CN114447546A - 一种通信用高隔离度超小型平面双工器 - Google Patents

一种通信用高隔离度超小型平面双工器 Download PDF

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王卫民
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Abstract

本发明公开了一种通信用高隔离度超小型平面双工器，包括低频滤波结构、高频滤波结构、T型结、输入馈电端口P1、低频输出馈电端口P2以及高频输出馈电端口P3共同组成；输入信号经所述的输入馈电端口P1输入，经T型结及所述的低频滤波结构传输到所述的低频输出馈电端口P2输出，保留低频成分，在相异高频处的阻带抑制高于27dB；输入信号经所述的输入馈电端口P1输入，经T型结及所述的高频滤波结构传输到所述的高频输出馈电端口P3输出，保留高频成分，在相异低频处的阻带抑制高于26dB；两路信号的滤波滚降特性较好，在相异频率处没有相交的频率分量，因此保证了高度隔离。

Description

一种通信用高隔离度超小型平面双工器
技术领域
本发明涉及微波技术领域，尤其涉及一种通信用高隔离度超小型平面双工器。
背景技术
双工器主要用于移动通信，是异频双工电台及中继台的重要配件。双工器作为一个三端口无源器件，实际上是一种能实现在两个频率上独立滤波，且相互隔离的特殊滤波器。从双工器的输入端口输入一路信号，在两个输出端口可得到两路相异频率的信号。两路输出信号可在各自的工作频率上实现良好的滤波特性，且具有高度隔离，使两路信号互不干扰。
近年来，国内外研究学者致力于实现两路信号高度隔离的双工器，且能在各自所要求的频段上实现低插损，高选择性及宽阻带抑制的完美滤波特性，同时兼具小型化的尺寸优势。为了实现上述性能，一般选用三维电路结构实现双工器，例如低温共烧陶瓷技术(LTCC)，或者薄膜集成无源器件技术(TF-IPD)，或者腔体双工器。
然而，上述技术的成本较高，并且集成在三维空间内，大大增加了对工艺的精度要求，并不是最佳的选择。基于此，本发明选用传统的印刷电路板技术(PCB)，在工艺成熟及制作成本低的前提下，实现了一种通信用高隔离度超小型平面双工器。
发明内容
本发明基于印刷电路板技术(PCB)，提出一种通信用高隔离度超小型平面双工器，在低频2.4GHz-2.5GHz及高频5.15GHz-5.85GHz实现独立滤波功能，且两路信号间具有高度隔离，不影响相异的频率成分信号传输。同时本发明选用交指电容与平面电感，整体结构高度集成在平面板上，有超小型的设计尺寸。
为了实现上述目的，本发明提供如下技术方案：
本发明提供的一种通信用高隔离度超小型平面双工器，包括低频滤波结构、高频滤波结构、T型结、输入馈电端口P1、低频输出馈电端口P2以及高频输出馈电端口P3共同组成；输入信号经所述的输入馈电端口P1输入，经T型结及所述的低频滤波结构传输到所述的低频输出馈电端口P2输出，保留低频成分，在相异高频处的阻带抑制高于27dB；输入信号经所述的输入馈电端口P1输入，经T型结及所述的高频滤波结构传输到所述的高频输出馈电端口P3输出，保留高频成分，在相异低频处的阻带抑制高于26dB；两路信号的滤波滚降特性较好，在相异频率处没有相交的频率分量，因此保证了高度隔离。
进一步地，所述的输入馈电端口P1由输入端口馈电线构成，包括第一端口微带线SL11及第二端口微带线SL12，位于介质板底层；
所述的低频输出馈电端口P2由低频输出端口馈电线构成，包括第三端口微带线SL21及第四端口微带线SL22，位于介质板底层；
所述的高频输出馈电端口P3由高频输出端口馈电线构成，包括第五端口微带线SL31及第六端口微带线SL32，位于介质板底层。
进一步地，所述的低频滤波结构，由对称的两个第一串联谐振器、对称的两个低频电感匹配枝节及中心接地的第二串联谐振器构成，第一串联谐振器用于确定滤波通带的中心频率，第二串联谐振器用于引入传输零点，提高选择性，低频电感匹配枝节用于阻抗匹配，使滤波电路的输入阻抗等于端口阻抗。
进一步地，所述的第一串联谐振器由四指交指电容C1及平面折叠电感L1构成；所述的第二串联谐振器由五指交指电容C2及平面折叠电感L2构成；所述的低频电感匹配枝节由平面折叠电感L3构成。
进一步地，所述的四指交指电容C1的一侧通过T型结连接于所述的输入馈电端口P1，所述的平面折叠电感L3一端连接于所述的四指交指电容C1，另一端通过通孔接地，所述的四指交指电容C1的另一侧连接所述的平面折叠电感L1；所述的平面折叠电感L1的另一侧与另一个平面折叠电感L1相交于第一节点；所述的另一个平面折叠电感L1的另一侧连接于另一个四指交指电容C1，所述的另一个四指交指电容C1的另一侧通过通孔连接于所述的低频输出馈电端口P2，另一个平面折叠电感L3的一端连接于所述的另一个四指交指电容C1，另一端通过通孔接地；所述的平面折叠电感L2一端连接于第一节点，另一端连接于所述的五指交指电容C2的一侧；所述的五指交指电容C2的另一侧通过通孔接地。
进一步地，所述的高频滤波结构，由对称的两个第三串联谐振器、对称的两个高频匹配枝节及中心接地的第四串联谐振器构成，第三串联谐振器用于确定滤波通带的中心频率，第四串联谐振器用于引入传输零点，提高选择性，高频电感匹配枝节用于阻抗匹配，使滤波电路的输入阻抗等于端口阻抗。
进一步地，所述的第三串联谐振器由四指交指电容C3及平面折叠电感L4构成；所述的第四串联谐振器由四指交指电容C4及平面电感L5构成；所述的高频电感匹配枝节由平面折叠电感L6构成。
进一步地，所述的四指交指电容C3的一侧通过T型结连接于所述的输入馈电端口P1，所述的平面折叠电感L6一端连接于所述的四指交指电容C3，另一端通过通孔接地，所述的四指交指电容C3的另一侧连接所述的平面折叠电感L4；所述的平面折叠电感L4的另一侧与另一个平面折叠电感L4相交于第二节点；所述的另一个平面折叠电感L4的另一侧连接于另一个四指交指电容C3，所述的另一个四指交指电容C3的另一侧通过通孔连接于所述的高频输出馈电端口P3，另一个平面折叠电感L6的一端连接于所述的另一个四指交指电容C3，另一端通过通孔接地；所述的平面折叠电感L5一端连接于第二节点，另一端连接于所述的四指交指电容C4的一侧；所述的四指交指电容C4的另一侧通过通孔接地。
与现有技术相比，本发明的有益效果为：
1、本发明的通信用高隔离度超小型平面双工器，采用交指电容与平面折叠电感构成的谐振器替代微带线结构，整体电路尺寸仅14.6mm×10.5mm，实现了平面电路的小型化。
2、双工器中的低频滤波器在窄带2.4GHz到2.5GHz上实现滤波，高频滤波器在宽带5.15GHz到5.85GHz上实现滤波，带宽可根据要求进行调整，将窄带滤波功能与宽带滤波功能结合。
3、两路通带具有完美的滤波特性，采用FR4介质，相对介电常数为4.5，损耗因子为0.02，却能在两个通带内的插损分别达到1dB与1.4dB以下，通带的滚降特性与阻抗匹配较好，保证了高度选择性；并且可在各自的工作频率上独立工作，互不串扰，隔离度较高。
附图说明
为了更清楚地说明本申请实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明中记载的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为本发明实施例提供的通信用高隔离度超小型平面双工器的结构图；
图2为本发明实施例提供的通信用高隔离度超小型平面双工器的尺寸示意图；
图3为本发明实施例提供的通信用高隔离度超小型平面双工器的传输特性曲线图；
图4为本发明实施例提供的通信用高隔离度超小型平面双工器的隔离特性曲线图。
具体实施方式
下面结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中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。
本发明实施例提供了一种通信用高隔离度超小型平面双工器，包括低频滤波结构，高频滤波结构，T型结，输入馈电端口P1，低频输出馈电端口P2以及高频输出馈电端口P3共同组成。输入信号经所述的输入馈电端口P1输入，经低频滤波结构及高频滤波结构两个不同工作频率的滤波电路处理，分别传输到低频输出馈电端口P2及高频输出馈电端口P3输出。
如图1所示，所述的输入馈电端口P1位于介质板底层，输入馈电端口P1由第一端口微带线SL11及第二端口微带线SL12构成，第一端口微带线SL11连接T型结，T型结由通孔、第一连接微带线T1与第二连接微带线T2构成，第一连接微带线T1连接低频滤波结构，第二连接微带线T2连接高频滤波结构。
第一连接微带线T1的一端连接低频滤波结构中的四指交指电容C1，其中，所述的四指交指电容C1由第一微带线1、第二微带线2、第三微带线3、第四微带线4相互交叉耦合构成；所述的四指交指电容C1的一侧连接于低频匹配枝节的平面折叠电感L3，其另一侧连接与所述的四指交指电容C1共同构成第一串联谐振器的平面折叠电感L1；其中，所述的低频匹配枝节的平面折叠电感L3由第五微带线5、第六微带线6、第七微带线7、第八微带线8、第九微带线9、第十微带线10与第十一微带线11首尾相连折叠构成；所述的第一串联谐振器的平面折叠电感L1由第十二微带线12、第十三微带线13、第十四微带线14、第十五微带线15、第十六微带线16、第十七微带线17、第十八微带线18与第十九微带线19首尾相接构成，并与所述的另一个平面折叠电感L1相交于第一节点；其中，所述的另一个平面折叠电感L1由第二十微带线20、第二十一微带线21、第二十二微带线22、第二十三微带线23、第二十四微带线24、第二十五微带线25、第二十六微带线26与第二十七微带线27首尾相连构成。
进一步地，第二十七微带线27连接所述的另一个四指交指电容C1，其中，所述的另一个四指交指电容C1由第二十八微带线28、第二十九微带线29、第三十微带线30与第三十一微带线31相互交叉耦合构成。
所述的另一个四指交指电容C1通过通孔连接低频输出馈电端口P2，其中，所述的低频输出馈电端口P2由第三端口微带线SL21与第四端口微带线SL22构成；所述的另一个四指交指电容C1的另一侧连接所述的另一个低频匹配枝节的平面折叠电感L3，其中，所述的另一个低频匹配枝节的平面折叠电感L3由第三十二微带线32、第三十三微带线33、第三十四微带线34、第三十五微带线35、第三十六微带线36、第三十七微带线37与第三十八微带线38构成，第三十八微带线38通过通孔接地。
第一节点连接第二串联谐振器的平面折叠电感L2，其中，所述的第二串联谐振器的平面折叠电感L2由第三十九微带线39、第四十微带线40与第四十一微带线41构成；第四十一微带线41连接五指交指电容C2，其中，五指交指电容C2由第四十二微带线42、第四十三微带线43、第四十四微带线44、第四十五微带线45与第四十六微带线46交叉耦合构成，所述的五指交指电容C2的另一侧通过通孔接地。
高频滤波结构中的四指交指电容C3一端连接第二连接微带线T2，其中，所述的四指交指电容C3由第四十七微带线47、第四十八微带线48、第四十九微带线49与第五十微带线50相互交叉耦合构成；其一侧连接构成高频匹配枝节的平面折叠电感L6，其另一侧连接与所述的四指交指电容C3共同构成第三串联谐振器的平面折叠电感L4；其中，所述的高频匹配枝节的平面折叠电感L6由第五十一微带线51、第五十二微带线52、第五十三微带线53首尾相连折叠构成；所述的第三串联谐振器的平面折叠电感L4由第五十四微带线54构成，与所述的另一个平面折叠电感L4相交于第二节点；其中，所述的另一个第三串联谐振器的平面折叠电感L4由第五十五微带线55构成。
进一步地，所述的另一个第三串联谐振器的平面折叠电感L4连接于所述的另一个四指交指电容C3，其中，所述的另一个四指交指电容C3由第五十六微带线56、第五十七微带线57、第五十八微带线58、第五十九微带线59相互交叉耦合构成；所述的另一个四指交指电容C3通过通孔连接高频输出馈电端口P3，其中，所述的高频输出馈电端口P3由第五端口微带线SL31与第六端口微带线SL32构成；所述的另一个四指交指电容C3的另一侧连接所述的另一个高频匹配枝节的平面折叠电感L6，其中，所述的另一个高频匹配枝节的平面折叠电感L6由第六十微带线60构成，另一端通过通孔接地。
第二节点连接所述的第四串联谐振器的平面电感L5，其中，所述的第四串联谐振器的平面电感L5由第六十一微带线61构成，第六十一微带线61连接所述的四指交指电容C4，其中，四指交指电容C4由第六十二微带线62、第六十三微带线63、第六十四微带线64与第六十五微带线65交叉耦合构成，所述的四指交指电容C4的另一侧通过通孔接地。
如图2所示，一种通信用高隔离度超小型平面双工器的整体尺寸为14.6mm*10.5mm，具体参数如下：L1＝3.7mm,L2＝4.5mm,L3＝1.1mm,L4＝0.6mm,L5＝0.95mm,L6＝4.3mm,L7＝0.66mm,L8＝1.14mm,L9＝2.15mm,L10＝4mm,L11＝0.7mm,L12＝1.6mm,L13＝5.375mm,L14＝0.775mm,L15＝1.885mm,L16＝0.7mm,L17＝3.43mm,L18＝1.55mm,L19＝3.15mm,L20＝4.85mm,L21＝0.65mm,L22＝0.715mm,L23＝0.65mm,L24＝3.8mm,W1＝0.35mm,W2＝0.2mm,W3＝0.16mm,W4＝0.35mm,W5＝0.35mm,W6＝0.35mm。
优选的，本发明实施例一种通信用高隔离度超小型平面双工器的介质基板采用FR4，厚度为1.6mm，相对介电常数为4.5，损耗因子为0.02。
如图3所示，图3为本发明实施例提供的一种通信用高隔离度超小型平面双工器的传输特性曲线图，其中，包括一种通信用高隔离度超小型平面双工器的输入馈电端口P1回波损耗|S11|，输入馈电端口P1与低频输出馈电端口P2之间的插入损耗|S21|及输入馈电端口P1与高频输出馈电端口P3之间的插入损耗|S31|。由EM仿真结果可见，低频通带中心频率为2.45GHz，在中心频率处的插损为0.92dB，低频通带内的回波损耗均大于12dB，并且由于第二串联谐振器的作用，在通带右侧3.14GHz处有一传输零点，保证低频通带高选择性；由于相邻谐振器之间的耦合效应与T型结的作用，通带右侧增加两个传输零点，与高频通带的信号互不串扰；高频通带中心频率为5.5GHz，在中心频率处的插损为1.07dB，高频通带内的回波损耗均大于18dB，并且由于无源元件与地之间的耦合效应与T型结的作用，在通带左侧引入两个传输零点，保证不干扰低频通带工作；由于第四串联谐振器的作用，在高频通带右侧6.76GHz处引入一传输零点，进一步地，左传输零点在4.21GHz处，两传输零点距离通带较近，保证了高频通带的高选择性；两通带间的阻带抑制均高于14dB，可见双工器两通带独立工作的优异性能。
如图4所示，图4为本发明实施例提供的一种通信用高隔离度超小型平面双工器的隔离特性曲线图，其中，包括一种通信用高隔离度超小型平面双工器的低频输出馈电端口P2与高频输出馈电端口P3之间的隔离系数；由仿真结果可见，在两个工作频带及阻带，隔离度均大于26dB，超过了低频通带的三次谐波。
本发明实施例的仿真结果表明本双工器，可以双工传输两路滤波信号，并且两个输出馈电端口间隔离性能良好，可以实现独立工作，互不串扰。
需要说明的是，在本文中，诸如第一和第二等之类的关系术语仅仅用来将一个实体或者操作与另一个实体或操作区分开来，而不一定要求或者暗示这些实体或操作之间存在任何这种实际的关系或者顺序。而且，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者设备所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个……”限定的要素，并不排除在包括所述要素的过程、方法、物品或者设备中还存在另外的相同要素。
本说明书中的各个实施例均采用相关的方式描述，各个实施例之间相同相似的部分互相参见即可，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处。尤其，对于装置实施例、电子设备实施例、计算机可读存储介质实施例和计算机程序产品实施例而言，由于其基本相似于方法实施例，所以描述的比较简单，相关之处参见方法实施例的部分说明即可。
以上所述实施例，仅为本申请的具体实施方式，用以说明本申请的技术方案，而非对其限制，本申请的保护范围并不局限于此，尽管参照前述实施例对本申请进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：任何熟悉本技术领域的技术人员在本申请揭露的技术范围内，其依然可以对前述实施例所记载的技术方案进行修改或可轻易想到变化，或者对其中部分技术特殊进行等同替换；而这些修改、变化或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本申请实施例技术方案的精神和范围。都应涵盖在本申请的保护范围之内。因此，本申请的保护范围应所述以权利要求的保护范围为准。

Claims (8)

1.一种通信用高隔离度超小型平面双工器，其特征在于，包括低频滤波结构、高频滤波结构、T型结、输入馈电端口P1、低频输出馈电端口P2以及高频输出馈电端口P3共同组成；输入信号经所述的输入馈电端口P1输入，经T型结及所述的低频滤波结构传输到所述的低频输出馈电端口P2输出，保留低频成分；输入信号经所述的输入馈电端口P1输入，经T型结及所述的高频滤波结构传输到所述的高频输出馈电端口P3输出，保留高频成分。
2.根据权利要求1所述的通信用高隔离度超小型平面双工器，其特征在于，所述的输入馈电端口P1由输入端口馈电线构成，包括第一端口微带线SL11及第二端口微带线SL12，位于介质板底层；
所述的低频输出馈电端口P2由低频输出端口馈电线构成，包括第三端口微带线SL21及第四端口微带线SL22，位于介质板底层；
所述的高频输出馈电端口P3由高频输出端口馈电线构成，包括第五端口微带线SL31及第六端口微带线SL32，位于介质板底层。
3.根据权利要求1所述的通信用高隔离度超小型平面双工器，其特征在于，所述的低频滤波结构，由对称的两个第一串联谐振器、对称的两个低频电感匹配枝节及中心接地的第二串联谐振器构成，第一串联谐振器用于确定滤波通带的中心频率，第二串联谐振器用于引入传输零点，提高选择性，低频电感匹配枝节用于阻抗匹配，使滤波电路的输入阻抗等于端口阻抗。
4.根据权利要求3所述的通信用高隔离度超小型平面双工器，其特征在于，所述的第一串联谐振器由四指交指电容C1及平面折叠电感L1构成；所述的第二串联谐振器由五指交指电容C2及平面折叠电感L2构成；所述的低频电感匹配枝节由平面折叠电感L3构成。
5.根据权利要求4所述的通信用高隔离度超小型平面双工器，其特征在于，所述的四指交指电容C1的一侧通过T型结连接于所述的输入馈电端口P1，所述的平面折叠电感L3一端连接于所述的四指交指电容C1，另一端通过通孔接地，所述的四指交指电容C1的另一侧连接所述的平面折叠电感L1；所述的平面折叠电感L1的另一侧与另一个平面折叠电感L1相交于第一节点；所述的另一个平面折叠电感L1的另一侧连接于另一个四指交指电容C1，所述的另一个四指交指电容C1的另一侧通过通孔连接于所述的低频输出馈电端口P2，另一个平面折叠电感L3的一端连接于所述的另一个四指交指电容C1，另一端通过通孔接地；所述的平面折叠电感L2一端连接于第一节点，另一端连接于所述的五指交指电容C2的一侧；所述的五指交指电容C2的另一侧通过通孔接地。
6.根据权利要求1所述的通信用高隔离度超小型平面双工器，其特征在于，所述的高频滤波结构，由对称的两个第三串联谐振器、对称的两个高频匹配枝节及中心接地的第四串联谐振器构成，第三串联谐振器用于确定滤波通带的中心频率，第四串联谐振器用于引入传输零点，提高选择性，高频电感匹配枝节用于阻抗匹配，使滤波电路的输入阻抗等于端口阻抗。
7.根据权利要求6所述的通信用高隔离度超小型平面双工器，其特征在于，所述的第三串联谐振器由四指交指电容C3及平面折叠电感L4构成；所述的第四串联谐振器由四指交指电容C4及平面电感L5构成；所述的高频电感匹配枝节由平面折叠电感L6构成。
8.根据权利要求7所述的通信用高隔离度超小型平面双工器，其特征在于，所述的四指交指电容C3的一侧通过T型结连接于所述的输入馈电端口P1，所述的平面折叠电感L6一端连接于所述的四指交指电容C3，另一端通过通孔接地，所述的四指交指电容C3的另一侧连接所述的平面折叠电感L4；所述的平面折叠电感L4的另一侧与另一个平面折叠电感L4相交于第二节点；所述的另一个平面折叠电感L4的另一侧连接于另一个四指交指电容C3，所述的另一个四指交指电容C3的另一侧通过通孔连接于所述的高频输出馈电端口P3，另一个平面折叠电感L6的一端连接于所述的另一个四指交指电容C3，另一端通过通孔接地；所述的平面折叠电感L5一端连接于第二节点，另一端连接于所述的四指交指电容C4的一侧；所述的四指交指电容C4的另一侧通过通孔接地。
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