CN113708038A - 一种高隔离的射频滤波功分器 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种高隔离的射频滤波功分器，涉及射频电路设计技术领域，射频滤波功分器设置在介质基板上，射频滤波功分器为轴对称结构，包括输入馈线、第一输出馈线、第二输出馈线、M个复数阻抗隔离元件、表面波屏蔽结构、第一滤波枝节和第二滤波枝节，第一滤波枝节和第二滤波枝节均分别包括N个谐振器。本发明在相邻滤波枝节之间加载了表面波屏蔽结构，在不增大结构尺寸的基础上，将输出端口之间的隔离度提升到45dB的以上；通过加载多个复数阻抗隔离元件，在工作频带内可以实现多个的输出端口之间吸收零点，进而展宽隔离度带宽，可以在整个工作频段内实现大于45dB的输出端口隔离度，远大于现有技术所实现的输出端口隔离度。

Description

一种高隔离的射频滤波功分器
技术领域
本发明涉及射频电路设计技术领域，特别是一种高隔离的射频滤波功分器。
背景技术
在射频系统中，滤波器和功分器是两种关键的无源电路，分别用来实现频率选择和功率分配的功能。为了实现更紧凑的射频系统，并且减小不同功能模块因为电路之间失配引起的传输损耗，集成滤波与功分功能的射频滤波功分器被广泛研究。描述射频滤波功分器的主要指标有：1）工作频率及带宽；2）输出端口隔离度；3）输入端口阻抗匹配；4）最小插入损耗；5）电路尺寸。
公开的射频滤波功分器依照其设计原理的不同，有以下几种：
1）申请号为CN201710529736.1的中国专利公开了一种多级射频滤波功分器，每一级由一对LC并联接地的谐振回路构成，并在相邻LC谐振器之间串联一个隔离电阻。该电路对于设计集总式射频滤波功分器具有指导作用；但针对分布式射频滤波功分器而言，由于分布式谐振器的等效电感与等效电容不具备物理上的分离，因此无法将隔离电阻加载在电容与电感的中间；此外，使用实数阻抗无法在工作频段内实现输出端口之间的吸收零点，并且没有在相邻滤波枝节之间加载表面波屏蔽结构，因此不利于实现高隔离度。
2）申请号为CN202010735068.X的中国专利公开一种具有高功分比的宽带射频滤波功分器，通过使用四分之一波长阻抗转换器来提高带内匹配特性。该设计方法可以实现宽带特性，但由于使用四分之一波长阻抗转换器，不利于射频电路小型化，且未在工作频段内实现输出端口之间的吸收零点，并且未加载表面波屏蔽结构，导致输出端口之间的隔离度较低。
3）期刊T-MTT 2021年第1期公开了一篇题为“High-Isolation Topology forFiltering Power Dividers Based on Complex Isolation Impedance and SurfaceWave Suppression”的论文，为发明申请人的前述工作。所公开的射频滤波功分器使用了一组复数阻抗隔离元件，可以在1.31GHz处实现50dB的输出端口隔离度。但由于只使用了一组隔离元件，在工作频段内只实现了一个输出端口之间的吸收零点，隔离带宽依旧较小；此外，由于未加载表面波屏蔽结构，只能通过增大不同滤波枝节的物理距离来减小表面波耦合，因此导致结构尺寸较大。
综上所述，公开的射频滤波功分器在以下方面有待提高：1）未能有效抑制相邻滤波枝节之间的表面波，导致输出端口之间的隔离度较低；2）使用实数阻抗或者只使用一组复数阻抗隔离元件，使得工作频带内输出端口之间的散射参数没有或者只有一个吸收零点，导致输出端口隔离度普遍小于25dB，且隔离带宽有限；3）普遍使用四分之一/半波长传输线，导致射频滤波功分器的尺寸较大。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是克服现有技术的不足而提供一种高隔离的射频滤波功分器，首先该射频滤波功分器不使用四分之一波长阻抗变换器，并且不通过增大滤波枝节之间的间距来提高输出端口隔离，因此减小了电路尺寸，长、宽普遍小于十分之一波导波长；此外，在相邻滤波枝节之间加载了表面波屏蔽结构，从而有效地屏蔽了介质基板中的表面波，进而提升了输出端口之间的隔离度；最后，由于使用了多组复数阻抗，在工作频带内可以实现两个及以上的输出端口之间传输极点，使得工作频段内输出端隔离度大于45dB。
本发明为解决上述技术问题采用以下技术方案：
根据本发明提出的一种高隔离的射频滤波功分器，射频滤波功分器设置在介质基板的上表面，射频滤波功分器为轴对称结构，包括输入馈线、第一输出馈线、第二输出馈线、M个复数阻抗隔离元件、表面波屏蔽结构、第一滤波枝节和第二滤波枝节，第一滤波枝节和第二滤波枝节均分别包括N个谐振器，N为大于0的整数，0≤M≤N；其中，
第一滤波枝节、第二滤波枝节位于表面波屏蔽结构的两侧，第一滤波枝节、第二滤波枝节的结构是相同的且相对于表面波屏蔽结构是轴对称的，第一滤波枝节中的N个谐振器分别为第一滤波枝节中的第一至第N谐振器，第一滤波枝节中的N个谐振器沿着X轴从上至下依次排列，X轴是平行于表面波屏蔽结构；
表面波屏蔽结构包括金属条带和金属通孔阵列，金属条带位于介质基板的上表面，金属通孔阵列贯穿介质基板；
M个复数阻抗隔离元件分别为第一复数阻抗隔离元件至第M复数阻抗隔离元件，第一滤波枝节中的第j谐振器、第j复数阻抗隔离元件、第二滤波枝节中的第j谐振器依次顺序串联，M≥j≥1；M个复数阻抗隔离元件位于表面波屏蔽结构的上方；
所述输入馈线与第一滤波枝节中的第1谐振器、第二滤波枝节中的第1谐振器分别相连，第一输出馈线与第一滤波枝节中的第N谐振器相连，第二输出馈线与第二滤波枝节中的第N谐振器相连，输入馈线的馈电位置与第一输出馈线、第二输出馈线的馈电位置不同。
作为本发明所述的一种高隔离的射频滤波功分器进一步优化方案，表面波屏蔽结构与第一滤波枝节和第二滤波枝节互不相连。
作为本发明所述的一种高隔离的射频滤波功分器进一步优化方案，M个复数阻抗隔离元件均不与表面波屏蔽结构电连接。
作为本发明所述的一种高隔离的射频滤波功分器进一步优化方案，M个复数阻抗隔离元件为集总电阻和集总电容的组合，或者是集总电阻和集总电感的组合，或者是集总电阻和高阻抗传输线电感的组合。
作为本发明所述的一种高隔离的射频滤波功分器进一步优化方案，还包括射频地，射频地与谐振器位于同层金属层或位于不同金属层。
作为本发明所述的一种高隔离的射频滤波功分器进一步优化方案，谐振器均包括交趾型电容和高阻抗传输线，并且交趾型电容的两端与高阻抗传输线的两端分别相连，其中，交趾型电容的指数为正整数；当指数等于1时，谐振器看作开口环谐振器。
本发明采用以上技术方案与现有技术相比，具有以下技术效果：
1）该射频滤波功分器在相邻滤波枝节之间加载了表面波屏蔽结构，在不增大结构尺寸的基础上，将输出端口之间的隔离度提升到45dB的以上；
2）不包含四分之一波长阻抗变换器，并且不通过增大滤波枝节之间的间距来提高输出端口隔离，因此减小了电路尺寸，长、宽普遍小于十分之一波导波长；
3）通过加载多个复数阻抗隔离元件，在工作频带内可以实现多个的输出端口之间吸收零点，进而展宽隔离度带宽，可以在整个工作频段内实现大于45dB的输出端口隔离度，远大于现有技术所实现的输出端口隔离度。
附图说明
图1是本发明实施例1提供的N阶高隔离度的射频滤波功分器的结构示意图；其中，（a）为该射频滤波功分器的三维结构图，（b）为该射频滤波功分器的俯视图，（c）为该射频滤波功分器的侧视图。
图2是本发明实施例2提供的二阶高隔离度的射频滤波功分器的结构示意图。
图3是本发明实施例2的散射参数与频率关系的仿真曲线图。
图4是本发明实施例3提供的基于开口环谐振器的射频滤波功分器的结构示意图。
图中的附图标记解释为：101-输入馈线，102-第一输出馈线，103-第二输出馈线，200-第一滤波枝节，300-第二滤波枝节，400-复数阻抗隔离元件，410-第一复数阻抗隔离元件，420-第二复数阻抗隔离元件，201-第一滤波枝节中的第一谐振器，202-第一滤波枝节中的第二谐振器，301-第二滤波枝节中的第一谐振器，302-第二滤波枝节中的第二谐振器，501-表面波屏蔽结构，502-介质基板，503-射频地。
具体实施方式
下面结合附图对本发明的技术方案做进一步的详细说明：
实施例1中，为一种N阶射频滤波功分器，图1中的（a）为本发明实施例1的三维结构图，射频滤波功分器的具体结构设置在介质基板502上表面，射频地503位于介质基板502的下表面，表面波屏蔽结构501包括金属条带和金属通孔阵列，金属条带位于介质基板502上，金属通孔阵列贯穿介质基板502，射频滤波功分器相对于表面波屏蔽结构501为轴对称结构。图1中的（b）为本发明实施例1的俯视图，包括输入馈线101、第一输出馈线102、第二输出馈线103、M个复数阻抗隔离元件400、表面波屏蔽结构501、第一滤波枝节200和第二滤波枝节300，第一滤波枝节200和第二滤波枝节300均分别包括N个谐振器，0≤M≤N；其中，
第一滤波枝节、第二滤波枝节位于表面波屏蔽结构501的两侧，第一滤波枝节、第二滤波枝节的结构是相同的且相对于表面波屏蔽结构501是轴对称的，第一滤波枝节200中的N个谐振器分别为第一滤波枝节200中的第一至第N谐振器，N为大于0的整数，第一滤波枝节中的N个谐振器沿着X轴从上至下依次排列，X轴是平行于表面波屏蔽结构；
M个复数阻抗隔离元件400分别为第一复数阻抗隔离元件至第M复数阻抗隔离元件，第一滤波枝节中的第j谐振器、第j复数阻抗隔离元件、第二滤波枝节中的第j谐振器依次顺序串联，M≥j≥1；M个复数阻抗隔离元件位于表面波屏蔽结构501的上方；
所述输入馈线101与第一滤波枝节中的第1谐振器201、第二滤波枝节中的第1谐振器301分别相连，第一输出馈线102与第一滤波枝节中的第N谐振器相连，第二输出馈线103与第二滤波枝节中的第N谐振器相连，输入馈线101的馈电位置与第一输出馈线102、第二输出馈线103的馈电位置不同。
图1中的（c）为本发明实施例1的侧视图， M个复数阻抗隔离元件跨过表面波屏蔽结构501，均不与表面波屏蔽结构501电连接。
实施例2中，采用罗杰斯5880介质板材，介质板材的厚度为0.787mm，相对介电常数为2，射频地503位于介质基板502的下表面，射频滤波功分器的具体电路结构位于介质基板502的上表面，本发明实施例2的结构示意图如图2所示。
该射频滤波功分器为轴对称结构，包括一个输入馈线101、第一输出馈线102、第二输出馈线103、第一滤波枝节200和第二滤波枝节300，、表面波屏蔽结构501、第一复数阻抗隔离元件410和第二复数阻抗隔离元件420。其中，第一滤波枝节、第二滤波枝节的结构是相同的且相对于表面波屏蔽结构501是轴对称的，第一滤波枝节200包含一个第一谐振器201和一个第二谐振器202。
为了实现输出端口之间的高隔离，增加表面波屏蔽结构501，通过金属通孔阵列和金属条带实现金属墙，从而极大地减小了第一滤波枝节200和第二滤波枝节300之间存在与介质基板502中的表面波。所述表面波屏蔽结构501平行于X轴，包括金属条带和金属通孔阵列，金属条带位于介质基板502上，金属通孔阵列贯穿介质基板502。所述输入馈线101与第一滤波枝节中的第1谐振器、第二滤波枝节中的第1谐振器分别相连，第一输出馈线102与第一滤波枝节中的第N谐振器相连，第二输出馈线103与第二滤波枝节中的第N谐振器30N相连，输入馈线101的馈电位置与第一输出馈线102、第二输出馈线103的馈电位置不同。所述第一滤波枝节中的第一谐振器201、第一复数阻抗隔离元件410、第二滤波枝节中的第一谐振器301依次顺序串联，第一滤波枝节中的第二谐振器202、第二复数阻抗隔离元件420、第二滤波枝节中的第二谐振器302依次顺序串联。
谐振器201、202、301、302均包含一个交趾型电容和一个高阻抗传输线，并且交趾型电容的两端与高阻抗传输线的两端分别相连，其中，交趾型电容的指数为4。第一谐振器201与第二谐振器202以高阻抗传输线相互耦合的方式互连。第一复数阻抗隔离元件410由一对相同的高阻抗电感线和一个贴片电阻构成，高阻抗电感线的等效电感值为0.6毫亨，通过宽度为0.5毫米，长度为1.5毫米的微带线实现；贴片电阻的型号为0603，电阻值为120欧姆。第二复数阻抗隔离元件420由一对相同的高阻抗电感线和一个贴片电阻构成，高阻抗电感线的等效电感值为1毫亨，通过宽度为0.3毫米，长度为1.5毫米的微带线实现；贴片电阻的型号为0603，电阻值为4.2k欧姆。该射频滤波功分器的核心电路尺寸为6.7毫米×14.5毫米，即电尺寸为0.076波导波长×0.164波导波长。与现公开的射频滤波功分器相比，具有明显的小型化优势。
图3为本发明实施例2的散射参数与频率关系的仿真曲线图。如图3所示，本发明实施例1公开的射频滤波功分器的中心频率为2.45GHz，3dB带宽为15.5%，最小插入损耗为1.1dB。|S 11|为射频滤波功分器输入端口的回波损耗，在通带内有两个传输极点，并且带内回波损耗优于-24dB；|S 23|为射频滤波功分器输出端口之间的隔离，在通带频率内有两个隔离度传输零点，因此在通带频率内实现超过48dB的输出端口隔离。与现有技术相比，本发明实施例2提供的射频滤波功分器的输出端口隔离实现了更高、更宽带的隔离度。
实施例3
图4是本发明实施例3提供的基于开口环谐振器的射频滤波功分器的结构示意图。基于实施例2，当交趾型电容的指数为1时，谐振器201、202、301、302为开口环谐振器。与实施例2中的谐振器相比，实施例3中提供的谐振器是一种被广泛使用的谐振器结构，但是其电尺寸比实施例2中的谐振器的电尺寸大。
本实施例的其他部分与实施例2相同，实施例3作为实施例2的进一步改进，属于权利要求保护范围。
以上所述，仅为本发明的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围内。

Claims (6)

1.一种高隔离的射频滤波功分器，射频滤波功分器设置在介质基板的上表面，其特征在于，射频滤波功分器为轴对称结构，包括输入馈线、第一输出馈线、第二输出馈线、M个复数阻抗隔离元件、表面波屏蔽结构、第一滤波枝节和第二滤波枝节，第一滤波枝节和第二滤波枝节均分别包括N个谐振器，N为大于0的整数，0≤M≤N；其中，
第一滤波枝节、第二滤波枝节位于表面波屏蔽结构的两侧，第一滤波枝节、第二滤波枝节的结构是相同的且相对于表面波屏蔽结构是轴对称的，第一滤波枝节中的N个谐振器分别为第一滤波枝节中的第一至第N谐振器，第一滤波枝节中的N个谐振器沿着X轴从上至下依次排列，X轴是平行于表面波屏蔽结构；
表面波屏蔽结构包括金属条带和金属通孔阵列，金属条带位于介质基板的上表面，金属通孔阵列贯穿介质基板；
M个复数阻抗隔离元件分别为第一复数阻抗隔离元件至第M复数阻抗隔离元件，第一滤波枝节中的第j谐振器、第j复数阻抗隔离元件、第二滤波枝节中的第j谐振器依次顺序串联，M≥j≥1；M个复数阻抗隔离元件位于表面波屏蔽结构的上方；
所述输入馈线与第一滤波枝节中的第1谐振器、第二滤波枝节中的第1谐振器分别相连，第一输出馈线与第一滤波枝节中的第N谐振器相连，第二输出馈线与第二滤波枝节中的第N谐振器相连，输入馈线的馈电位置与第一输出馈线、第二输出馈线的馈电位置不同。
2.根据权利要求1所述的一种高隔离的射频滤波功分器，其特征在于，表面波屏蔽结构与第一滤波枝节和第二滤波枝节互不相连。
3.根据权利要求1所述的一种高隔离的射频滤波功分器，其特征在于，M个复数阻抗隔离元件均不与表面波屏蔽结构电连接。
4.根据权利要求1所述的一种高隔离的射频滤波功分器，其特征在于，M个复数阻抗隔离元件为集总电阻和集总电容的组合，或者是集总电阻和集总电感的组合，或者是集总电阻和高阻抗传输线电感的组合。
5.根据权利要求1所述的一种高隔离的射频滤波功分器，其特征在于，还包括射频地，射频地与谐振器位于同层金属层或位于不同金属层。
6.根据权利要求1所述的一种高隔离的射频滤波功分器，其特征在于，谐振器均包括交趾型电容和高阻抗传输线，并且交趾型电容的两端与高阻抗传输线的两端分别相连，其中，交趾型电容的指数为正整数；当指数等于1时，谐振器看作开口环谐振器。
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