CN115084808A - 一种宽带共模抑制平衡式微带线带通滤波器 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种宽带共模抑制平衡式微带线带通滤波器，属于射频通信电子技术领域。其技术方案为：包括介质基板，介质基板上设置两组对称的电路结构；每个电路均包括作为输入端口和输出端口的两个端口微带线，两个端口微带线之间设置由若干耦合微带线形成“丄”形结构的耦合微带线组；中部微带线组包括四个成矩形分布的微带线，对应介质基板的两个电路结构形成跨接连接结构；耦合微带线组“丄”形结构的中间端部设置接地结构。本发明的有益效果为：本方案的滤波器具有结构简单、损耗小、平面化、方便集成、易于加工、宽带共模抑制和高频率选择性等优点，为改善射频前端的通信性能以及通信系统的稳定性提供了一种重要的解决方案。

Description

一种宽带共模抑制平衡式微带线带通滤波器

技术领域

本发明涉及射频通信电子技术领域，尤其涉及一种宽带共模抑制平衡式微带线带通滤波器。

背景技术

随着现代微波通信技术的高速发展，WiFi、GPS、WiMax、4G乃至5G等通信技术在人们的日常生活中扮演着越来越重要的角色。滤波器作为通信系统中的频率选择器件，在各类微波系统中起着重要的作用。微波滤波器能够在通带频率范围内保证工作频带的信号几乎无衰减地传输，而在阻带频率范围内抑制不需要的频带信号，因此滤波器其性能好坏往往会直接影响到整个系统的通信质量。信息化时代带来的飞速增长的流量，使得通信系统需要性能更加卓越的射频器件来传输多种通信协议共存条件下微波信号，复杂的通信系统中由于存在各种频段和需求的电磁波信号，带来了电磁环境的恶劣。另外，如今无线通信技术朝着集成化、小型化方向发展，越来越多的功能电路封装到很小的空间中，来自衬底与自由空间之间耦合以及电路节点之间的电磁干扰与串扰变得尤为严重。为了解决通信系统中在不增加系统原件数量和复杂程度条件下的电磁信号干扰，人们提出了一系列平衡式滤波器。相对于传统的单端口滤波器电路来说，平衡滤波器电路不仅具备传统滤波器的滤波特性，还可以有效抑制各种环境噪声，从而形成良好的共模噪声抑制效果。

平衡滤波器是四端口结构，是在传统滤波器的基础上发展而来的，为了获得更好的共模信号的抑制效果，人们提出了一系列平衡式滤波器。通常会采用多谐振器与微带线-槽线转换结构、集总元件加载谐振器的结构、多模谐振与耦合线组合的方式和耦合互补开口谐振环谐振器结构等方式。其中多谐振器与微带线-槽线转换结构，在共模信号激励时，微带线中心位置与槽线存在正交的磁场，能达到较好的共模抑制效果，但是由于槽线谐振器的引入，一般会产生较大的损耗；采用集总元件加载谐振器的结构，利用在谐振器中间部分添加不同的元件，如集总元件电感或者微带枝节，在不影响差模信号条件下改善共模抑制特性，但由于加载了集总元件，相对损耗也相对较大，同时由于接地孔较多，进一步增大了损耗和加工难度。采用多模谐振与耦合线组合的方式，在差模工作时多个谐振器的谐振频率相互错开，不能形成耦合从而实现共模信号的抑制，但是由于需要构造多个谐振器和耦合线的交替耦合，一般这种电路较复杂，体积也较大，共模抑制效果并不突出。采用耦合互补开口谐振环谐振器结构平衡式滤波器，在一定程度上可以减小结构尺寸，有利于小型化，但通常带宽比较窄。

针对以上技术问题存在的缺陷，本发明提出了一种四端口宽带共模抑制平衡式微带线带通滤波器。

发明内容

针对现有常规的平衡式滤波器，存在带宽窄、损耗大、电路复杂、不易集成、体积大和共模抑制效果差等问题。本发明将设计一种平衡式微带线带通滤波器结构，其具有结构简单、损耗低、高频率选择性、宽带共模抑制、平面化和易于集成等优点。

为了实现上述发明目的，本发明采用技术方案具体为：包括介质基板MS，所述介质基板MS上设置两组对称的电路结构，每个电路结构分别设置有一个输入端口和一个输出端口，所述输入端口和输出端口分别设置在介质基板MS两侧；

每个所述电路均包括作为所述输入端口和输出端口的两个端口微带线，两个端口微带线之间设置由若干耦合微带线形成“丄”形结构的耦合微带线组，所述耦合微带线组一端与输入端口的微带线ML1连接，另一端通过中部微带线组与输出端口的微带线ML5连接；

所述中部微带线组包括四个成矩形分布的微带线，对应所述介质基板MS的两个电路结构形成跨接连接结构；

所述电路结构与介质基板MS一体化；所述耦合微带线组“丄”形结构的中间端部设置接地结构。

优选为，所述耦合微带线组包括三个耦合微带线，三个耦合微带线分别为耦合微带线MCL1、耦合微带线MCL2及耦合微带线MCL3；

所述耦合微带线MCL1和耦合微带线MCL2分别位于所述耦合微带线组的两端，所述耦合微带线MCL1与微带线ML1连接，所述耦合微带线MCL2与微带线ML5连接。

优选为，每个所述耦合微带线均包括第一子微带线和第二子微带线，所述耦合微带线MCL1的第一子微带线的一端与所述微带线ML1连接，另一端与所述耦合微带线MCL3的第一子微带的端部连接；

所述耦合微带线MCL2的第一子微带线的一端与所述微带线ML5连接，另一端与所述耦合微带线MCL3的第二子微带线的端部连接；

所述耦合微带线MCL1和耦合微带线MCL2的第二子微带线之间通过短路枝节ML6相连；

所述耦合微带线MCL3第一子微带线和第二子微带线的另一端分别与所述接地结构连接，所述接地结构为金属化通孔接地结构Ground。

优选为，所述中部微带线组包括两个平行的微带线ML3及位于两个所述微带线ML3之间的微带线ML2和ML4，所述微带线ML2和微带线ML4平行；

两个所述微带线ML3分别位于两个电路结构的所述耦合微带线MCL2和微带线ML5之间。

优选为，所述微带线ML3一端与所述耦合微带线MCL2的第一子微带线端部连接，另一端与所述微带线ML5连接；

所述微带线ML3与耦合微带线MCL2连接的一端为，耦合微带线MCL2的第一子微带线远离耦合微带线MCL3第二子微带线的一端。

优选为，所述微带线ML2的两端分别与两个所述微带线ML3靠近耦合微带线MCL2的端部连接；

所述微带线ML4的两端分别与两个所述微带线ML3靠近微带线ML5的端部连接；

两个所述电路结构以微带线ML2和微带线ML4中心的连线为中心成镜像对称设置。

优选为，其中一个所述电路结构的输入输出端口分别为输入端口Port1和输出端口Port2；镜像电路的输入输出端口为Port1’和输出端口Port2’；

所述输入端口Port1和输出端口为Port1’构成一对平衡的输入差分端口，端口Port2和Port2’构成一对平衡的输出差分端口。

优选为，以所述介质基板MS的相对介电常数为ε_r,介质基板MS的高度为h，滤波器工作频带的中心频率为f₀，真空中光速为c₀；

耦合微带线MCL1满足，

其中，L2为耦合微带线MCL1的长度；

耦合微带线MCL2满足，

其中，L3为耦合微带线MCL2的长度；

耦合微带线MCL3满足，

其中，L4为耦合微带线MCL3的长度；

微带线ML3满足，

其中，L7为微带线ML3的长度；

微带线ML2满足，

其中，L5为微带线ML2和ML4的长度。

优选为，所述短路枝节ML6满足，

w8＝s4

其中，w8为短路枝节ML6的长度，s4为耦合微带线MCL3的间距。

优选为，微带线ML2满足，

0.4mm<w9

w9为微带线ML3和耦合微带线MCL2连接端的端部和微带线ML2之间的间距。

与现有技术相比，本发明的有益效果为：本发明提供了一种宽带共模抑制平衡式微带线带通滤波器，具有结构简单、损耗小、平面化、方便集成、易于加工、宽带共模抑制和高频率选择性等优点，为改善射频前端的通信性能以及通信系统的稳定性提供了一种重要的解决方案。

附图说明

附图用来提供对本发明的进一步理解，并且构成说明书的一部分，与本发明的实施例一起用于解释本发明，并不构成对本发明的限制。

图1为本发明实施例的结构示意图。

图2为本发明实施例的尺寸标识示意图。

图3为本发明实施例的纵截面剖面示意图。

图4为本发明实施例的差摸信号频率响应曲线图。

图5为本发明实施例的共摸信号频率响应曲线图。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。当然，此处所描述的具体实施例仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

实施例1

参见图1，本发明提供其技术方案为一种适用于射频前端系统的一种宽带共模抑制平衡式微带线带通滤波器，其具体实施结构图如图1所示。本发明的宽带共模抑制平衡式微带线带通滤波器结构包括微带线ML1、耦合微带线MCL1、耦合微带线MCL2、耦合微带线MCL3、短路枝节ML6、微带线ML2、微带线ML3、微带线ML4、微带线ML5，通孔接地结构Ground以及介质基板MS组成。

微带线ML1一端为输入端口Port1，另一端和耦合微带线MCL1的上端微带线连接，耦合微带线MCL1上端微带线的右端与耦合微带线MCL3左端微带线垂直连接，耦合微带线MCL3的右端微带线与耦合微带线MCL2的上端微带线相连接，耦合微带线MCL3的另一端分别和金属化通孔接地结构Ground相连接。耦合微带线MCL1的下端微带线和耦合微带线MCL2的下端微带线通过一段长度的短路枝节ML6相连；耦合微带线MCL2的上端微带线与微带线ML3左端连接，微带线ML3的两端分别和微带线ML2、微带线ML4垂直相连，在微带线ML3和微带线ML4连接处在水平延伸一段长度的微带线ML5作为输出端口Port2。将上述结构再以微带线ML2中心轴线为水平对称线进行镜像复制形成完全对称的电路分布，输入端口Port1镜像形成输入端口Port1’，输出端口2镜像形成输出端口Port2’。端口Port1和Port1’构成一对平衡输入差分端口，端口Port2和Port2’构成一对平衡的输出差分端口。

当差分信号从端口Port1和Port1’馈入时，差分信号通过四分之一波长的耦合微带线MCL1和耦合微带线MCL2进行传输，耦合微带线MCL1和耦合微带线MCL2微带线之间进行耦合，分别形成两个传输极点，差分信号再通过一段四分之一波长的微带线MCL3传输至微带线ML5处经过端口Port2和Port2’输出，由于在微带线ML3两端分别连接有一段微带线ML2和微带线ML4构成的环形回路，形成第三个传输极点。另外在耦合微带线MCL1和耦合微带线MCL2之间串联一段四分之一波长的短路耦合微带线分别在高频和低频段形成两个传输零点，增强了频率选择响应。而当共模信号工作时，由于电路结构上下完全对称，等幅同相的两路信号在对称面处相互抵消，实现了共模信号的抑制。

实施例2

参见图2与图3，在实施例1的基础上，如图2所示微带线ML1的线宽为w1，长度为L1；耦合微带线MCL1的线宽为w2，长度为L2，间距为s2；耦合微带线MCL2的线宽为w3,长度为L3，间距为s3；耦合微带线MCL3的线宽为w4，长度为L4，间距为s4；短路枝节ML6的长度为w8；微带线ML2的长度为L5，宽度为w5；微带线MCL2距离微带线左端边缘间距为w9；微带线ML3的长度为L7，宽度为w7；微带线ML4的长度为L5，宽度为w6；微带线ML5的长度为L1，宽度为w1。

图3为本发明宽带共模抑制平衡式微带线带通滤波器剖面结构尺寸图。如图3所示，整体结构主要包括微带线结构PEC、金属接地结构PEC、介质基板MS以及金属化通孔结构VH组成。其中介质基板MS的相对介电常数ε_r，高度为h，滤波器工作频带的中心频率为f₀，真空中光速为c₀。

耦合微带线MCL1满足，

其中，L2为耦合微带线MCL1的长度；

耦合微带线MCL2满足，

其中，L3为耦合微带线MCL2的长度；

耦合微带线MCL3满足，

其中，L4为耦合微带线MCL3的长度；

微带线ML3满足，

其中，L7为微带线ML3的长度；

微带线ML2满足，

其中，L5为微带线ML2和ML4的长度。

优选为，所述短路枝节ML6满足，

w8＝s4

其中，w8为短路枝节ML6的长度，s4为耦合微带线MCL3的间距。

优选为，微带线ML2满足，

0.4mm<w9

w9为微带线ML3和耦合微带线MCL2连接端的端部和微带线ML2之间的间距。

实施例3

参见图4与图5，在上述实施例的基础上，本发明设计了一种中心频率为2GHz的宽带共模抑制平衡式微带线带通滤波器，并进行仿真验证，其优化的结构参数如下：微带线ML1：w1＝3.2mm,L1＝30mm；耦合微带线MCL1：w2＝0.9mm，s2＝0.16mm，L2＝23.1mm；耦合微带线MCL2：w3＝0.16mm，s3＝0.47mm，L3＝23.1mm；耦合微带线MCL3：w4＝3.1mm，s4＝0.9mm，L4＝21.7mm；短路枝节ML6的长度w8＝0.9mm；微带线ML2：w5＝3.67mm，L5＝43.6mm；微带线ML3：w7＝1.95mm，L7＝20.9mm；微带线ML4：w6＝3.67mm，L6＝43.6mm；介质基板采用RO4003C板材，基板厚度为h＝1.524mm，介质相对介电常数为ε_r＝3.38；接地孔的半径d＝0.33mm。其他频段的慢波结构可以在本实施例中的慢波结构上进行缩放可得。

图4为本实施例通过HFSS三维模拟软件仿真得到的差摸信号频率响应。从图中可以看出其中心频率为2GHz，3dB相对带宽为34.2％，插入损耗仅为0.56dB，回波损耗大于14.96dB。共模信号的频率响应如图5所示，可以看出在0-4GHz全频带范围，除了在0.8GHz附近达到-12.5GHz外，其余频段均能小于-18.6，尤其在1.8～4.0GHz均能大于-20dB，能很好覆盖差摸通带，从而有效保证了差摸通带范围内对共摸噪声信号的抑制。

以上所述仅为本发明的较佳实施例，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种宽带共模抑制平衡式微带线带通滤波器，其特征在于，包括介质基板MS，所述介质基板MS上设置两组对称的电路结构，每个电路结构分别设置有一个输入端口和一个输出端口，所述输入端口和输出端口分别设置在介质基板MS两侧；

每个所述电路均包括作为所述输入端口和输出端口的两个端口微带线，两个端口微带线之间设置由若干耦合微带线形成“丄”形结构的耦合微带线组，所述耦合微带线组一端与输入端口的微带线ML1连接，另一端通过中部微带线组与输出端口的微带线ML5连接；

所述中部微带线组包括四个成矩形分布的微带线，对应所述介质基板MS的两个电路结构形成跨接连接结构；

所述电路结构与介质基板MS一体化；所述耦合微带线组“丄”形结构的中间端部设置接地结构。

2.根据权利要求1所述的宽带共模抑制平衡式微带线带通滤波器，其特征在于，所述耦合微带线组包括三个耦合微带线，三个耦合微带线分别为耦合微带线MCL1、耦合微带线MCL2及耦合微带线MCL3；

所述耦合微带线MCL1和耦合微带线MCL2分别位于所述耦合微带线组的两端，所述耦合微带线MCL1与微带线ML1连接，所述耦合微带线MCL2与微带线ML5连接。

3.根据权利要求2所述的宽带共模抑制平衡式微带线带通滤波器，其特征在于，每个所述耦合微带线均包括第一子微带线和第二子微带线，所述耦合微带线MCL1的第一子微带线的一端与所述微带线ML1连接，另一端与所述耦合微带线MCL3的第一子微带的端部连接；

所述耦合微带线MCL2的第一子微带线的一端与所述微带线ML5连接，另一端与所述耦合微带线MCL3的第二子微带线的端部连接；

所述耦合微带线MCL1和耦合微带线MCL2的第二子微带线之间通过短路枝节ML6相连；

所述耦合微带线MCL3第一子微带线和第二子微带线的另一端分别与所述接地结构连接，所述接地结构为金属化通孔接地结构Ground。

4.根据权利要求3所述的宽带共模抑制平衡式微带线带通滤波器，其特征在于，所述中部微带线组包括两个平行的微带线ML3及位于两个所述微带线ML3之间的微带线ML2和ML4，所述微带线ML2和微带线ML4平行；

两个所述微带线ML3分别位于两个电路结构的所述耦合微带线MCL2和微带线ML5之间。

5.根据权利要求4所述的宽带共模抑制平衡式微带线带通滤波器，其特征在于，所述微带线ML3一端与所述耦合微带线MCL2的第一子微带线端部连接，另一端与所述微带线ML5连接；

所述微带线ML3与耦合微带线MCL2连接的一端为，耦合微带线MCL2的第一子微带线远离耦合微带线MCL3第二子微带线的一端。

6.根据权利要求5所述的宽带共模抑制平衡式微带线带通滤波器，其特征在于，所述微带线ML2的两端分别与两个所述微带线ML3靠近耦合微带线MCL2的端部连接；

所述微带线ML4的两端分别与两个所述微带线ML3靠近微带线ML5的端部连接；

两个所述电路结构以微带线ML2和微带线ML4中心的连线为中心成镜像对称设置。

7.根据权利要求6所述的宽带共模抑制平衡式微带线带通滤波器，其特征在于，其中一个所述电路结构的输入输出端口分别为输入端口Port1和输出端口Port2；镜像电路的输入输出端口为Port1’和输出端口Port2’；

所述输入端口Port1和输出端口为Port1’构成一对平衡的输入差分端口，端口Port2和Port2’构成一对平衡的输出差分端口。

8.根据权利要求7所述的宽带共模抑制平衡式微带线带通滤波器，其特征在于，以所述介质基板MS的相对介电常数为ε_r,介质基板MS的高度为h，滤波器工作频带的中心频率为f₀，真空中光速为c₀；

耦合微带线MCL1满足，

其中，L2为耦合微带线MCL1的长度；

耦合微带线MCL2满足，

其中，L3为耦合微带线MCL2的长度；

耦合微带线MCL3满足，

其中，L4为耦合微带线MCL3的长度；

微带线ML3满足，

其中，L7为微带线ML3的长度；

微带线ML2满足，

其中，L5为微带线ML2和ML4的长度。

9.根据权利要求7所述的宽带共模抑制平衡式微带线带通滤波器，其特征在于，所述短路枝节ML6满足，

w8＝s4

其中，w8为短路枝节ML6的长度，s4为耦合微带线MCL3的间距。

10.根据权利要求7所述的宽带共模抑制平衡式微带线带通滤波器，其特征在于，所述微带线ML2满足，

0.4mm<w9

w9为微带线ML3和耦合微带线MCL2连接端的端部和微带线ML2之间的间距。

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