一耦合线(22)，所述第二端口馈线(3)包括第一输出端口(31)和第二耦合线(32)，所述第三端口馈线(4)包括第二输出端口(41)和第三耦合线(42)；所述第一加载结构(5)包括多个第一矩形支节(51)，所述多个第一矩形支节(51)设置在对应耦合线上，并位于对应端口两侧。

10.根据权利要求9所述的一种滤波巴伦，其特征在于：所述多个第一矩形支节(51)长度不一，并按一长一短的方式排列在耦合线上。

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