CN114884600B - 一种基于多层电路定向滤波器的频分复用器及其工作方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种基于多层电路定向滤波器的频分复用器及其工作方法，由工作在不同频段的各级定向滤波器级联组成；上一级定向滤波器的输入信号所在传输线的输出端口作为下一级定向滤波器的输入端，各级定向滤波器的带通信号输出端作为频分复用器的输出端口；相邻定向滤波器相对于输入信号传输线两侧在水平面上交替式分布，使相邻定向滤波器的输出端口分布在输入信号传输线的两侧。该多层电路定向滤波器由双孔耦合的1/4波长定向耦合器和环形振荡器组成，工作在微波、毫米波和太赫兹频段；频分复用器不同频率端口可以实现带宽可调，在5G/6G通信领域、卫星通信领域和多频段雷达领域有潜在应用前景，如汽车雷达、毫米波成像、基站和卫星通信等。
Description
技术领域
本发明属于通信技术领域，具体涉及一种基于多层电路定向滤波器的频分复用器及其工作方法。
背景技术
频分复用器的功能是合并和分离不同信道的频率信号，其关键性能指标在于选择性和隔离度，以防止信道干扰和多径效应。传统的频分复用器一般采用耦合电桥和多个滤波器级联组成，往往结构复杂的同时尺寸较大，且耦合中造成损耗也较高。
采用定向滤波器的频分复用器，具有低反射低损耗的优点，但传统的平面定向滤波器结构都设计在40GHz以下。随着频率的增加，平面定向滤波器需要更高的加工精度实现更大的耦合电容，已经超出了现有标准的商业电路板加工精度(100μm)。为了解决这一问题，基于多层电路的定向滤波器被开发出来。这种结构中，谐振结构与终端线垂直重叠，可以增强耦合，但也引入了较大的插入损耗和反射。传统的四分之一波长多层定向耦合器的耦合效率和耦合电容受到衬底厚度的限制。现有的多层电路方向滤波器的带宽也都小于8％。采用双倍波长环形谐振器的槽耦合多层电路定向滤波器可以应用于毫米波以上的高频段，且拥有3％～8％的可调滤波带宽，该结构同时具有小型化、无反射滤波和高稳定性的优点。
因此，将这种工作在更高的频段如毫米波频段的定向滤波器设计成新型的频分复用器在5G、6G技术和宽带雷达技术有应用价值。
发明内容
为了解决以上问题，本发明提供一种基于多层电路定向滤波器的频分复用器，复用器包括各级多层电路定向滤波器。
本发明还提供了上述基于多层电路定向滤波器的频分复用器的工作方法。
本发明的技术方案为：
一种基于多层电路定向滤波器的频分复用器，由工作在不同频段的各级定向滤波器级联组成；
级联方式为：上一级定向滤波器的输入信号所在传输线的输出端口作为下一级定向滤波器的输入端，各级定向滤波器的带通信号输出端作为频分复用器的输出端口；相邻定向滤波器相对于输入信号传输线两侧在水平面上交替式分布，使相邻定向滤波器的输出端口分布在输入信号传输线的两侧。
根据本发明优选的，按照频分复用器中定向滤波器的前后连接顺序，定向滤波器的工作频率由高频到低频，输入端口设为最高工作频率的定向滤波器的输入端口。
根据本发明优选的，相邻定向滤波器水平面上的间距为0-5mm。
最优选的，相邻定向滤波器水平面上的间距为0.3mm。
根据本发明优选的，频分复用器中定向滤波器的工作频率为不同定向滤波器输出频率的3dB带宽，覆盖频率彼此无重叠。
根据本发明优选的，所述定向滤波器由下自上依次包括多个级联行波环形谐振器、多层PCB电路、定向耦合器及两条微带传输线；
所述两条微带传输线在垂直方向上与底层的环形谐振器的两条长边对齐。
根据本发明优选的，所述多个级联行波环形谐振器中的每个环形谐振器为金属导体环，形状为矩形；两条微带传输线平行放置。
根据本发明优选的，金属导体环的金属边线宽为150-165μm，对应特征阻抗为60欧姆；
进一步优选，金属导体环的数量为2～3环；
最优选的，金属导体环的数量为2环；
进一步优选，多个级联行波环形谐振器中金属导体环之间的相对距离为对应谐振频率的二分之一波长的整数倍。
最优选的，多个级联行波环形谐振器中金属导体环之间的相对距离为对应谐振频率的双倍波长。
根据本发明优选的，所述多层PCB电路由下自上依次包括底部介质层、粘合层、共地金属层及顶部介质层，所述共地金属层上对应环形谐振器的每一条长边均设置两个开口槽，定向耦合器通过这些开口槽耦合在所述多层PCB电路上。
作为优选，所述共地金属层上对应环形谐振器的每一条长边的两个开口槽为一组开口槽，垂直方向上，每组开口槽与对应金属导体环中心对称，将每组开口槽沿金属导体环长边方向上相对金属导体环几何中心偏移对应谐振频率的八分之一波长，实现定向耦合器频率选择特性。
进一步优选的，两个开口槽之间的间距为对应谐振频率的四分之一波长，开口槽形状为矩形。
根据本发明优选的，对应两条微带传输线形成四个端口，包括第一端口、第二端口、第三端口、第四端口，信号输入端口为第一端口，第一端口所在微带传输线的另一端为第二端口，非信号输入的微带传输线上距离第一端口近的一端为第三端口，非信号输入的微带传输线上距离第一端口远的一端为第四端口。
进一步优选的，底部介质层和顶部介质层采用LCP材料，粘合层采用Tsu材料。
进一步优选的，底部介质层的厚度为0-300μm，粘合层的厚度为0-300μm，共地金属层的厚度为0-40μm，顶部介质层的厚度为20-300μm；
最优选的，底部介质层的厚度为75μm，粘合层的厚度为25μm，共地金属层的厚度为12μm，顶部介质层的厚度为100μm；
上述基于多层电路定向滤波器的频分复用器的工作方法，包括如下：
将所有频分复用器的输出端口连接负载或射频吸收器，将包含所需工作频率的宽带信号输入到频分复用器的输入端口，在各个定向滤波器的对应的带通信号输出端即获得对应频率的通带信号。
与现有技术相比，本发明的有益效果为：
1、本发明通过采用双倍波长环形谐振器的槽耦合多层电路定向滤波器作为滤波单元，解决了高频段的频分复用器缺少定向滤波器方案的问题。
2、本发明通过双槽耦合来提高耦合效率，非对称的分布结构来提升滤波器的频率选择性，多环级联的方式来拓展带宽，在毫米波频段获得了超过8％的滤波带宽，解决了传统定向滤波器因局限于窄带应用而不适合高频频分复用器设计的问题。
3、通过使用多层PCB电路设计的定向耦合器，减小了滤波单元的尺寸，更加满足未来5G/6G通信的小型化需求。
4、通过将相邻滤波单元采用相对于输入信号传输线交替式分布，解决了普通级联滤波器的频分复用器尺寸偏大的问题。
5、本发明可在毫米波和太赫兹频段如W波段和E波段实现3％～8％的可调滤波带宽，在未来的5G高频段和6G频段有应用前景，如汽车雷达、毫米波成像、基站和卫星通信等。
附图说明
图1为基于多层电路定向滤波器的频分复用器的电路连接示意图；
图2为定向滤波器的立体结构示意图；
图3为定向滤波器的顶面和底面的结构示意图；
图4为实施例中不同频率的单个定向滤波器的插入损耗S参数仿真曲线图；
图5为实施例的频分复用器的回波损耗S参数仿真与测试对比曲线图；
图6为实施例的频分复用器输出端插入损耗S参数仿真与测试对比曲线图。
具体实施方式
下面结合说明书附图和实施例对本发明进行详细说明。以下实施例将有助于本领域的技术人员进一步理解本发明，但不以任何形式限制本发明。应当指出的是，对本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变化和改进。这些都属于本发明的保护范围。
实施例1
一种基于多层电路定向滤波器的频分复用器，如图1所示，由工作在不同频段的各级定向滤波器级联组成；级联方式为：上一级定向滤波器的输入信号所在传输线的输出端口作为下一级定向滤波器的输入端，各级定向滤波器的带通信号输出端作为频分复用器的输出端口。在除带通信号输出端口以外的输出端口连接了负载，第一级定向滤波器的输入端口作为频分复用器的输入端口接入包含所需工作频率的宽带信号。
相邻定向滤波器相对于输入信号传输线两侧在水平面上交替式分布，使相邻定向滤波器的输出端口分布在输入信号传输线的两侧。以此来缩小相邻定向滤波器的距离。
实施例2
根据实施例1所述的一种基于多层电路定向滤波器的频分复用器，其区别在于：
按照频分复用器中定向滤波器的前后连接顺序，定向滤波器的工作频率由高频到低频，输入端口设为最高工作频率的定向滤波器的输入端口。
实施例3
根据实施例1或2所述的一种基于多层电路定向滤波器的频分复用器，其区别在于：
相邻定向滤波器水平面上的间距为0-5mm。以减小连接部分传输线的介质损耗和控制器件尺寸。
频分复用器中定向滤波器的工作频率为不同定向滤波器输出频率的3dB带宽，覆盖频率彼此无重叠。
实施例4
根据实施例3所述的一种基于多层电路定向滤波器的频分复用器，其区别在于：
相邻定向滤波器水平面上的间距为0.3mm。
实施例5
根据实施例1-4任一所述的一种基于多层电路定向滤波器的频分复用器，其区别在于：
图2为定向滤波器的立体结构示意图；图3为定向滤波器的顶面和底面的结构示意图；定向滤波器由下自上依次包括多个级联行波环形谐振器、多层PCB电路、定向耦合器及两条微带传输线；
两条微带传输线平行设置，在垂直方向上与环形谐振器的两条长边对齐。
多个级联行波环形谐振器中的每个环形谐振器为金属导体环，形状为矩形。金属导体环的金属边线宽为150-165μm，对应特征阻抗为60欧姆；来减小色散；金属导体环的数量为2～3环；多个级联行波环形谐振器中金属导体环之间的相对距离为对应谐振频率的二分之一波长的整数倍。两条微带传输线的特征阻抗为50欧姆，对应两条微带传输线形成四个端口，包括第一端口、第二端口、第三端口、第四端口，信号输入端口为第一端口(端口1)，第一端口(端口1)所在微带传输线的另一端为第二端口(端口2)，非信号输入的微带传输线上距离第一端口(端口1)近的一端为第三端口(端口3)，非信号输入的微带传输线上距离第一端口(端口1)远的一端为第四端口(端口4)。
将图3中定向滤波器的端口按照图1中的连接方法，上一级定向滤波器的第二端口(端口2)连接下一级定向滤波器的第一端口(端口1)，各级定向滤波器的第三端口(端口3)作为频分复用器的输出端口，对应图2中的第三端口(端口3)、第六端口(端口6)、第八端口(端口8)；在各级定向滤波器的第四端口(端口4)和最后一级滤波器的第二端口(端口2)连接负载，对应图2中的第五端口(端口5)、第七端口(端口7)、第四端口(端口4)；第一级定向滤波器的第二端口(端口2)作为频分复用器的输入端口，对应图2中的端口。
多层PCB电路由下自上依次包括底部介质层、粘合层、共地金属层及顶部介质层，共地金属层上对应环形谐振器的每一条长边均设置两个开口槽，定向耦合器通过这些开口槽耦合在多层PCB电路上。
共地金属层上对应环形谐振器的每一条长边的两个开口槽为一组开口槽，垂直方向上，每组开口槽与对应金属导体环中心对称，将每组开口槽沿金属导体环长边方向上相对金属导体环几何中心偏移对应谐振频率的八分之一波长，实现定向耦合器频率选择特性。由于信号是通过矩形槽进入金属导体环传输再通过不同矩形槽到达各个端口，所以在这种矩形槽相对金属导体环非对称的分布下，从输入端口到所需输出端口的信号在金属导体环经过顺时针和逆时针两条路径相位延迟后为同相(相差0°或360°)，从输入端口到其他端口的信号在金属导体环经过顺时针和逆时针两条路径相位延迟后为反相(相差180°或540°)，使得对应谐振频率集中到所需输出端口，实现更好的频率选择特性。
两个开口槽之间的间距为对应谐振频率的四分之一波长，开口槽形状为矩形。
各级定向滤波器中的对应设计工作频率的尺寸如下表1所示(单位：mm)：
表1
实施例6
根据实施例5所述的一种基于多层电路定向滤波器的频分复用器，其区别在于：
金属导体环的数量为2环；受环尺寸和器件尺寸的限制，多个级联行波环形谐振器中金属导体环之间的相对距离为对应谐振频率的双倍波长。此时输出信号的插入损耗最小。
实施例7
根据实施例5所述的一种基于多层电路定向滤波器的频分复用器，其区别在于：
底部介质层和顶部介质层采用LCP材料，在上至110GHz的相对介电常数约为3.1，损耗正切小于0.0045；粘合层采用Tsu材料。
底部介质层的厚度为0-300μm，粘合层的厚度为0-300μm，共地金属层的厚度为0-40μm，顶部介质层的厚度为20-300μm。
实施例8
根据实施例7所述的一种基于多层电路定向滤波器的频分复用器，其区别在于：
底部介质层的厚度为75μm，粘合层的厚度为25μm，共地金属层的厚度为12μm，顶部介质层的厚度为100μm；
图4为本实施例中不同频率的单个定向滤波器的插入损耗S参数仿真曲线图，从中可以看出，随着频率的增加，频分复用器的插入损耗略有增加，因此，采用将频分复用器在94、84、74GHz的顺序上分布，从而在多路信道中获得均匀的信号输出。
图5和图6为本实施例的频分复用器的回波损耗和输出端插入损耗S参数仿真与测试对比曲线图，仿真中，在70-110GHz处反射损耗小于10dB，在74、84和94GHz的插入损耗分别为3.5、3.36和2.65dB，对应的通频带带宽在74、84和94GHz的频率中心分别为8.2％、8.5％和8.7％；测试结果与仿真结果吻合，在70-110GHz处反射小于-10dB，在74、85和96GHz处插入损耗分别为3.63、3.4和2.72dB，与仿真相比出现了少量的频移，各级输出端口之间的损耗差异小于1dB；在74、85和95GHz处，三个通带的带宽分别为8.33％、8.8％和9.7％，与模拟数据相比略有展宽。实验数据与模拟数据的差异主要归因于金属线宽和薄膜厚度的制造公差，制备器件的金属过蚀5μm，层压后的结合层膜厚度通常减少3～7μm。最终频分复用器样品的尺寸为13mm*3mm。
实施例9
实施例1-8任一基于多层电路定向滤波器的频分复用器的工作方法，包括如下：
将所有频分复用器的输出端口连接负载或射频吸收器，将包含所需工作频率的宽带信号输入到频分复用器的输入端口，在各个定向滤波器的对应的带通信号输出端即获得对应频率的通带信号。
以上对本发明的具体实施例进行了描述。需要理解的是，本发明并不局限于上述特定实施方式，本领域技术人员可以在权利要求的范围内做出各种变化或修改，这并不影响本发明的实质内容。在不冲突的情况下，本申请的实施例和实施例中的特征可以任意相互组合。
Claims (16)
1.一种基于多层电路定向滤波器的频分复用器，其特征在于，由工作在不同频段的各级定向滤波器级联组成；级联方式为：上一级定向滤波器的输入信号所在传输线的输出端口作为下一级定向滤波器的输入端，各级定向滤波器的带通信号输出端作为频分复用器的输出端口；相邻定向滤波器相对于输入信号传输线两侧在水平面上交替式分布，使相邻定向滤波器的输出端口分布在输入信号传输线的两侧。
2.根据权利要求1所述的一种基于多层电路定向滤波器的频分复用器，其特征在于，按照频分复用器中定向滤波器的前后连接顺序，定向滤波器的工作频率由高频到低频，输入端口设为最高工作频率的定向滤波器的输入端口。
3.根据权利要求1所述的一种基于多层电路定向滤波器的频分复用器，其特征在于，相邻定向滤波器水平面上的间距为0-5mm。
4.根据权利要求3所述的一种基于多层电路定向滤波器的频分复用器，其特征在于，相邻定向滤波器水平面上的间距为0.3mm。
5.根据权利要求1所述的一种基于多层电路定向滤波器的频分复用器，其特征在于，所述定向滤波器由下自上依次包括多个级联行波环形谐振器、多层PCB电路、定向耦合器及两条微带传输线；所述两条微带传输线平行设置，在垂直方向上与环形谐振器的两条长边对齐。
6.根据权利要求5所述的一种基于多层电路定向滤波器的频分复用器，其特征在于，所述多个级联行波环形谐振器中的每个环形谐振器为金属导体环，形状为矩形；两条微带传输线平行放置；
金属导体环的金属边线宽为150-165μm，对应特征阻抗为60欧姆。
7.根据权利要求6所述的一种基于多层电路定向滤波器的频分复用器，其特征在于，金属导体环的数量为2～3环。
8.根据权利要求6所述的一种基于多层电路定向滤波器的频分复用器，其特征在于，金属导体环的数量为2环。
9.根据权利要求6所述的一种基于多层电路定向滤波器的频分复用器，其特征在于，多个级联行波环形谐振器中金属导体环之间的相对距离为对应谐振频率的二分之一波长的整数倍。
10.根据权利要求9所述的一种基于多层电路定向滤波器的频分复用器，其特征在于，多个级联行波环形谐振器中金属导体环之间的相对距离为对应谐振频率的双倍波长。
11.根据权利要求6所述的一种基于多层电路定向滤波器的频分复用器，其特征在于，所述多层PCB电路由下自上依次包括底部介质层、粘合层、共地金属层及顶部介质层，所述共地金属层上对应环形谐振器的每一条长边均设置两个开口槽，定向耦合器通过这些开口槽耦合在所述多层PCB电路上；
所述共地金属层上对应环形谐振器的每一条长边的两个开口槽为一组开口槽，垂直方向上，每组开口槽与对应金属导体环中心对称。
12.根据权利要求11所述的一种基于多层电路定向滤波器的频分复用器，其特征在于，两个开口槽之间的间距为对应谐振频率的四分之一波长，开口槽形状为矩形。
13.根据权利要求12所述的一种基于多层电路定向滤波器的频分复用器，其特征在于，将每组开口槽沿金属导体环长边方向上相对金属导体环几何中心偏移对应谐振频率的八分之一波长，实现定向耦合器频率选择特性。
14.根据权利要求12所述的一种基于多层电路定向滤波器的频分复用器，其特征在于，底部介质层和顶部介质层采用LCP材料，粘合层采用Tsu材料；底部介质层的厚度为0-300μm，粘合层的厚度为0-200μm，共地金属层的厚度为0-40μm，顶部介质层的厚度为20-300μm。
15.根据权利要求14所述的一种基于多层电路定向滤波器的频分复用器，其特征在于，底部介质层的厚度为75μm，粘合层的厚度为25μm，共地金属层的厚度为12μm，顶部介质层的厚度为100μm。
16.一种基于权利要求1-15任一所述的基于多层电路定向滤波器的频分复用器的工作方法，其特征在于，包括如下：在除带通信号输出端口以外的输出端口连接负载，将包含所需工作频率的宽带信号输入到频分复用器的输入端口，在各个定向滤波器的对应的带通信号输出端即获得对应频率的通带信号。
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| CN114884600A (zh) | 2022-08-09 |
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Legal Events
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| PB01 | Publication | ||
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| GR01 | Patent grant | ||
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