CN116093563A - 超宽带差共模隔离的高选择滤波单端到差分型功分器 - Google Patents

超宽带差共模隔离的高选择滤波单端到差分型功分器 Download PDF

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Abstract

本发明提供一种超宽带差共模隔离的高选择滤波单端到差分型功分器，包括：从底至上依次设置金属接地层、介质板层和金属电路层。金属电路层由四线耦合线、两个隔离电阻、短路枝节、两段开路枝节、两段滤波耦合线和两段差分输出端口之间的平衡传输线组成，以单端输入端口为对称点，整个金属电路层纵向对称。本发明提供的五端口功分器实现了单端到两个差分输出端口的等功率分配，同时该功分器电路结构简单，具备高选择性滤波功能、灵活的滤波带宽可调节设计功能、超宽带内差模/共模的深隔离性能、抑制性能以及超宽带内对差模/共模之间信号转换的高抑制性能。

Description

超宽带差共模隔离的高选择滤波单端到差分型功分器
技术领域
本发明涉及微波传输技术领域，尤其涉及一种超宽带差共模隔离的高选择滤波单端到差分型功分器。
背景技术
在微波和/或射频领域中，差分电路是一种非常常见的功能性电路。该种电路的输入、输出端均为两个信号的输入、输出，而电路的有效输入、输出信号为两个输入、输出端信号的差值。当外部环境中存在干扰，同时对两输入、输出端口加载相同的干扰信号，则二者之差会消除干扰对电路有效输入、输出信号的影响，从而实现抗共模噪声(Common-ModeNoises,CMNoises)干扰，传输差模信号(Differential-ModeSignals,DM Signals)的功能。
除此以外，功分器(PowerDivider,PD)在微波和/或射频领域中是一种至关重要的器件，且其应用场景十分广泛，包括：混频器、功率放大器、多通道通信网络以及相控阵雷达等等。在现有技术中，威尔逊功分器(WilkinsonPD)是一种最为常用的功分器结构，威尔逊功分器是典型的二进制功分器，其由两端功率分配枝节与隔离电阻组成。按照输入、输出端口的类型分类，功分器还可以分为以下四种：单端到单端(Single-Ended-to-Single-Ended,SETSE)结构、差分到单端(Balanced-to-Single-Ended,BTSE)结构、差分到差分(Balanced-to-Balanced,BTB)结构以及单端到差分(Single-Ended-to-Balanced,SETB)结构。与单端的端口结构相比，采用差分(平衡)端口的电路在设计上更加复杂，但其可以有效减小共模噪声以及电磁辐射干扰，提高电路抗干扰性以及传输效率。
到目前为止，在现有技术中，对于差分到单端BTSE结构以及差分到差分BTB结构的功分器的研究已经较为成熟，能够同时具有杰出的滤波性能以及超宽带差模/共模的隔离性能和抑制性能，而关于单端到差分结构的功分器，对其滤波性能以及超宽带差模/共模的隔离和抑制性能的研究还有较大的提升空间。
发明内容
鉴于此，本发明实施例提供一种超宽带差共模隔离的高选择滤波单端到差分型功分器，以消除或改善现有技术中存在的一个或更多个缺陷，解决现有技术中单端口到差分端口结构的功分器滤波性能、超宽带差模/共模的隔离性能以及抑制性能均较差的问题。
本发明提供一种超宽带差共模隔离的高选择滤波单端到差分型功分器，其特征在于，包括：
金属接地层；
介质板层，设置在所述金属接地层上方；
金属电路层，设置在所述介质板层上方；所述金属电路层沿水平方向依次设有单端输入端口、四线耦合线、短路枝节、以及纵向对称的第一支路和第二支路；所述四线耦合线从上至下包括依次连接的第一耦合传输线、第二耦合传输线、第三耦合传输线和第四耦合传输线；所述第二耦合传输线和所述第三耦合传输线相同侧的一端分别连接所述单端输入端口，另一端分别连接所述短路枝节；所述第一耦合传输线和所述第四耦合传输线相同侧的一端之间设有第一隔离电阻，另一端之间设有第二隔离电阻；所述第一支路沿水平方向依次设有第一开路枝节、第一滤波耦合线和第一差分输出端口；所述第一滤波耦合线从上至下包括依次连接的第一滤波传输线和第二滤波传输线；所述第一滤波传输线一端连接所述第一开路枝节，另一端连接所述第一差分输出端口；所述第二滤波传输线的一端连接所述四线耦合线的第一耦合传输线，另一端开路；所述第一差分输出端口之间设有第一平衡传输线；所述第二支路沿水平方向依次设有第二开路枝节、第二滤波耦合线和第二差分输出端口；所述第二滤波耦合线从上至下包括依次连接的第三滤波传输线和第四滤波传输线；所述第三滤波传输线一端连接所述四线耦合线的第四耦合传输线，另一端开路；所述第四滤波传输线的一端连接所述第二开路枝节，另一端连接所述第二差分输出端口；所述第二差分输出端口之间设有第二平衡传输线；所述金属电路层是以所述单端输入端口、所述四线耦合线以及所述短路枝节所在水平线为轴，所述第一支路和所述第二支路纵向对称的对称结构。
在本发明的一些实施例中，在忽略所述四线耦合线中第二耦合传输线和第三耦合传感线之间的松耦合的情况下，所述四线耦合线的结构等效为第一普通耦合线和第二普通耦合线组成的并联结构；所述第一普通耦合线由所述第一耦合传输线和所述第二耦合传输线组成；所述第二普通耦合线由所述第三耦合传输线和所述第四耦合传输线组成。
在本发明的一些实施例中，所述金属电路层对应的奇模电路沿水平方向依次设有所述第一普通耦合线和所述第一支路；所述第一普通耦合线中的第一耦合传输线一端通过所述第一隔离电阻接地，另一端并联所述第二隔离电阻和所述第二滤波传输线，所述第二隔离电阻接地；所述第一普通耦合线中的第二耦合传输线两端均接地；所述奇模电路是通过对所述金属电路层添加奇模激励信号得到的。
在本发明的一些实施例中，所述奇模电路中，所述第一隔离电阻的阻值变为在所述金属电路层中的二分之一；所述第二隔离电阻的阻值变为在所述金属电路层中的二分之一。
在本发明的一些实施例中，所述金属电路层对应的偶模电路沿水平方向依次设有所述第一普通耦合线和所述第一支路；所述第一普通耦合线中的第一耦合传输线一端开路，另一端连接所述第二滤波传输线；所述第一普通耦合线中的第二耦合传输线一端连接所述单端输入端口，另一端通过所述短路枝节接地；所述偶模电路是通过对所述金属电路层添加偶模激励信号得到的。
在本发明的一些实施例中，所述偶模电路中，所述单端输入端口、所述短路枝节的阻抗均变为在所述金属电路层中的两倍。
在本发明的一些实施例中，所述第一开路枝节和所述第二开路枝节均由第一特征传输线和第二特征传输线组成；所述第二特征传输线一端连接所述第一特征传输线，另一端开路放置。
在本发明的一些实施例中，所述四线耦合线、所述短路枝节、所述第一滤波耦合线和所述第二滤波耦合线的电长度均为90°；所述第一平衡传输线和所述第二平衡传输线的电长度均为180°。
在本发明的一些实施例中，所述单端输入端口、所述第一差分输出端口和所述第二差分输出端口的阻抗相同。
在本发明的一些实施例中，所述介质板层的介电常数为3.66，损耗常数为0.0037。
本发明的有益效果至少是：
本发明提供一种超宽带差共模隔离的高选择滤波单端到差分型功分器，该功分器从底至上依次设置金属接地层、介质板层和金属电路层。金属电路层为单面设计电路，利用四线耦合线、两个隔离电阻、短路枝节、两段开路枝节、两段滤波耦合线和两段差分输出端口之间的平衡传输线，实现了单端到两个差分输出端口的等功率分配，电路结构简单，易于实现。同时，该功分器具备高选择性滤波功能、超宽带内差模/共模的深隔离性能、抑制性能以及超宽带内对差模/共模之间信号转换的高抑制性能。
进一步的，金属电路层是以单端输入端口为对称点的纵向对称结构，为简化电路理论分析，将四线耦合线等效为两段普通耦合线并联结构，并进行奇偶模分析，设计功分器参数；将四线耦合线结构与等效后的两段普通耦合线并联结构的仿真结果进行对比，二者仿真结果高度吻合，以证实简化分析方法的可行性。
进一步的，通过调节第一开路枝节和第二开路枝节中第一特征传输线和第二特征传输线阻抗值的大小，可以实现滤波带宽范围的调节，在对本发明提供的功分器设计时，可根据特定需求和/或特定应用场景设置第一特征传输线和第二特征传输线阻抗值，具备灵活的滤波带宽可调节设计功能。
本发明的附加优点、目的，以及特征将在下面的描述中将部分地加以阐述，且将对于本领域普通技术人员在研究下文后部分地变得明显，或者可以根据本发明的实践而获知。本发明的目的和其它优点可以通过在说明书以及附图中具体指出的结构实现到并获得。
本领域技术人员将会理解的是，能够用本发明实现的目的和优点不限于以上具体所述，并且根据以下详细说明将更清楚地理解本发明能够实现的上述和其他目的。
附图说明
此处所说明的附图用来提供对本发明的进一步理解，构成本申请的一部分，并不构成对本发明的限定。在附图中：
图1(a)为本发明一实施例中超宽带差共模隔离的高选择滤波单端到差分型功分器端口网络示意图。
图1(b)为本发明一实施例中超宽带差共模隔离的高选择滤波单端到差分型功分器等效电路系统示意图。
图2为本发明一实施例中超宽带差共模隔离的高选择滤波单端到差分型功分器的电路原理图。
图3为本发明一实施例中超宽带差共模隔离的高选择滤波单端到差分型功分器的电路在奇模激励下的奇模电路原理图。
图4为本发明一实施例中超宽带差共模隔离的高选择滤波单端到差分型功分器的电路在偶模激励下的偶模电路原理图。
图5(a)和(b)为本发明一实施例中超宽带差共模隔离的高选择滤波单端到差分型功分器等效为两段普通耦合线并联结构的理想仿真结果图。
图6(a)、(b)和(c)为本发明一实施例中超宽带差共模隔离的高选择滤波单端到差分型功分器四线耦合线结构与等效为两段普通耦合线并联结构的理想仿真结果对比图。
图7为本发明一实施例中超宽带差共模隔离的高选择滤波单端到差分型功分器三种滤波带宽设计的仿真结果图。
具体实施方式
为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明白，下面结合实施方式和附图，对本发明做进一步详细说明。在此，本发明的示意性实施方式及其说明用于解释本发明，但并不作为对本发明的限定。
在此，还需要说明的是，为了避免因不必要的细节而模糊了本发明，在附图中仅仅示出了与根据本发明的方案密切相关的结构和/或处理步骤，而省略了与本发明关系不大的其他细节。
应该强调，术语“包括/包含”在本文使用时指特征、要素、步骤或组件的存在，但并不排除一个或更多个其它特征、要素、步骤或组件的存在或附加。
在此，还需要说明的是，如果没有特殊说明，术语“连接”在本文不仅可以指直接连接，也可以表示存在中间物的间接连接。
在下文中，将参考附图描述本发明的实施例。在附图中，相同的附图标记代表相同或类似的部件，或者相同或类似的步骤。
为了解决现有技术中单端口到差分端口结构的功分器滤波性能、超宽带差模/共模的隔离性能以及抑制性能均较差的问题，本发明提供一种超宽带差共模隔离的高选择滤波单端到差分型功分器。图1(a)展示了基于本发明超宽带差共模隔离的高选择滤波单端到差分型功分器的端口网络示意图，包括一个输入端口、两个输出端口和本发明提供的使用四线耦合线的滤波单端到差分型功分器。其中，输入端口为P1单端输入端口1，输出端口分别为第一差分输出端口，即差分(平衡)输出端口A和第二差分输出端口，即差分(平衡)输出端口B，其中，差分(平衡)输出端口A由P2(+)端口和P3(-)端口组成，差分(平衡)输出端口B由P4(+)端口和P5(-)端口组成。
超宽带差共模隔离的高选择滤波单端到差分型功分器包括：
金属接地层。
介质板层，设置在金属接地层上方。
金属电路层，设置在介质板层上方。如图2所示，金属电路层沿水平方向依次设有单端输入端口、四线耦合线、短路枝节、以及纵向对称的第一支路和第二支路。四线耦合线从上至下包括依次连接的第一耦合传输线、第二耦合传输线、第三耦合传输线和第四耦合传输线，第二耦合传输线和第三耦合传输线相同侧的一端分别连接单端输入端口，另一端分别连接短路枝节；第一耦合传输线和第四耦合传输线相同侧的一端之间设有第一隔离电阻，另一端之间设有第二隔离电阻。第一支路沿水平方向依次设有第一开路枝节、第一滤波耦合线和第一差分输出端口。第一滤波耦合线从上至下包括依次连接的第一滤波传输线和第二滤波传输线，第一滤波传输线一端连接第一开路枝节，另一端连接第一差分输出端口，第二滤波传输线一端连接四线耦合线的第一耦合传输线，另一端开路。第一差分输出端口之间设有第一平衡传输线。第二支路沿水平方向依次设有第二开路枝节、第二滤波耦合线和第二差分输出端口。第二滤波耦合线从上至下包括依次连接的第三滤波传输线和第四滤波传输线；第三滤波传输线一端连接四线耦合线的第四耦合传输线，另一端开路；第四滤波传输线的一端连接第二开路枝节，另一端连接第二差分输出端口。第二差分输出端口之间设有第二平衡传输线。
其中，金属电路层是以单端输入端口、四线耦合线以及短路枝节所在水平线为轴，第一支路和第二支路纵向对称的对称结构。
在一些实施例中，介质板层采用RogersRO4350B介质板，其厚度为0.762mm，介电常数为εr＝3.66，损耗常数为tanδ＝0.0037。
在一些实施例中，金属接地层和金属电路层的厚度均为0.035mm。
在金属电路层中，如图2所示，展示了超宽带差共模隔离的高选择滤波单端到差分型功分器的电路原理图。其中，第一开路枝节和第二开路枝节均由第一特征传输线和第二特征传输线组成。如图1(b)所示，本发明功分器的电路可以实现由一个威尔逊功分器、两个带通滤波器以及两个巴伦串联形成的复杂网络的性能。
在一些实施例中，四线耦合线、短路枝节、第一特征传输线、第二特征传输线、第一滤波耦合线和第二滤波耦合线的电长度均设置为θ＝90°，第一平衡传输线和第二平衡传输线的电长度均设置为2θ＝180°。单端输入端口P1、第一差分输出端口P2和P3、第二差分输出端口P4和P5的阻抗均设置为Z0，短路枝节的阻抗设置为Z3，第一特征传输线的阻抗设置为Z4，第二特征传输线的阻抗设置为Z5，第一平衡传输线和第二平衡传输线的阻抗均设置为Z6。第一隔离电阻的阻值设置为R1，第二隔离电阻的阻值设置为R2。
其中，第一隔离电阻和第二隔离电阻均设置在四线耦合线的第一耦合传输线和第四耦合传输线之间，同时，第一耦合传输线和第四耦合传输线各自连接第一支路和第二支路，即两个差分输出端口，因此，设置第一隔离电阻和第二隔离电阻用于保证两个输出信号之间不会相互干扰。
如图2所示，本发明电路是以单端输入端口、四线耦合线以及短路枝节所在水平线为轴，第一支路和第二支路纵向对称的对称结构，因此可以采用奇偶模阻抗分析法进行理论分析，计算并得到该电路中各阻抗参数的关系式，以实现功分器设计。
在一些实施例中，考虑到本发明功分器采用的四线耦合线结构难以按照奇偶模分析法进行理论分析，因此，忽略四线耦合线结构中第二耦合传输线和第三耦合传感线之间的松耦合，由此，可以将四线耦合线结构等效为两段普通耦合线的并联结构，其中，两段普通耦合线分别为上文提及的第一普通耦合线和第二普通耦合线。
在一些实施例中，四线耦合线中各传输线之间的缝隙均相等，记作s。
对等效后的电路采用奇偶模阻抗分析法进行理论分析。
首先，对金属电路层添加奇模激励信号，对相应的奇模电路进行分析。如图3所示，奇模电路是在原金属电路层水平方向上以单端输入端口P1为对称点进行电路剖分切割得到，并在切割点处全部接地。具体的，奇模电路沿水平方向依次设有第一普通耦合线和第一支路。其中，第一普通耦合线中的第一耦合传输线一端通过第一隔离电阻接地，另一端并联第二隔离电阻和第二滤波传输线，第二隔离电阻接地；第一普通耦合线中的第二耦合传输线两端均接地。
此时，单端输入端口P1接地，第一隔离电阻和第二隔离电阻的阻值均变为原金属电路层中阻值的二分之一，即第一隔离电阻的阻值变为
Figure BDA0003984384940000071
第二隔离电阻的阻值变为
Figure BDA0003984384940000072
在一些实施例中，第一普通耦合线和第二普通耦合线的偶模阻抗均设置为Ze1，第一普通耦合线和第二普通耦合线的奇模阻抗均设置为Zo1；第一滤波耦合线和第二滤波耦合线的偶模阻抗均设置为Ze2，第一滤波耦合线和第二滤波耦合线的奇模阻抗均设置为Zo2。
经过预设理论推导与阻抗计算，当单端输入端口P1和第一差分输出端口P2和P3均满足端口阻抗匹配条件时，得到此时奇模电路满足的阻抗参数关系式，如公式(1)所示：
Figure BDA0003984384940000073
公式(1)中，R1表示第一隔离电阻的阻值；R2表示第二隔离电阻的阻值；Ze1表示第一普通耦合线的偶模阻抗；Zo1表示第一普通耦合线的奇模阻抗；Ze2表示第一滤波耦合线的偶模阻抗；Zo2表示第一滤波耦合线的奇模阻抗；Z0表示单端输入端口P1的阻抗。
然后，再对金属电路层添加偶模激励信号，对相应的偶模电路进行分析。如图4所示，偶模电路是在原金属电路层水平方向上以端口P1为对称点进行电路剖分切割得到，在所有切割点处，电路阻抗变为原金属电路层中的两倍并开路放置。具体的，偶模电路沿水平方向依次设有第一普通耦合线和第一支路。其中，第一普通耦合线中的第一耦合传输线一端开路，另一端连接第二滤波传输线；第一普通耦合线中的第二耦合传输线一端连接单端输入端口，另一端通过短路枝节接地。
此时，单端输入端口P1的阻抗变为原金属电路层中的两倍，即2Z0；短路枝节的阻抗也变为原金属电路层中的两倍，即2Z3。
经过预设理论推导与阻抗计算，当单端输入端口P1和第一差分输出端口P2和P3均满足端口阻抗匹配条件时，得到此时奇模电路满足的阻抗参数关系式，如公式(2)所示：
Figure BDA0003984384940000081
公式(2)中，Ze1表示第一普通耦合线的偶模阻抗；Zo1表示第一普通耦合线的奇模阻抗；Ze2表示第一滤波耦合线的偶模阻抗；Zo2表示第一滤波耦合线的奇模阻抗。
在一些实施例中，根据公式(1)和公式(2)得到的阻抗参数关系式，设置金属电路层中的奇偶模特征阻抗与隔离电阻值。具体的，第一普通耦合线和第二普通耦合线的偶模阻抗Ze1＝117Ω，第一普通耦合线和第二普通耦合线的奇模阻抗Zo1＝46Ω；第一滤波耦合线和第二滤波耦合线的偶模阻Ze2＝92Ω，第一滤波耦合线和第二滤波耦合线的奇模阻抗Zo2＝56.5Ω；第一隔离电阻的阻值R1＝240Ω，第二隔离电阻的阻值R2＝39Ω。金属电路层的中心频点设置为f0＝3.5GHz。
根据公式(1)和公式(2)得到的阻抗参数关系式可知，短路枝节、第一开路枝节、第二开路枝节、第一平衡传输线以及第二平衡传输线的阻抗值不设限制。
在一些实施例中，短路枝节的阻抗Z3＝54Ω；第一开路枝节和第二开路枝节中的第一特征传输线的阻抗Z4＝58Ω、第二特征传输线的阻抗Z5＝44Ω；第一平衡传输线和第二平衡传输线的阻抗Z6＝20Ω。
基于上述设置的各阻抗值，对将四线耦合线等效为两个普通耦合线并联结构的电路进行仿真，理想仿真结果图如图5所示，横轴表示为频率，单位为GHz，纵轴表示S参数，单位为分贝(dB)。示例性的，横轴的范围为0～8GHz，即全频带超宽带的范围为0～8GHz，并对应于0～200％；纵轴的范围为-70～0dB。
在图5中，S参数包括：单端输入端口的输入回波损耗|Sss11|、单端输入端口到第一差分输出端口信号分配|SdsA1|、单端输入端口到第二差分输出端口信号分配|SdsB1|、第一差分输出端口输出信号隔离|SddAA|、第一差分输出端口和第二差分输出端口之间的差模抑制|SddBA|、单端输入端口与第一差分输出端口之间的共模噪声传输抑制|ScsA1|、单端输入端口与第二差分输出端口之间的共模噪声传输抑制|ScsB1|、第一差分输出端口内部差模与共模信号模式的转换抑制|ScdAA|、第一差分输出端口和第二差分输出端口之间差模与共模信号模式的转换抑制|ScdBA|、第一差分输出端口内部的共模噪声抑制|SccAA|、第一差分输出端口和第二差分输出端口之间的共模噪声抑制|SccBA|。
如图5(a)所示，在中心频点f0＝3.5GHz处，单端输入端口到第一差分输出端口信号分配|SdsA1|、单端输入端口到第二差分输出端口信号分配|SdsB1|均为3.01dB，实现信号在输出端口的等功率分配。其中，|SdsB1|和|SdsB1|的曲线重合。
如图5(a)所示，单端输入端口到第一差分输出端口信号分配|SdsA1|、单端输入端口到第二差分输出端口信号分配|SdsB1|在6dB处，带宽约为20％，实现了高选择性滤波功能。
如图5(a)和(b)所示，在21.58dB处，第一差分输出端口内部差模与共模信号模式的转换抑制|ScdAA|的带宽约为102.3％；第一差分输出端口和第二差分输出端口之间差模与共模信号模式的转换抑制|ScdBA|在全频带超带宽范围内(200％)均超过40dB；第一差分输出端口和第二差分输出端口之间的差模抑制|SddBA|在全频带超带宽范围内(200％)均超过18.91dB，具备差模/共模转换的宽带深抑制性能。
如图5(b)所示，第一差分输出端口和第二差分输出端口之间差模与共模信号模式的转换抑制|ScdBA|、单端输入端口与第一差分输出端口之间的共模噪声传输抑制|ScsA1|、单端输入端口与第二差分输出端口之间的共模噪声传输抑制|ScsB1|在全频带超带宽范围内(200％)均超过29.56dB，具备超宽带共模传输深抑制。其中，|ScsA1|和|ScsB1|的曲线重合。
如图5(b)所示，第一差分输出端口内部的共模噪声抑制|SccAA|在全频带超带宽范围内(200％)被全反射，完全消除了噪声的传输影响。
理想仿真结果中，单端输入端口到第一差分输出端口信号分配|SdsA1|和单端输入端口到第二差分输出端口信号分配|SdsB1|的传输零点的数值会对滤波性能及带宽产生直接影响，将|SdsA1|和|SdsB1|中除0GHz与2f0处的传输零点频率分别记作fz2和fz3，计算式如公式(3)所示：
Figure BDA0003984384940000101
公式(3)中，fz2和fz3表示|SdsA1|和|SdsB1|中除0GHz与2f0处的传输零点频率；f0表示中心频点；Z4表示第一特征传输线的阻抗；Z5表示第二特征传输线的阻抗。
在上述分析中，忽略四线耦合线中第二耦合传输线和第三耦合传感线之间的松耦合，将四线耦合线等效为两个普通耦合线的并联结构，并对等效后的电路进行奇偶模分析，并对理想仿真图进行性能分析。为了令本发明提供的功分器回归四线耦合线结构，重新考虑松耦合的影响，如图6所示，同时对四线耦合线结构以及等效后的普通耦合线并联结构进行仿真。根据图6可以直观的发现，两种结构的S参数性能吻合度极高，证实了在本发明提供的功分器电路中将四线耦合线等效为两个普通耦合线并联的简化分析方法的可行性。
在一些实施例中，通过调节第一特征传输线的阻抗Z4和第二特征传输线的阻抗Z5，可以对滤波带宽进行调节。
具体的，如图7所示，当第一特征传输线的阻抗Z4增大、第二特征传输线的阻抗Z5减小时，传输零点fz2和fz3在频带内外移，即本发明功分器的滤波带宽变宽；当第一特征传输线的阻抗Z4减小、第二特征传输线的阻抗Z5增大时，传输零点fz2和fz3在频带内内移，即本发明功分器的滤波带宽变窄。
在一些实施例中，对第一特征传输线的阻抗Z4和第二特征传输线的阻抗Z5进行设计。
设计Ⅰ中，第一特征传输线的阻抗Z4＝58Ω，第二特征传输线的阻抗Z5＝44Ω，此时功分器的滤波带宽处于中等水平，根据公式(3)，计算得到fz2＝1.6GHz和fz3＝5.4GHz。单端输入端口的输入回波损耗|Sss11|在15dB处的带宽为11.2％；单端输入端口到第一差分输出端口信号分配|SdsA1|和单端输入端口到第二差分输出端口信号分配|SdsB1|在6dB处的带宽为21.7％；第一差分输出端口输出信号隔离|SddAA|在15dB处的带宽为12.6％；第一差分输出端口内部差模与共模信号模式的转换抑制|ScdAA|在15dB处的带宽为120.6％。
设计II中，第一特征传输线的阻抗Z4＝52Ω，第二特征传输线的阻抗Z5＝90Ω，此时功分器的滤波带宽变窄，根据公式(3)，计算得到fz2＝2.05GHz和fz3＝4.95GHz。单端输入端口的输入回波损耗|Sss11|在15dB处的带宽为6％；单端输入端口到第一差分输出端口信号分配|SdsA1|和单端输入端口到第二差分输出端口信号分配|SdsB1|在6dB处的带宽为15.7％；第一差分输出端口输出信号隔离|SddAA|在15dB处的带宽为6％；第一差分输出端口内部差模与共模信号模式的转换抑制|ScdAA|在15dB处的带宽为108.7％。
设计Ⅲ中，第一特征传输线的阻抗Z4＝97.5Ω，第二特征传输线的阻抗Z5＝42.5Ω，此时功分器的滤波带宽变宽，根据公式(3)，计算得到fz2＝1.3GHz和fz3＝5.7GHz。单端输入端口的输入回波损耗|Sss11|在15dB处的带宽为18.1％；单端输入端口到第一差分输出端口信号分配|SdsA1|和单端输入端口到第二差分输出端口信号分配|SdsB1|在6dB处的带宽为32.5％；第一差分输出端口输出信号隔离|SddAA|在15dB处的带宽为22.9％；第一差分输出端口内部差模与共模信号模式的转换抑制|ScdAA|在15dB处的带宽为129.7％。
由此，在对本发明提供的功分器设计时，可根据特定需求和/或特定应用场景设置第一特征传输线和第二特征传输线阻抗值，以得到满足特定需求和/或功能的滤波带宽范围，具备灵活的滤波带宽可调节设计功能。
根据上述分析与设计，得到本发明提供的超宽带差共模隔离的高选择滤波单端到差分型功分器，该功分器可广泛应用于天线馈线阵列、高选择性微波/射频系统以及多通道通信网络中，降低差模噪声和电磁辐射干扰，令系统具有更高的信号传输效率。
综上所述，本发明提供一种超宽带差共模隔离的高选择滤波单端到差分型功分器，该功分器从底至上依次设置金属接地层、介质板层和金属电路层。金属电路层为单面设计电路，利用四线耦合线、两个隔离电阻、短路枝节、两段开路枝节、两段滤波耦合线和两段差分输出端口之间的平衡传输线，实现了单端到两个差分输出端口的等功率分配，电路结构简单，易于实现。同时，该功分器具备高选择性滤波功能、超宽带内差模/共模的深隔离性能、抑制性能以及超宽带内对差模/共模之间信号转换的高抑制性能。
进一步的，金属电路层是以单端输入端口为对称点的纵向对称结构，为简化电路理论分析，将四线耦合线等效为两段普通耦合线并联结构，并进行奇偶模分析，设计功分器参数；将四线耦合线结构与等效后的两段普通耦合线并联结构的仿真结果进行对比，二者仿真结果高度吻合，以证实简化分析方法的可行性。
进一步的，通过调节第一开路枝节和第二开路枝节中第一特征传输线和第二特征传输线阻抗值的大小，可以实现滤波带宽范围的调节，在对本发明提供的功分器设计时，可根据特定需求和/或特定应用场景设置第一特征传输线和第二特征传输线阻抗值，具备灵活的滤波带宽可调节设计功能。
本领域普通技术人员应该可以明白，结合本文中所公开的实施方式描述的各示例性的组成部分、系统和方法，能够以硬件、软件或者二者的结合来实现。具体究竟以硬件还是软件方式来执行，取决于技术方案的特定应用和设计约束条件。专业技术人员可以对每个特定的应用来使用不同方法来实现所描述的功能，但是这种实现不应认为超出本发明的范围。当以硬件方式实现时，其可以例如是电子电路、专用集成电路(ASIC)、适当的固件、插件、功能卡等等。当以软件方式实现时，本发明的元素是被用于执行所需任务的程序或者代码段。程序或者代码段可以存储在机器可读介质中，或者通过载波中携带的数据信号在传输介质或者通信链路上传送。
需要明确的是，本发明并不局限于上文所描述并在图中示出的特定配置和处理。为了简明起见，这里省略了对已知方法的详细描述。在上述实施例中，描述和示出了若干具体的步骤作为示例。但是，本发明的方法过程并不限于所描述和示出的具体步骤，本领域的技术人员可以在领会本发明的精神后，作出各种改变、修改和添加，或者改变步骤之间的顺序。
本发明中，针对一个实施方式描述和/或例示的特征，可以在一个或更多个其它实施方式中以相同方式或以类似方式使用，和/或与其他实施方式的特征相结合或代替其他实施方式的特征。
以上所述仅为本发明的优选实施例，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明实施例可以有各种更改和变化。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)

1.一种超宽带差共模隔离的高选择滤波单端到差分型功分器，其特征在于，包括：
金属接地层；
介质板层，设置在所述金属接地层上方；
金属电路层，设置在所述介质板层上方；所述金属电路层沿水平方向依次设有单端输入端口、四线耦合线、短路枝节、以及纵向对称的第一支路和第二支路；所述四线耦合线从上至下包括依次连接的第一耦合传输线、第二耦合传输线、第三耦合传输线和第四耦合传输线；所述第二耦合传输线和所述第三耦合传输线相同侧的一端分别连接所述单端输入端口，另一端分别连接所述短路枝节；所述第一耦合传输线和所述第四耦合传输线相同侧的一端之间设有第一隔离电阻，另一端之间设有第二隔离电阻；所述第一支路沿水平方向依次设有第一开路枝节、第一滤波耦合线和第一差分输出端口；所述第一滤波耦合线从上至下包括依次连接的第一滤波传输线和第二滤波传输线；所述第一滤波传输线一端连接所述第一开路枝节，另一端连接所述第一差分输出端口；所述第二滤波传输线的一端连接所述四线耦合线的第一耦合传输线，另一端开路；所述第一差分输出端口之间设有第一平衡传输线；所述第二支路沿水平方向依次设有第二开路枝节、第二滤波耦合线和第二差分输出端口；所述第二滤波耦合线从上至下包括依次连接的第三滤波传输线和第四滤波传输线；所述第三滤波传输线一端连接所述四线耦合线的第四耦合传输线，另一端开路；所述第四滤波传输线的一端连接所述第二开路枝节，另一端连接所述第二差分输出端口；所述第二差分输出端口之间设有第二平衡传输线；所述金属电路层是以所述单端输入端口、所述四线耦合线以及所述短路枝节所在水平线为轴，所述第一支路和所述第二支路纵向对称的对称结构。
2.根据权利要求1所述的超宽带差共模隔离的高选择滤波单端到差分型功分器，其特征在于，在忽略所述四线耦合线中第二耦合传输线和第三耦合传感线之间的松耦合的情况下，所述四线耦合线的结构等效为第一普通耦合线和第二普通耦合线组成的并联结构；所述第一普通耦合线由所述第一耦合传输线和所述第二耦合传输线组成；所述第二普通耦合线由所述第三耦合传输线和所述第四耦合传输线组成。
3.根据权利要求2所述的超宽带差共模隔离的高选择滤波单端到差分型功分器，其特征在于，所述金属电路层对应的奇模电路沿水平方向依次设有所述第一普通耦合线和所述第一支路；所述第一普通耦合线中的第一耦合传输线一端通过所述第一隔离电阻接地，另一端并联所述第二隔离电阻和所述第二滤波传输线，所述第二隔离电阻接地；所述第一普通耦合线中的第二耦合传输线两端均接地；所述奇模电路是通过对所述金属电路层添加奇模激励信号得到的。
4.根据权利要求3所述的超宽带差共模隔离的高选择滤波单端到差分型功分器，其特征在于，所述奇模电路中，所述第一隔离电阻的阻值变为在所述金属电路层中的二分之一；所述第二隔离电阻的阻值变为在所述金属电路层中的二分之一。
5.根据权利要求2所述的超宽带差共模隔离的高选择滤波单端到差分型功分器，其特征在于，所述金属电路层对应的偶模电路沿水平方向依次设有所述第一普通耦合线和所述第一支路；所述第一普通耦合线中的第一耦合传输线一端开路，另一端连接所述第二滤波传输线；所述第一普通耦合线中的第二耦合传输线一端连接所述单端输入端口，另一端通过所述短路枝节接地；所述偶模电路是通过对所述金属电路层添加偶模激励信号得到的。
6.根据权利要求5所述的超宽带差共模隔离的高选择滤波单端到差分型功分器，其特征在于，所述偶模电路中，所述单端输入端口、所述短路枝节的阻抗均变为在所述金属电路层中的两倍。
7.根据权利要求1所述的超宽带差共模隔离的高选择滤波单端到差分型功分器，其特征在于，所述第一开路枝节和所述第二开路枝节均由第一特征传输线和第二特征传输线组成；所述第二特征传输线一端连接所述第一特征传输线，另一端开路放置。
8.根据权利要求1所述的超宽带差共模隔离的高选择滤波单端到差分型功分器，其特征在于，所述四线耦合线、所述短路枝节、所述第一滤波耦合线和所述第二滤波耦合线的电长度均为90°；所述第一平衡传输线和所述第二平衡传输线的电长度均为180°。
9.根据权利要求1所述的超宽带差共模隔离的高选择滤波单端到差分型功分器，其特征在于，所述单端输入端口、所述第一差分输出端口和所述第二差分输出端口的阻抗相同。
10.根据权利要求1所述的超宽带差共模隔离的高选择滤波单端到差分型功分器，其特征在于，所述介质板层的介电常数为3.66，损耗常数为0.0037。
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