CN115332755A - 一种双频等分Gysel功分滤波器 - Google Patents

Abstract

本发明适用于功率分配技术改进领域，提供一种双频等分Gysel功分滤波器，包括上层微带结构和隔离元件、中层介质板及下层接地金属板，上层微带结构和隔离元件附着在中层介质板的上表面，下层接地金属板附着在中层介质板的下表面，上层微带结构包括阻抗变换组件，输入端口(I/P)分别依次连接阻抗变换组件的输入端及短路微带组件的一端，输出端口(O/P1)分别连接阻抗变换组件的第一输出端及分支微带组件的一端，双频等分Gysel功分滤波器的输出端口(O/P2)分别连接阻抗变换组件的第二输出端及分支微带组件的另一端，开路微带组件的一端连接分支微带组件的中间端，隔离元件的两端分别连接分支微带组件上。结构简单、调节灵活。

Description

一种双频等分Gysel功分滤波器

技术领域

本发明属于功率分配技术改进领域，尤其涉及可应用在射频前端电路的集成双频带滤波功能的双通带等分Gysel功分滤波器。

背景技术

功分器和滤波器是射频前端常见的基础器件。功分器用于对信号进行两路或多路功率分配和组合。滤波器因为其可以分离出需要的频带，对信号和噪声的处理起着重要作用，被广泛应用于通信系统电路中的各个领域。它们经常被同时用于微波电路。

之前对于功分器的研究焦点主要集中于拓宽频带，减小面积，双频响应以及谐波抑制。同时，对于单通带和多通带的滤波电路，如何减小其体积、提高频率选择性、灵活控制不同通带的工作频率、增加传输零点也是无源微波电路的一个研究焦点。

将功分器和滤波器进行级联使用不仅可以实现信号分配的功能，还可以使得信号具有良好的频率选择性，因此这样的设计存在于许多射频子系统中。但是二者直接级联、单独优化不仅会导致插入损耗过大，还会因为电路之间的匹配调节增加电路体积和设计难度。如果能够在电路拓扑层面把功分器和滤波电路进行集成设计，从而实现电路体积小型化，插入损耗降低的目的。过去已有许多对功分滤波器的研究，在K.X.Wang,X.Y.Zhang andB.Hu,"Gysel Power Divider With Arbitrary Power Ratios and Filtering ResponsesUsing Coupling Structure,"in IEEE Transactions on Microwave Theory andTechniques,vol.62,no.3,pp.431-440,March 2014.中作者提出了一个使用具有90°相移特性的耦合结构替代传统Gysel功分器中阻抗变换微带线来实现滤波器与功分器集成设计的方法。该方法的不足之处是，不能满足目前移动通信系统对于多频带通信的需求。

为了能够将双频段的功分器和滤波器进行融合设计。许多学者提出了多种方法，但这些研究都是针对Wilkinson功分器的，目前对于双频段下的功分器和滤波器融合设计基本都是基于Wilkinson结构的，这些设计的不足之处主要是由于Wilkinson功分器内部不存在接地点，在大功率场景下会导致热量积累。Gysel功分器因为隔离网络中电阻器件的接地设计使得其能够在大功率场景下进行工作，但是关于双频段下Gysel功分器和滤波器的融合设计仍然空缺。

发明内容

本发明的目的在于提供一种双频等分Gysel功分滤波器，旨在解决将功分器和滤波器直接级联、单独优化导致的插入损耗过大，电路之间的匹配调节导致的电路体积和设计难度增加、和现有的威尔金森功分器无法适用于大功率的技术问题。

本发明是这样实现的，一种双频等分Gysel功分滤波器，所述双频等分Gysel功分滤波器包括上层微带结构和隔离元件、中层介质板及下层接地金属板，上层微带结构和隔离元件附着在中层介质板的上表面，下层接地金属板附着在中层介质板的下表面，所述上层微带结构包括阻抗变换组件、分支微带组件、开路微带组件及短路微带组件，所述双频等分Gysel功分滤波器的输入端口(I/P)分别依次连接所述阻抗变换组件的输入端及短路微带组件的一端，所述双频等分Gysel功分滤波器的输出端口(O/P1)分别连接所述阻抗变换组件的第一输出端及所述分支微带组件的一端，所述双频等分Gysel功分滤波器的输出端口(O/P2)分别连接所述阻抗变换组件的第二输出端及所述分支微带组件的另一端，所述开路微带组件的一端连接所述分支微带组件的中间端，所述隔离元件的两端分别连接所述分支微带组件上，所述双频等分Gysel功分滤波器通过满足(1+m)*θ＝π保证双频段下角度正切值不变,其中，m为两个工作频率之比，θ为微带线在第一工作频率下对应电长度。

保证正切值不变指的是除了两个90°相位阻抗变换器之外的微带线的电长度需要满足(1+m)*θ＝π的表达式，因为微带线等效阻抗与tanθ的值有关，这里利用到了tanθ＝tan(π-θ)，在两个工作频率下的电长度分别为θ和mθ，如果保证其互补的关系则可以保证两个频率下的微带线性质保持不变。

本发明的进一步技术方案是：所述阻抗变换组件包括两个在不同工作频段内均具有90度相移的双频滤波阻抗变换器，两个所述双频滤波阻抗变换器水平对称耦合组成上半阻抗变换器和下半阻抗变换器。

本发明的进一步技术方案是：所述上半阻抗变换器与下半阻抗变换器相同，均由基于中心枝节加载的二分之一波长的第一谐振器和第二谐振器耦合组成。

本发明的进一步技术方案是：所述上半阻抗变换器中的所述第一谐振器与第二谐振器相同，所述第一谐振器包括第一微带线、第二微带线、第三微带线及第四微带线，所述第二微带线的一端连接所述第一微带线的一端，所述第四微带线的一端连接所述第一微带线的另一端，所述第三微带线的一端连接所述第一微带线的中间，所述第三微带线的长度根据功分器的两个工作频点的比值获取，所述第二微带线的长度及第四微带线的长度均大于第三微带线的长度，第一微带线的另一端还与输入端口(I/P)连接，所述第二谐振器的相对应的微带线与第一输出端口(O/P1)连接，所述下半阻抗变换器中的第二谐振器的相对应的微带线与第二输出端口(O/P2)连接。

本发明的进一步技术方案是：所述第二微带线、第三微带线及第四微带线位于所述第一微带线的同一侧，所述第二微带线、第三微带线及第四微带线相互之间平行，所述第三微带线与第二微带线之间的间距与第四微带线之间的间距相等。

本发明的进一步技术方案是：所述短路微带组件包括短路微带线，所述短路微带线的一端与输入端口(I/P)连接，所述短路微带线的另一端通过两个过孔接地。

本发明的进一步技术方案是：所述分支微带组件包括下半网络及上半网络，所述下半网络的一端连接所述上半网络的一端，所述上半网络与所述下半网络水平对称。

本发明的进一步技术方案是：所述上半网络与所述下半网络相同，所述上半网络第一分支线及第二分支线，所述第一分支线的一端连接第一输出端口(O/P1)，所述第一分支线的另一端连接所述第二分支线的一端，所述第一分支线的另一端还连接隔离元件的一端；所述下半网络中的第一分支线的一端连接所述第二输出端口(O/P2)。

本发明的进一步技术方案是：所述第二分支线包括第七微带线、第八微带线及第九微带线，所述第七微带线、第八微带线及第九微带线依次顺序连接，所述第七微带线与第九微带线分布置于所述第八微带线两侧，所述第七微带线与所述第九微带线平行。

本发明的进一步技术方案是：所述开路微带组件包括开路微带线，所述开路微带线的一端与所述下半网络和上半网络之间连接，所述开路微带线的另一端开路；所述第一分支线包括第六微带线，所述第六微带线的一端连接第一输出端口(O/P1)，所述第六微带线的另一端连接所述第七微带线的一端；所述隔离元件采用的是隔离电阻。

本发明的有益效果是：双频等分Gysel功分滤波器，通过调节上半或下半阻抗变换器的谐振器间的耦合强度和端口位置，可以灵活调节结构等效阻抗和带宽；调节中心枝节长度，可以灵活调节第二工作频率。结合对整体电路拓扑结构的设计，进而实现匹配和双频工作的要求。结构简单、调节灵活，既保留了Gysel功分器适用于大功率场景的优点，又使得其信号具有了在双频段下的频率选择性。

附图说明

图1是本发明实施例提供的双频等分Gysel功分滤波器的平面结构示意图。

图2是本发明实施例提供的双频滤波阻抗变换器的上半阻抗变换器的平面结构示意图。

图3是本发明实施例提供的双频等分Gysel功分滤波器的传输特性曲线图。

图4是本发明实施例提供的双频等分Gysel功分滤波器的输出回波损耗和隔离系数。

具体实施方式

本发明中，用在两个工作频率下都具有90度相移特性的双频滤波器作为阻抗变换器去替代Gysel功分器中的四分之一波长微带线，阻抗变换器的输入输出阻抗可以通过调节阻抗变换器内部的谐振器之间的耦合强度和端口位置来进行匹配，可以通过调节阻抗变换器中的中心枝节长度来实现对第二工作频率的控制，其带宽也可以通过端口位置的变换进行控制。同时，在通带边缘引入了三个传输零点，这可以提高信号的频率选择性。由于功分器融合了双频滤波阻抗变换器，所以可以同时实现功率分配和频率选择的功能。

如图1所示，本发明提供的双频等分Gysel功分滤波器，双频等分Gysel功分滤波器的结构包括上层的微带结构和隔离元件，中层的基板介质材料和下层的接地金属板。上层微带结构附着在中间层介质板上表面，中间层介质板下表面为接地金属。上层微带结构包括两个在不同工作频段内都具有90度相移的双频滤波阻抗变换器，四个分支微带线，一个开路微带线和一个短路微带线。两个阻抗变换器的等效阻抗相同，以实现等功率分配，共用双频等分Gysel功分滤波器的输入端口(I/P)作为输入，分别以双频等分Gysel功分滤波器的第一输出端口(O/P1)和第二输出端口(O/P2)作为输出。四个分支线在第一输出端口(O/P1)和第二输出端口(O/P2)顺次连接，第一分支线和水平对称的下半隔离网络的分支线特性阻抗相同，第二分支线和水平对称的下半隔离网络的分支线特性阻抗相同。短路微带线一端和输入端口(I/P)间接连接，另一端通过过孔接地，开路微带线一端连接在第二波长分支线和下半隔离网络对应分支线之间，另一端开路。隔离元件包括位于第一分支线和第二分支线之间的第一隔离电阻和下半隔离网络对应分支线间的第二隔离电阻，第一隔离电阻和第二隔离电阻阻抗相同。

上述电路中，第一、第二分支线，开路微带线和短路微带线具有不同的特性阻抗，以实现输出端口之间的良好匹配和隔离。但为了实现双频段下具有相同的电路效果，其具有相同的电长度，满足(1+m)*θ＝π。其中m为两个工作频率之比，θ为微带线在第一工作频率下对应的电长度。。

上述双频等分Gysel功分滤波器，上半阻抗变换器由两个包含中心枝节的半波长谐振器耦合组成，分别为第一谐振器和第二谐振器：第一谐振器由第一微带线，第二微带线，第三微带线，第四微带线组成，第二微带线，第三微带线和第四微带线一端开路；第二谐振器由与第一谐振器中心对称的微带结构组成。第一谐振器的第二微带线与第二谐振器对应的微带线的重合部分形成第一耦合结构，第一谐振器的第四微带线与第二谐振器对应的微带线的重合部分形成第二耦合结构；第一谐振器的第一微带线与输入端口(I/P)共一端点连接，第二谐振器相应微带线与第一输出端口(O/P1)连结，下半阻抗变换器由与上半阻抗变换器水平对称的微带耦合结构组成。短路微带线一端与输入端口(I/P)，另一端通过两个过孔接地。不同特性阻抗的分支线由开路微带线、第一、第二分支线及其对称部分和隔离电阻组成。第一分支线由第六微带线组成，第二分支线由第七微带线，第八微带线，第九微带线顺次连接组成，下半网络与上半网络水平对称。其中第六微带线一端连结第一输出端口(O/P1)，一端连结第七微带线。第一分支线和第二分支线之间连接第一隔离电阻，开路微带线一端与第二分支线和下半网络对应分支线之间连接，另一端开路，下半网络对应两段分支线之间连接第二隔离电阻，对应分支线一端连接第二输出端口(O/P2)。

所述第三微带线的长度根据功分器的两个工作频点的比值获取，具体频率确定需满足函数式

其中L1是阻抗变换器中除开中心枝节之外的长度和，L2是中心枝节长度，所以在谐振器长度固定之后可以实现单独调节L2来调节第二个工作频率。

上述双频等分Gysel功分滤波器，通过调节上半或下半阻抗变换器的谐振器间的耦合强度和端口位置，可以灵活调节结构等效阻抗和带宽；调节中心枝节长度，可以灵活调节第二工作频率。结合对整体电路拓扑结构的设计，进而实现匹配和双频工作的要求。结构简单、调节灵活，既保留了Gysel功分器适用于大功率场景的优点，又使得其信号具有了在双频段下的频率选择性。

上述双频等分Gysel功分滤波器，二分之一波长谐振器的的长度L为所述双频滤波阻抗变换器的第一谐振频率f对应的波长λ的二分之一，该长度为实际微带线长度；短路微带线，开路微带线，第一分支线，第二分支线，以及下半隔离网络对应分支线具有相同的电长度，满足(1+m)*θ＝π：其中m为两个工作频率之比，θ为微带线在第一工作频率下对应的电长度。

第二工作频率可以轻松调节，结构简单，灵活度高。相比于功分器和滤波器级联的方式，免去了对多器件联合匹配的繁琐，具有低插入损耗的性能，结构上更简化，尺寸上更小，有助于通信系统的小型化。既保留了Gysel功分器适用于大功率场景的优点，又使得其信号具有了在双频段下的频率选择性。

如图1所示，双频等分Gysel功分滤波器的结构包括上层的微带结构和隔离元件，中层的基板介质材料和下层的接地金属板。上层微带结构附着在中间层介质板上表面，中间层介质板下表面为接地金属。本发明特征在于上层微带结构包括两个在不同工作频段内都具有90度相移的双频滤波阻抗变换器，四个分支微带线，一个开路微带线和一个短路微带线。两个阻抗变换器的等效阻抗相同，以实现等功率分配，共用双频等分Gysel功分滤波器的输入端口(I/P)作为输入，分别以双频等分Gysel功分滤波器的第一输出端口(O/P1)和第二输出端口O/P2作为输出。四个分支线在第一输出端口(O/P1)和第二输出端口(O/P2)顺次连接，第一分支线和水平对称的下半隔离网络的分支线特性阻抗相同，第二分支线和水平对称的下半隔离网络的分支线特性阻抗相同。短路微带线一端和输入端口(I/P)间接连接，另一端通过过孔接地，开路微带线一端连接在第二波长分支线和下半隔离网络对应分支线之间，另一端开路。隔离元件包括位于第一波长分支线4和第二波长分支线5之间的第一隔离电阻R1和下半隔离网络对应波长分支线间的第二隔离电阻R2，第一隔离电阻R1和第二隔离电阻R2阻抗相同。

如图1所示，上述双频等分Gysel功分滤波器，上半阻抗变换器由两个包含中心枝节的二分之一波长谐振器耦合组成，分别为第一谐振器1和第二谐振器2：第一谐振器1由第一微带线7，第二微带线8，第三微带线9，第四微带线10组成，第二微带线8，第三微带线9和第四微带线10一端开路；第二谐振器2由与第一谐振器1中心对称的微带结构组成。第一谐振器1的第一微带线7与输入端口(I/P)连接，第二谐振器2相应微带线与第一输出端口(O/P1)连结，下半阻抗变换器由与上半阻抗变换器水平对称的微带耦合结构组成。短路微带线3一端与输入端口(I/P)连结，另一端通过两个过孔接地。不同特性阻抗的分支线由开路微带线6、第一、第二分支线4、5及其对称部分和隔离电阻R1、R2组成。第一分支线由第六微带线4组成，第二分支线由第七微带线11，第八微带线12，第九微带线13顺次连接组成，下半网络与上半网络水平对称。其中第六微带线4一端连结第一输出端口(O/P1)，一端连结第七微带线11。第一分支线4和第二分支线5之间连接第一隔离电阻R1，开路微带线6一端与第二分支线5和下半网络对应分支线之间连接，另一端开路，下半网络对应两段分支线之间连接第二隔离电阻，对应分支线一端连接第二输出端口(O/P2)。

如图1所示，二分之一波长谐振器的的长度为所述双频滤波阻抗变换器的第一谐振频率f对应的波长λ的二分之一，该长度为实际微带线长度；短路微带线，开路微带线，第一分支线，第二分支线，以及下半隔离网络对应分支线具有相同的电长度，满足(1+m)*θ＝π：其中m为两个工作频率之比，θ为微带线在第一工作频率下对应的电长度。

上述双频等分Gysel功分滤波器，通过调节上半或下半阻抗变换器的谐振器间的耦合强度和端口位置，可以灵活调节结构等效阻抗和带宽；调节中心枝节长度，可以灵活调节第二工作频率。结合对整体电路拓扑结构的设计，进而实现匹配和双频工作的要求。结构简单、调节灵活，既保留了Gysel功分器适用于大功率场景的优点，又使得其信号具有了在双频段下的频率选择性。

如图2所示，图1中的第一谐振器1和第二谐振器2：两者是中心对称放置的，谐振器之间的耦合强度是通过调节谐振器之间的对应微带线的耦合间距和耦合微带线长度改变的。下半阻抗变换器完全相同。

实施例

双频等分的Gysel功分滤波器的结构如图一所示，介质基板的厚度为0.508mm，相对介电常数为3.55。

图3和图4是根据上述条件设计的双频等分Gysel功分滤波器的传输特性仿真结果。图中横轴表示频率，纵轴表示以dB为单位的传输特性。图3中，S11表示双频等分Gysel功分滤波器的输入回波损耗，S21和S31分别表示在输入端口(I/P)匹配时，第一输出端口(O/P1)和第二输出端口(O/P2)到输入端口(I/P)的插入损耗，仿真结果显示：双频等分的Gysel功分滤波器有两个工作频点，分别为1.81GHz和3.03GHz；输入回波损耗S11在工作频点附近的通带内低于-20dB，在1.81GHz左右的工作频点处为-35.1dB，在3.03GHz左右的工作频点处为-25.6dB；插入损耗曲线S21和S31基本重合，在1.81GHz左右的工作频点处为-3.91dB，在3.03GHz左右的工作频点处为-3.84dB；在两个通带附近共有三个传输零点，增强了滤波功分器的频率选择性。图4中，S22和S33分别表示第一输出端口(O/P1)和第二输出端口(O/P2)的输出回波损耗，S23表示第一输出端口(O/P1)和第二输出端口(O/P2)的隔离系数。仿真结果显示：输出回波损耗曲线S22和S33基本重合，在工作频点附近的通带内低于-20dB，在1.81GHz的工作频点处为-21.9dB，在3.03GHz的工作频点处为-23dB；隔离系数S23在工作频点附近的通带内整体低于-15dB，在1.81GHz的工作频点处为-37.6dB，在3.03GHz的工作频点处为-24.2dB。

实施例的仿真结果表明上述双频等分的Gysel功分滤波器可以实现双频工作，等功率分配和滤波功能。

以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，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、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种双频等分Gysel功分滤波器，其特征在于，所述双频等分Gysel功分滤波器包括上层微带结构和隔离元件、中层介质板及下层接地金属板，上层微带结构和隔离元件附着在中层介质板的上表面，下层接地金属板附着在中层介质板的下表面，所述上层微带结构包括阻抗变换组件、分支微带组件、开路微带组件及短路微带组件，所述双频等分Gysel功分滤波器的输入端口(I/P) 分别依次连接所述阻抗变换组件的输入端及短路微带组件的一端，所述双频等分Gysel功分滤波器的输出端口(O/P1)分别连接所述阻抗变换组件的第一输出端及所述分支微带组件的一端，所述双频等分Gysel功分滤波器的输出端口(O/P2)分别连接所述阻抗变换组件的第二输出端及所述分支微带组件的另一端，所述开路微带组件的一端连接所述分支微带组件的中间端，所述隔离元件的两端分别连接所述分支微带组件上，所述双频等分Gysel功分滤波器通过满足（1+m）*θ=π保证双频段下角度正切值不变,其中，m为两个工作频率之比，θ为微带线在第一工作频率下对应的电长度。

2.根据权利要求1所述的双频等分Gysel功分滤波器，其特征在于，所述阻抗变换组件包括两个在不同工作频段内均具有90度相移的双频滤波阻抗变换器，两个所述双频滤波阻抗变换器水平对称耦合组成上半阻抗变换器和下半阻抗变换器。

3.根据权利要求2所述的双频等分Gysel功分滤波器，其特征在于，所述上半阻抗变换器与下半阻抗变换器相同，均由基于中心枝节加载的二分之一波长的第一谐振器和第二谐振器耦合组成。

4.根据权利要求3所述的双频等分Gysel功分滤波器，其特征在于，所述上半阻抗变换器中的所述第一谐振器与第二谐振器相同，所述第一谐振器包括第一微带线、第二微带线、第三微带线及第四微带线，所述第二微带线的一端连接所述第一微带线的一端，所述第四微带线的一端连接所述第一微带线的另一端，所述第三微带线的一端连接所述第一微带线的中间，所述第三微带线的长度根据功分器的两个工作频点的比值获取，所述第二微带线的长度及第四微带线的长度均大于第三微带线的长度，第一微带线的另一端还与输入端口（I/P）连接，所述第二谐振器的相对应的微带线与第一输出端口（O/P1）连接，所述下半阻抗变换器中的第二谐振器的相对应的微带线与第二输出端口（O/P2）连接。

5.根据权利要求4所述的双频等分Gysel功分滤波器，其特征在于，所述第二微带线、第三微带线及第四微带线位于所述第一微带线的同一侧，所述第二微带线、第三微带线及第四微带线相互之间平行，所述第三微带线与第二微带线之间的间距与第四微带线之间的间距相等。

6.根据权利要求5所述的双频等分Gysel功分滤波器，其特征在于，所述短路微带组件包括短路微带线，所述短路微带线的一端与输入端口(I/P)连接，所述短路微带线的另一端通过两个过孔接地。

7.根据权利要求6所述的双频等分Gysel功分滤波器，其特征在于，所述分支微带组件包括下半网络及上半网络，所述下半网络的一端连接所述上半网络的一端，所述上半网络与所述下半网络水平对称。

8.根据权利要求7所述的双频等分Gysel功分滤波器，其特征在于，所述上半网络与所述下半网络相同，所述上半网络第一分支线及第二分支线，所述第一分支线的一端连接第一输出端口（O/P1），所述第一分支线的另一端连接所述第二分支线的一端，所述第一分支线的另一端还连接隔离元件的一端；所述下半网络中的第一分支线的一端连接所述第二输出端口（O/P2）。

9.根据权利要求8所述的双频等分Gysel功分滤波器，其特征在于，所述第二分支线包括第七微带线、第八微带线及第九微带线，所述第七微带线、第八微带线及第九微带线依次顺序连接，所述第七微带线与第九微带线分布置于所述第八微带线两侧，所述第七微带线与所述第九微带线平行。

10.根据权利要求9所述的双频等分Gysel功分滤波器，其特征在于，所述开路微带组件包括开路微带线，所述开路微带线的一端与所述下半网络和上半网络之间连接，所述开路微带线的另一端开路；所述第一分支线包括第六微带线，所述第六微带线的一端连接第一输出端口（O/P1），所述第六微带线的另一端连接所述第七微带线的一端；所述隔离元件采用的是隔离电阻。

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