CN114843729A - 一种不平衡到平衡的毫米波基片集成波导滤波功分器 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种不平衡到平衡的毫米波基片集成波导滤波功分器，该滤波功分器由两个TE₁₀₁模和两个TE₂₀₁模谐振腔构成，滤波功分器的最后一级是两个背靠背放置的TE₂₀₁模式的谐振腔，它们具有固有的反相场分布，用于产生差分输出。在该基片集成波导滤波功分器中，由于输入和输出的外部品质因数总是相等的，传统的巴伦滤波器仅需要利用耦合系数的关系就可以很容易地扩展为两对差分输出。在此基础上，利用耦合系数和外部品质因数的理论设计准则，所提出的滤波功分器将滤波、功率分配和不平衡到平衡转换（巴伦）三种功能组合到一个电路中。

Description

一种不平衡到平衡的毫米波基片集成波导滤波功分器

技术领域

本发明属于射频通信技术领域，涉及一种不平衡到平衡的毫米波基片集成波导滤波功分器。

背景技术

毫米波具有更高的频谱效率、更高的数据速率，近些年毫米波通信比以往任何时候都受到广泛关注，并且已经成为即将到来的第五代(5G)通信及5G以后通信的必然发展趋势。在毫米波前端，降低损耗是确保毫米波技术走向实用的必要条件。其中，将两种或多种功能集成到一个电路中的融合器件已经成为一种流行的设计方法，这可以使多个器件之间避免像传统级联设计那样使用标准50Ω连接线，能有效减小电路损耗。滤波器是频率选择元件，广泛在毫米波前端使用，用于抑制谐波或镜频干扰；功率分配器用于信号的分配或合成。因此，在射频系统中，现代无线通信系统中两个重要无源元件高度集成形成的滤波功分器受到了广泛关注。

此外，平衡电路对于现代通信系统来说是必不可少的，因为它对环境噪声、电磁干扰具有较高的抵抗力。开发不需要额外巴伦的差分输出器件是非常必要的。不平衡到平衡转换器广泛应用于射频前端，例如在偶极子天线或其他差分天线的馈电网络中，通常需要巴伦将不平衡的单端信号转换为平衡或差分信号。差分功能的融合设计也被广泛研究，其中设计的平衡式滤波功分器也是射频前端的一个很好的候选者。近年来报道过许多使用微带技术的平衡到平衡或不平衡到平衡的滤波功分器，但是却很少有这样的多功能器件工作在毫米波频段。因为基于微带的组件在毫米波频段下将遭受相当大的损耗，并随着频率的增加而恶化。基片集成波导作为一种高品质因数的传输线，它结合了平面传输线和低损耗波导的优点，因此适合毫米波应用，基于基片集成波导集成设计的多功能器件在降低损耗和小型化系统体积方面具有的良好前景。

发明内容

本发明的目的在于，解决上述现有技术中的不足，提出一种结构简单的不平衡到平衡的毫米波基片集成波导滤波功分器。

为了实现本发明目的，本发明提供的不平衡到平衡的毫米波基片集成波导滤波功分器，包含一个输入端口和两对差分信号输出端口，其特征在于：还包括两个级联的TE₁₀₁模基片集成波导谐振腔和两个TE₂₀₁模基片集成波导谐振腔，所述TE₂₀₁模基片集成波导谐振腔具有两个幅度相同且相位相反的电场，所述输入端口设置于第1级TE₁₀₁模基片集成波导谐振腔的信号输入侧，两个TE₂₀₁模基片集成波导谐振腔对称地设置于第2级TE₁₀₁模基片集成波导谐振腔的两侧且与第2级TE₁₀₁模基片集成波导谐振腔耦合，两对差分信号输出端口一一对应地设置于两个TE₂₀₁模基片集成波导谐振腔的输出侧，且每对差分信号输出端口的两个输出分别位于TE₂₀₁模基片集成波导谐振腔的两个电场内。

此外，本发明还提供了不平衡到平衡的毫米波基片集成波导滤波功分器的设计方法，其特征在于步骤如下：

步骤1、根据滤波功分器通带所需的性能指标计算低通原型集总参数，并据此计算输入端口外部品质因数Q_es，相邻谐振器的耦合系数K₁₂、K₂₃；

步骤2、根据步骤1确定的参数建立前述不平衡到平衡的毫米波基片集成波导滤波功分器的模型，调节第1级TE₁₀₁模基片集成波导谐振腔与第2级TE₁₀₁模基片集成波导谐振腔之间耦合窗口的宽度l₁，使得第1级TE₁₀₁模基片集成波导谐振腔与第2级TE₁₀₁模基片集成波导谐振腔之间耦合的耦合系数等于步骤1中计算得到的耦合系数K₁₂，根据下式计算获得第2级TE₁₀₁模基片集成波导谐振腔与TE₂₀₁模基片集成波导谐振腔之间的耦合系数K_23d：

并且调节第2级TE₁₀₁模基片集成波导谐振腔与TE₂₀₁模基片集成波导谐振腔之间的耦合窗口的宽度l₂，使其满足设计要求；

步骤3、调整加载于第1级TE₁₀₁模基片集成波导谐振腔的输入馈线两侧开槽的宽度t₁和深度q₁，使其满足步骤1中计算得到的输入端口外部品质因数Q_es；

步骤4、调整加载于两个TE₂₀₁模基片集成波导谐振腔的输出馈线两侧开槽的宽度t₂和深度q₂，使两对差分信号输出端口的外部品质因数Q_ed2、Q_ed3等于输入端口的外部品质因数Q_es。

本发明提出了具有差分输出的基片集成波导滤波功分器。基于构建滤波器的两个关键因素，即耦合系数和外部品质因数，将两个TE₁₀₁模式和两个TE₂₀₁模式的基片集成波导腔合理耦合，以产生窄带三阶带通响应。滤波功分器的最后一级是两个背靠背放置的TE₂₀₁模式的谐振腔，它们具有固有的反相场分布，用于产生差分输出。滤波功分器将滤波、功率分配和不平衡到平衡转换(巴伦)三种功能组合到一个电路中，使得该滤波功分器能同时实现滤波响应、功率分配和差分输出，这三种功能的高度集成化设计可以降低整个电路的损耗，优化整体性能，特别是在毫米波波段。

附图说明

下面结合附图对本发明作进一步的说明；

图1是具有差分输出的基片集成波导滤波功分器的平面图。

图2是具有差分输出的基片集成波导滤波功分器的立体图。

图3(a)是本发明滤波功分器的拓扑图。

图3(b)是传统巴伦滤波器的拓扑图。

图4是滤波功分器耦合系数和耦合窗口曲线图，(a)耦合系数K₁₂与窗口长度l₁的曲线图；(b)耦合系数K_23d与窗口长度l₂的曲线图。

图5是不同开槽的宽度下对外品质因数和开槽深度的关系曲线图，(a)输入端口的外品质因数和开槽深度的关系；(b)输出端口的外品质因数和开槽深度的关系。

图6是实施例滤波功分器的模拟S参数。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例对本发明做进一步说明。

图1和图2分别展示了具有差分输出的基片集成波导滤波功分器的平面图和立体图，所采用的基片集成波导(一种微波传输线形式，通常由上层金属1、下层金属4、介质基板3和金属通孔2构成，其利用金属通孔在介质基板上实现波导的场传播模式)由两个TE₁₀₁模基片集成波导谐振腔和两个TE₂₀₁模基片集成波导谐振腔组成。具体来说，如图1所示，本实施例不平衡到平衡的毫米波基片集成波导滤波功分器，包含一个输入端口S₁和两对差分信号输出端口(第一对差分信号输出端口S₂、第二对差分信号输出端口S₃)，两个级联的TE₁₀₁模基片集成波导谐振腔(第1级TE₁₀₁模基片集成波导谐振腔R₁、第2级TE₁₀₁模基片集成波导谐振腔R₂)和两个TE₂₀₁模基片集成波导谐振腔(第一TE₂₀₁模基片集成波导谐振腔R₃₁、第二TE₂₀₁模基片集成波导谐振腔R₃₂)，第一TE₂₀₁模基片集成波导谐振腔R₃₁和第二TE₂₀₁模基片集成波导谐振腔R₃₂对称地设置于第2级TE₁₀₁模基片集成波导谐振腔R₂的两侧且与第2级TE₁₀₁模基片集成波导谐振腔R₂耦合，第一对差分信号输出端口S₂设置于第一TE₂₀₁模基片集成波导谐振腔R₃₁，第二对差分信号输出端口S₃设置于第二TE₂₀₁模基片集成波导谐振腔R₃₂的输出侧，且每对差分信号输出端口的两个输出分别位于TE₂₀₁模基片集成波导谐振腔的两个电场内。第1级TE₁₀₁模基片集成波导谐振腔R₁和第2级TE₁₀₁模基片集成波导谐振腔R₂之间的耦合窗口宽度为l₁，第2级TE₁₀₁模基片集成波导谐振腔R₂与两个TE₂₀₁模基片集成波导谐振腔之间的耦合窗口宽度均为l₂。

基片集成波导谐振腔的长度和宽度可以通过经典公式容易地确定。通过耦合混合TE₁₀₁/TE₂₀₁模式基片集成波导谐振腔，可以同时实现功率分配和滤波响应。与此同时，TE₂₀₁模式拥有两个幅度相同、相位相反的电场分布，可用于两个TE₂₀₁模基片集成波导谐振腔R₃₁、R₃₂实现差分输出实现差分输出，然后将平衡不平衡转换器功能集成到所提出的滤波功分器中。

本实施例中，输入端口S₁通过50Ω接地共面波导与第一级TE₁₀₁模基片集成波导谐振腔R₁连接，激发第1级TE₁₀₁模基片集成波导谐振腔R₁的TE₁₀₁模式。所提出的滤波功分器采用的基板是Taconic TLY，相对介电常数为2.2，损耗角正切为0.0009，厚度为10mil。

该不平衡到平衡的毫米波基片集成波导滤波功分器的设计方法，其特征在于步骤如下：

步骤1、根据滤波功分器通带所需的性能指标计算如图3(b)所示低通原型的集总参数(g₀、g₁、g₂和g₃)，并据此计算输入端口外部品质因数Q_e，以及相邻谐振器的耦合系数K₁₂、K₂₃。

步骤2、根据步骤1确定的参数建立上述不平衡到平衡的毫米波基片集成波导滤波功分器的模型。调节第1级TE₁₀₁模基片集成波导谐振腔R₁与第2级TE₁₀₁模基片集成波导谐振腔R₂之间耦合窗口的宽度l₁，使得第1级TE₁₀₁模基片集成波导谐振腔R₁与第2级TE₁₀₁模基片集成波导谐振腔R₂之间耦合的耦合系数等于步骤1中计算得到的耦合系数K₁₂，根据下式计算获得第2级TE₁₀₁模基片集成波导谐振腔R₂与TE₂₀₁模基片集成波导谐振腔R₃₁、R₃₂之间的耦合系数K_23d：

式中，α₂、α₃分别表示输出端口S₂、S₃的功率分配，本实施例滤波功分器为等功率分配，α₂＝α₃。

并且调节第2级TE₁₀₁模基片集成波导谐振腔R₂与两个TE₂₀₁模基片集成波导谐振腔R₃₁、R₃₂之间的耦合窗口的宽度l₂，使其满足设计要求。

步骤3、调整加载于第1级TE₁₀₁模基片集成波导谐振腔R₁的输入馈线两侧开槽的宽度t₁和深度q₁，使其满足步骤1中计算得到的输入端口S₁外部品质因数Q_es。

步骤4、假设图3(a)中的多端口网络是无损的，则P_s＝P_L31+P_L32，其中P_s表示第1级TE₁₀₁模基片集成波导谐振腔R₁的输入功率，P_L31和P_L32分别表示第一TE₂₀₁模基片集成波导谐振腔R₃₁和第二TE₂₀₁模基片集成波导谐振腔R₃₂的输出功率。

根据外部品质因数的Q_e的定义，输入端口外部品质因数Q_es可以表示为

两个输出端的外部品质因数Q_ed2、Q_ed3可以表示为

其中ω₀表示所采用腔的谐振频率，W_as表示第1级TE₁₀₁模基片集成波导谐振腔R₁的存储能量，W_a31和W_a32分别表示第一TE₂₀₁模基片集成波导谐振腔R₃₁和第二TE₂₀₁模基片集成波导谐振腔R₃₂的存储能量。

故，两个输出端的外部品质因Q_ed2、Q_ed3可以表示为

可见，当传统巴伦滤波器扩展到提出的滤波功分器时，输入和输出端口的Q_e保持不变。

因此，本步骤中，调整加载于两个TE₂₀₁模基片集成波导谐振腔R₃₁、R₃₂的输出馈线两侧开槽的宽度t₂和深度q₂，使两对差分信号输出端口S₂、S₃的外部品质因数Q_ed2、Q_ed3均等于输入端口S₁的外部品质因数Q_es。

在本设计中，通带设计为中心频率为27.5GHz，0.04-dB纹波FBW为3.23％。可以得到一个低通原型的集总参数g₀＝1，g₁＝0.8374，g₂＝1.0975，g₃＝0.8374。因此，所需的输入Q_es＝25.93，K₁₂＝0.0337和K₂₃＝0.0337。通过上述计算得到，要求Q_ed2＝Q_ed3＝25.93，K_23d＝0.024。

两个相邻空腔之间的耦合是通过基片集成波导耦合窗口实现的。耦合系数K₁₂和K_23d分别由窗口长度l₁和l₂决定，如图1所示。输入/输出的Q_e主要由馈线的插入长度和馈线与腔之间的狭缝决定，即q₁、q₂，t₁和t₂。图4显示了所提出的滤波功分器的K₁₂和K_23d与窗口长度l₁和l₂的曲线，可以看出K₁₂或K_23d的值随着l₁或l₂的增加而变大。图5(a)显示了在其他参数固定时，不同t₁下Q_es和q₁的关系。发现Q_es随着t₁或q₁的增加而减小。即当第1级TE₁₀₁模基片集成波导谐振腔R₁和馈线之间的耦合强度增加时，Q_es减小。由于两个输出是对称的，因此在本设计中需要提取一个输出Q_ed，如图5(b)所示。发现当t₂或q₂减小时，Q_ed也减小。因此，所提出的滤波功分器的最终尺寸可以在微调后确定。

为了演示，设计了一个工作在27.5GHz的如图1所示具有差分输出的本实施例滤波功分器的具体尺寸。

参数	t<sub>1</sub>	t<sub>2</sub>	l<sub>1</sub>	l<sub>2</sub>	q<sub>1</sub>	q<sub>2</sub>	p	d
									值(mm)	0.2	0.2	1.99	2.38	0.96	2.0	0.5	0.3
参数	a<sub>1</sub>	a<sub>2</sub>	a<sub>3</sub>	b<sub>1</sub>	b<sub>2</sub>	b<sub>3</sub>	W<sub>0</sub>	-
									值(mm)	4.8	4.8	4.8	5.8	5.58	11.6	0.72	-

图6展示了提出的滤波功分器的模拟S参数。可以发现，该滤波功分器具有3.6％的3dB相对带宽(FBW)。通带插入损耗约为3.4dB，回波损耗优于18dB，并且具有良好的频带选择性。

除上述实施例外，本发明还可以有其他实施方式。凡采用等同替换或等效变换形成的技术方案，均落在本发明要求的保护范围。

Claims (6)

1.一种不平衡到平衡的毫米波基片集成波导滤波功分器，包含一个输入端口(S₁)和两对差分信号输出端口(S₂、S₃)，其特征在于：还包括两个级联的TE₁₀₁模基片集成波导谐振腔(R₁、R₂)和两个TE₂₀₁模基片集成波导谐振腔(R₃₁、R₃₂)，所述TE₂₀₁模基片集成波导谐振腔(R₃₁、R₃₂)具有两个幅度相同且相位相反的电场，所述输入端口(S₁)设置于第1级TE₁₀₁模基片集成波导谐振腔(R₁)的信号输入侧，两个TE₂₀₁模基片集成波导谐振腔(R₃₁、R₃₂)对称地设置于第2级TE₁₀₁模基片集成波导谐振腔(R₂)的两侧且与第2级TE₁₀₁模基片集成波导谐振腔(R₂)耦合，两对差分信号输出端口(S₂、S₃)一一对应地设置于两个TE₂₀₁模基片集成波导谐振腔(R₃₁、R₃₂)的输出侧，且每对差分信号输出端口(S₂、S₃)的两个输出分别位于TE₂₀₁模基片集成波导谐振腔(R₃₁、R₃₂)的两个电场内。

2.根据权利要求1所述的不平衡到平衡的毫米波基片集成波导滤波功分器，其特征在于：所述第1级TE₁₀₁模基片集成波导谐振腔(R₁)和第2级TE₁₀₁模基片集成波导谐振腔(R₂)之间的耦合窗口宽度为l₁，第2级TE₁₀₁模基片集成波导谐振腔(R₂)与两个TE₂₀₁模基片集成波导谐振腔之间的耦合窗口宽度均为l₂。

3.根据权利要求1所述的不平衡到平衡的毫米波基片集成波导滤波功分器，其特征在于：所述输入端口(S₁)通过50Ω接地共面波导与第一级TE₁₀₁模基片集成波导谐振腔(R₁)连接，激发第1级TE₁₀₁模基片集成波导谐振腔(R₁)的TE₁₀₁模式。

4.根据权利要求1所述的不平衡到平衡的毫米波基片集成波导滤波功分器，其特征在于：差分信号输出端口(S₂、S₃)的两个输出对称地设置于TE₂₀₁模基片集成波导谐振腔(R₃₁、R₃₂)内。

5.不平衡到平衡的毫米波基片集成波导滤波功分器的设计方法，其特征在于步骤如下：

步骤1、根据滤波功分器通带所需的性能指标计算低通原型集总参数，并据此计算输入端口外部品质因数Q_es，相邻谐振器的耦合系数K₁₂、K₂₃；

步骤2、根据步骤1确定的参数建立如权利要求1所述不平衡到平衡的毫米波基片集成波导滤波功分器的模型，调节第1级TE₁₀₁模基片集成波导谐振腔(R₁)与第2级TE₁₀₁模基片集成波导谐振腔(R₂)之间耦合窗口的宽度l₁，使得第1级TE₁₀₁模基片集成波导谐振腔(R₁)与第2级TE₁₀₁模基片集成波导谐振腔(R₂)之间耦合的耦合系数等于步骤1中计算得到的耦合系数K₁₂，根据下式计算获得第2级TE₁₀₁模基片集成波导谐振腔(R₂)与TE₂₀₁模基片集成波导谐振腔(R₃₁、R₃₂)之间的耦合系数K_23d：

并且调节第2级TE₁₀₁模基片集成波导谐振腔(R₂)与TE₂₀₁模基片集成波导谐振腔(R₃₁、R₃₂)之间的耦合窗口的宽度l₂，使其满足设计要求；

步骤3、调整加载于第1级TE₁₀₁模基片集成波导谐振腔(R₁)的输入馈线两侧开槽的宽度t₁和深度q₁，使其满足步骤1中计算得到的输入端口(S₁)外部品质因数Q_es；

步骤4、调整加载于两个TE₂₀₁模基片集成波导谐振腔(R₃₁、R₃₂)的输出馈线两侧开槽的宽度t₂和深度q₂，使两对差分信号输出端口(S₂、S₃)的外部品质因数Q_ed2、Q_ed3等于输入端口(S₁)的外部品质因数Q_es。

6.根据权利要求5所述的不平衡到平衡的毫米波基片集成波导滤波功分器的设计方法，其特征在于：所述TE₂₀₁模基片集成波导谐振腔在输出端口侧耦合槽宽度和长度越大，该输出端口的外部品质因数越小。

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