CN113451723B - 利用半模槽线设计的宽带巴伦滤波器 - Google Patents

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Abstract

本发明公开利用半模槽线设计的巴伦滤波器，属于基本电气元件的技术领域。该巴伦滤波器包括单层介质板以及刻蚀单层介质板上层金属层形成的微带功分器，公分出信号相位差180º。单层介质板的下层金属层刻蚀有半槽线结构。半槽线结构包含三个短路边界，三个短路边界分别为两段长边界和一段短边界，三个边界呈90度首尾相连形成连续槽线，三个短路边界与下金属层边界之间的金属为地板，下金属层除去地板的金属为信号线，信号线与地板组成馈线部分，且信号线通过半槽线结构的开路端进行馈电。槽线的两个长的短路边界分别和尺寸相同的金属谐振器耦合，从而通过紧凑的电路结构实现提高巴伦滤波器选择性和带外抑制能力的发明目的。

Description

利用半模槽线设计的宽带巴伦滤波器
技术领域
本发明专利涉及无线通信技术，尤其涉及利用半模槽线设计的巴伦滤波器，属于基本电气元件的技术领域。
背景技术
平衡电路传输差模信号的同时可以对共模噪声进行抑制，利用平衡电路对环境噪声和器件热噪声具有良好免疫性的特点，可极大地改善发射机的效率并提高接收机的信噪比，因此，平衡电路在现代通信系统中起着越来越重要的作用。然而，微带线结构、共面带状线等常用的传输电路都是非平衡电路，为了实现从非平衡结构到平衡结构的过渡，我们必须使用一种平衡——非平衡的转换结构，如巴伦。为了使得巴伦结构能够抑制带外干扰，具有带通选择性的巴伦滤波器的概念被提出来了。巴伦滤波器是一个独立的微波无源器件，它实现了一对等幅反相信号的输出以及频率选择功能，同时兼具了巴伦和滤波器两种性质。因此，高性能的巴伦滤波器能够有效地减小系统的尺寸，进一步实现无线通信系统的低成本、高性能、小型化的设计。近年来，随着模块结构单元(Modular Building Block,MBB)和单片微波集成电路(Monolithic Microwave Integrated Circuit,MMIC)的发展，低成本、高集成度、小型化的高性能巴伦滤波器成为广大学者的研究热点。
设计巴伦滤波器的难点在于在平衡端口宽带情况下实现良好的180º相位差和幅度衡，同时具有频率选择性。为了实现这一目标， 论文“一种设计微带宽带巴伦带通滤波器的新方法”（《A new approach to design microstrip wideband balun bandpassfilter》）提出了一种基于单馈线的巴伦滤波器，通过微带线馈线分别给两个谐振器进行馈电，从而实现巴伦滤波器的小型化设计，但是该结构巴伦滤波器带宽有限且无法抑制高次谐波。
基于槽线的巴伦设计通常通过共面波导馈电完整槽线，且为了小型化将槽刻蚀为圆形或者方形，但是圆形或者方形槽的正上方无法设计复杂电路，从而不便于实现好的滤波效果，且结构不紧凑。
论文“具有垂直过渡功能的新型混合多模谐振器宽带滤波巴伦”（《Widebandfiltering balun on a novel hybrid multimode resonator with the functionalityof vertical transition》）通过微带打孔馈电完整槽线实现宽带的巴伦滤波器设计，但是整体尺寸偏大，且不能抑制高次谐波。
总之，现有基于槽线的巴伦滤波器所要解决的技术问题是：如何通过紧凑的电路结构在较宽的频段内实现良好的幅度和相位响应，且具有良好的选择性和抑制高次谐波。
发明内容
本发明的发明目的是针对上述背景技术的不足，提供利用半模槽线设计的宽带巴伦滤波器，通过紧凑的电路结构实现提高巴伦滤波器选择性和带外抑制能力的发明目的，解决现有基于槽线的巴伦滤波器不能兼顾宽频段内良好滤波特性以及电路结构紧凑的技术问题。
本发明为实现上述发明目的采用如下技术方案：
利用半模槽线设计的结构紧凑的宽带巴伦滤波器，包括单层介质板以及刻蚀单层介质板上层金属层形成的输出相位呈现出180º相位差的微带功分器，单层介质板的下层金属层刻蚀有半槽线结构。与传统的两边同时短路的槽结构不同，该半槽线结构为在金属平面上蚀刻一边开路的槽形成的连续槽线结构。连续槽线结构包含一对平行的长的短路边界和一条短的短路边界，短边界连接在一对长边界之间，三条短路边界首尾相连形成连续槽线结构，下层金属层还刻蚀有与连续槽线结构两端形成的未封闭槽口贯通的缝隙，连续槽线结构与下层金属层边界之间的金属为地板，下层金属层除去地板的金属为信号线，信号线与地板组成馈线部分，一对长的短路边界分别与功分器中一对尺寸相同的谐振器耦合。
当上述槽结构垂直刻蚀在下层金属层上时，形成的半槽线结构垂直布局在下层金属层上，半槽线结构为由两条垂直的长的短路边界和连接它们的短的短路边界首尾相连形成连续槽线，两条长的短路边界为半槽线结构的左边界、右边界。
当上述槽结构水平刻蚀在下层金属层上时，形成的半槽线结构水平布局在下层金属层上，半槽线结构为由两条水平的长的短路边界和连接它们的短的短路边界构成的连续槽线，两条长的短路边界为半槽线结构的上边界、下边界。
优选地，馈线部分和半模槽线呈90度直角相连。
进一步地，微带功分器为两路输出，包括：第一馈线、第一谐振器、第二谐振器、第二馈线，第一谐振器与半槽线结构的一条长的短路边界耦合，第一馈线与第一谐振器耦合输出一路信号，第二谐振器与半槽线结构的另一条长的短路边界耦合，第二馈线与第二谐振器耦合输出另一路信号。
进一步地，第一馈线包含第一金属线段、第一耦合段，第一金属线段、第一耦合段呈90度直角摆放连接，第一金属线段的一端连接外部电路，第一金属线段的另一端与第一耦合段连接，第一耦合段与第一谐振器耦合。
进一步地，第一谐振器包括：第二金属线段、第二耦合段、第三耦合段，第二耦合段、第三耦合段与第二金属线段连接形成U型微带线结构，所述第二耦合段与第一耦合段相互耦合，所述第三耦合段与半槽线结构的一条长的短路边界耦合。
进一步地，第二谐振器包括：第三金属线段、第四耦合段、第五耦合段，第四耦合段、第五耦合段与第三金属线段连接形成U型微带线结构，第四耦合段与半槽线结构的另一条长的短路边界耦合，第五耦合段与第二馈线耦合。
进一步地，第二馈线包括第四金属线段、第六耦合段，第四金属线段、第六耦合段呈90度直角摆放连接，第四金属线段的一端连接外部电路，第四金属线段的另一端与第六耦合段连接，第六耦合段与第五耦合段相互耦合。
本发明采用上述技术方案，具有以下有益效果：本发明通过在单层介质板的下表面形成包含馈线结构和半槽线结构的金属图层，使得上层微带线结构无需打孔即可与馈线结构共面，在中心频率一个倍频处附近额外产生一个新的传输零点有效抑制高次谐波，通过半槽线结构将馈线输入信号耦合至上层微带线，使得电路结构紧凑且能够在较宽频带内实现良好的幅度响应和相位响应。
附图说明
图1为一个实施例中利用半模槽线设计的巴伦滤波器的透视结构示意图。
图2为一个实施例中利用半模槽线设计的巴伦滤波器的侧视图。
图3为一个实施例中利用半模槽线设计的巴伦滤波器的顶层电路示意图。
图4为一个实施例中利用半模槽线设计的巴伦滤波器的底层电路示意图。
图5为一个实施例中利用半模槽线设计的巴伦滤波器的主要尺寸标注。
图6为一个实施例中利用半模槽线设计的巴伦滤波器的S参数仿真响应。
图7为一个实施例中利用半模槽线设计的巴伦滤波器的幅度相位不平衡仿真响应。
图中标号说明：101、第一馈线，102、第一谐振器，103、第二谐振器，104、第二馈线，106、半模槽线，107、馈线部分，201、第一金属层，202、单层介质板，203、第二金属层，301、第一金属线段，302、第一耦合段，303、第二金属线段，304、第三金属线段，305、第六耦合段，306、第四金属线段，307、第五耦合段，308、第四耦合段，309、第三耦合段，310、第二耦合段，402、第八耦合段，403、第七耦合段。
具体实施方式
为了使本申请的发明目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例对本申请进行进一步详细说明。应当理解，此处描述的具体实施例仅仅用以解释本申请，并不用于限定本申请。
在一个实施例中，结合图1至图4，一种紧凑的宽带巴伦滤波器通过刻蚀单层介质板202上下两层金属层形成第一金属层201、第二金属层203，第一金属层201包含：第一馈线101、第一谐振器102、第二谐振器103、第二馈线104，第二金属层包含馈线部分107和半模槽线106，半模槽线106通过在第二金属层203上刻蚀一端开路的槽结构实现，该槽结构的连续边界部分包含两条长的短路边界以及一条短的短路边界，第八耦合段402和第七耦合段403即为两条长的短路边界，第八耦合段402和第七耦合段403以及连接在二者之间的短的短路边界组成半槽线结构106，槽结构的未封闭槽口刻蚀有与该槽口贯通的缝隙，半槽线结构106与下层金属层边界之间的金属为地板401，下层金属层中剩余的金属为信号线404，信号线404和地板401组成馈线部分107，馈线部分107和半模槽线106呈90度直角相连。第二金属层203通过半模槽线106实现槽线结构到上层金属微带结构的过渡，与半模槽线106共面的馈线部分107使得上层金属微带结构无需打孔即可实现上层金属微带线结构与馈电结构进行耦合馈电。
图1至图4中展示了垂直刻蚀在下金属层上的半槽线结构，也可以按照上述半槽线结构特点在下金属层上刻蚀水平的半槽线结构。
可见，本发明提出的宽带巴伦滤波器无需打孔，通过单层介质板即可实现电路结构，具有良好的一致性。
如图1、图3所示，第一馈线101包含呈90度直角摆放连接的第一金属线段301、第一耦合段302；第一金属线段301用来连接SMA接头，从而跟其它电路相连接；第一耦合段302用来跟第一谐振器102相互耦合。
如图1、图3、图4所示，第一谐振器102为以第二金属线段303为主体的三段金属线结构，第二耦合段310、第三耦合段309与第二金属线段303形成U型微带线结构；第二耦合段310使得第一谐振器102跟第一耦合段302相互耦合；第三耦合段309使得第一谐振器102跟第二金属层的半模槽线106的第七耦合段403相耦合。
如图1、图3、图4所示，第二谐振器103为以第三金属线段304为主体的三段金属线结构，第四耦合段308、第五耦合段307与地第三金属线段304形成U型微带线结构；第四耦合段308使得第二谐振器103跟第二金属层的半模槽线106的第八耦合段402相耦合；第五耦合段307使得第二谐振器103的信号跟第二馈线104的第六耦合段305相互耦合。
如图1、图3所示，第二馈线104包含呈90度直角摆放连接的第四金属线段306、第六耦合段305；第四金属线段306用来连接SMA接头，从而跟其它电路相连接；第六耦合段305用来跟第二谐振器103的第五耦合段307相互耦合。
半模槽线106包含平行的第七耦合段403和第八耦合段402以及连接在两者之间的耦合段，第七耦合段403和第三耦合段309相互耦合，从而把半模槽线106内的信号耦合到第一谐振器102上。第八耦合段402和第四耦合段308相互耦合，从而把半模槽线106内的信号耦合到第二谐振器103上。
该巴伦滤波器结构的尺寸标注如图5所示，具体参数如下L1=12.5mm, L2=13mm, L3=15mm,L4=20mm, W1=11mm。
本实例利用半模槽线设计的巴伦滤波器在电磁仿真软件HFSS13.0中仿真建模的，图6为本实例中平衡传输结构的S参数仿真图。S21指的是从半模槽线106共面的馈线部分107输入，从端口101输出的幅度参数响应；S31指的是从半模槽线106共面的馈线部分107输入，从端口104输出的幅度参数响应。可以看出，在1.8-3.5GHz频段内，半模槽线106共面的馈线部分107端口反射参量低于-20dB,101端口和104端口输出的幅度响应各为-3dB左右，具有良好的功分效果。而在1.5GHz以下和3.8GHz以上具有良好的抑制效果，因此该巴伦滤波器具有良好的阻带抑制效果，呈现出良好的带通响应。从S参数可以看出，该巴伦滤波器在工作通带的中心频率一个倍频处附近（约5.8GHz）会额外产生一个新的传输零点，从而具有抑制高次谐波的作用。图7是所设计的巴伦滤波器通带内的幅度不平衡和相位不平衡，可以看到在通带内幅度不平衡小于0.5dB，相位不平衡在180度±5度以内。
该实施例以两路输出的微带功分器为例，当将本发明的半槽线设计用于多支路微带功分器时，相应地，设计对应微带功分器输出支路数目的长的短路边界，再用短槽线连接各长的短路边界形成未封闭槽口。
综上所述，该巴伦滤波器不仅具有较小的尺寸，低的加工成本，较轻的质量，良好的滤波效果，从而进一步实现无线通信系统的低成本、高性能、结构简单易于维护、小型化设计通用性好的要求，适用于现代通信系统的应用。

Claims (10)

1.利用半模槽线设计的宽带巴伦滤波器，包括单层介质板以及刻蚀单层介质板上层金属层形成的输出相位呈现出180º相位差的微带功分器，其特征在于，所述单层介质板的下层金属层刻蚀有半槽线结构，所述半槽线结构为三段短路边界首尾相连形成的连续槽线结构，两段短路边界为长边界，一段短路边界为短边界，所述短边界连接在两段长边界之间，所述连续槽线结构的首端和尾端形成未封闭槽口，所述下层金属层还刻蚀有与所述未封闭槽口贯通的缝隙，所述连续槽线结构与下层金属层边界之间的金属为地板，下层金属层除去地板的金属为信号线，信号线与地板组成馈线部分，所述两段长边界分别和微带功分器一条支路中的谐振器耦合。
2.根据权利要求1所述的利用半模槽线设计的宽带巴伦滤波器，其特征在于，所述半槽线结构通过在下层金属层上刻蚀一端开路的槽结构形成。
3.根据权利要求1所述的利用半模槽线设计的宽带巴伦滤波器，其特征在于，所述两段长边界相互平行，所述短边界与相邻的长边界呈90度直角相连。
4.根据权利要求2所述的利用半模槽线设计的宽带巴伦滤波器，其特征在于，所述一端开路的槽结构水平刻蚀在下层金属层上或垂直刻蚀在下层金属层上。
5.根据权利要求1所述的利用半模槽线设计的宽带巴伦滤波器，其特征在于，所述馈线部分和半模槽线结构呈90度直角相连。
6.根据权利要求1至5中任意一项所述的利用半模槽线设计的宽带巴伦滤波器，其特征在于，所述微带功分器包括：第一馈线、第一谐振器、第二谐振器、第二馈线，所述第一谐振器与半槽线结构的一条长边界耦合，所述第一馈线与第一谐振器耦合输出一路信号，所述第二谐振器与半槽线结构的另一条长边界耦合，所述第二馈线与第二谐振器耦合输出另一路信号。
7.根据权利要求6所述的利用半模槽线设计的宽带巴伦滤波器，其特征在于，所述第一馈线包含呈90度直角摆放的第一金属线段、第一耦合段，所述第一金属线段的一端连接外部电路，第一金属线段的另一端与第一耦合段连接，所述第一耦合段与第一谐振器耦合。
8.根据权利要求7所述的利用半模槽线设计的宽带巴伦滤波器，其特征在于，所述第一谐振器包括：第二金属线段、第二耦合段、第三耦合段，所述第二耦合段、第三耦合段与第二金属线段连接形成U型微带线结构，所述第二耦合段与第一耦合段相互耦合，所述第三耦合段与半槽线结构的一条长边界耦合。
9.根据权利要求8所述的利用半模槽线设计的宽带巴伦滤波器，其特征在于，所述第二谐振器包括：第三金属线段、第四耦合段、第五耦合段，所述第四耦合段、第五耦合段与第三金属线段连接形成U型微带线结构，所述第四耦合段与半槽线结构的另一条长边界耦合，所述第五耦合段与第二馈线耦合。
10.根据权利要求9所述的利用半模槽线设计的宽带巴伦滤波器，其特征在于，所述第二馈线包括呈90度直角摆放的第四金属线段、第六耦合段，所述第四金属线段的一端连接外部电路，第四金属线段的另一端与第六耦合段连接，所述第六耦合段与第五耦合段相互耦合。
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