CN116130915A - 一种基于ebg结构的多通带平衡滤波器及功分器 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种基于EBG的多通带平衡滤波器及功分器，属于微波技术领域，滤波器包括介质基板、顶层金属层以及底层金属层，介质基板中间设置多个耦合金属柱，每个耦合金属柱的水平两侧设置两个谐振柱；顶层金属层有差分输入端口、差分输出端口和顶层槽线，底层金属层有嵌套槽线，传输槽线以及多个金属焊盘，底层金属层和多个金属焊盘之间相连多个集总电容，多个集总电容与谐振柱构成多组EBG谐振腔。功分器在滤波器的基础上添加了分支结构，利用集总电阻设计实现了平衡‑不平衡双路功分结构。本发明结构简单，易于加工，基于EBG和微带馈线设计的多通带滤波器既能有效抑制共模信号，同时又实现多频带特性，减小了滤波器及功分器尺寸。
Description
技术领域
本发明涉及多通带平面微带滤波器和功分器的技术领域，主要基于EBG结构设计了一种多通带平衡滤波器以及功分器。
背景技术
随着无线技术的不断发展，支持各种现代业务的多功能微波系统越来越受到关注。滤波器作为现代无线通信系统中必不可少的无源元件，受到了广泛的关注。按照工艺和实现方式可以将滤波器分为多种类型，例如基片集成波导(SIW)滤波器、微带滤波器等。近年来，基于频谱资源日趋紧张和系统集成度不断提高的现状，随着通信技术的不断发展，能够提供高抗环境噪声抑制的平衡滤波器已逐渐成为许多研究工作的重点。此外，滤波功分器由于兼具功率分配和带通滤波器的频率选择性功能，也受到了越来越多的关注。
五通带滤波器及滤波功分器由于可以同时工作在五个频带范围，相较于传统的单通带滤波器而言在通带数量上具有明显优势，大大减小了系统的整体尺寸，因此受到人们的广泛关注。到目前为止，关于五通带滤波器及功分器的实现方法很少，且大多数都是采用微带线的方式实现。
平衡滤波器能够抑制共模信号，传输差模信号，现代无线通信系统中噪声信号往往以共模的形式出现，因此平衡滤波器能有效抑制现代无线通信系统中噪声信号的传播，拥有广阔的应用前景，但传统意义上的平衡滤波器往往只能工作于单个频段，难以满足现代多频段通信的需求。
截止至目前为止，关于四通带以上的平衡多通带滤波器及滤波功分器的报道很少，且大多数平衡多通带滤波器及滤波功分器的尺寸较大，难以满足现代微波技术领域对于器件小型化的需求。
综上所述可以看出，如何实现四个通带及以上的小尺寸平衡滤波器是目前有待解决的问题。
发明内容
本发明的目的是提供一种多通带平衡滤波器以及功分器的设计方法，解决现有技术中平衡滤波器尺寸较大，滤波通道少的问题。
为解决上述技术问题，本发明提供一种多通带平衡滤波器，包括：
介质基板，所述介质基板中间设置至少五个耦合金属柱，用于调节滤波器的频率和带宽，所述耦合金属柱垂直贯穿所述介质基板，在每个耦合金属柱的水平两侧对称设置两个谐振柱；
顶层金属层，所述顶层金属层设置有差分输入端口、差分输出端口和顶层槽线；
底层金属层，所述底层金属层设置有嵌套槽线，传输槽线和多个金属焊盘，底层金属层和多个金属焊盘之间通过多个集总电容相连，集总电容与多个谐振柱构成多组EBG谐振腔。
优选地，所述介质基板上蚀刻有多个金属通孔，金属通孔采用金属铜进行完全填充，用于导通所述顶层金属层和底层金属层。
优选地，所述顶层金属层关于中心平面对称，包括差分输入端口、差分输出端口和共面波导-微带线转换结构。
优选地，所述底层金属层上槽线包括传输槽线和嵌套槽线两种类型。
优选地，所述多个耦合金属柱用于控制多组EBG谐振腔的带宽和频率。
优选地，所述介质基板采用具有低损耗角的介质材料。
优选地，所述介质基板包括周期性分布的多个实心金属柱，垂直贯穿所述介质基板层，具有支持固定作用，同时构成EBG单元。
优选地，所述底层金属层上的多个金属焊盘与所述多个实心金属柱的底部相连。
优选地，所述底层金属层包括多个环形空气槽，将所述多个金属焊盘与周围的金属隔离开。
本发明还提供了一种多通带平衡滤波功分器的设计方法，包括：
介质基板，所述介质基板中间设置至少五个耦合金属柱，用于调节滤波功分器的频率和带宽，所述耦合金属柱垂直贯穿所述介质基板，在每个耦合金属柱的水平两侧对称设置两个谐振柱；
顶层金属层，所述顶层金属层设置有差分输入端口、差分输出端口、顶层槽线、分支结构和隔离电阻，分支结构与差分输出端的两端相连接，分支结构中间位置处连接有隔离电阻。
底层金属层，所述底层金属层设置有嵌套槽线，传输槽线和多个金属焊盘，底层金属层和多个金属焊盘之间通过多个集总电容相连，集总电容与多个谐振柱构成多组EBG谐振腔。
本发明所提供的一种基于EBG结构的多通带平衡滤波器，利用集总电容和谐振柱构建多组EBG谐振器，实现了多通带特性，相较于现有技术中利用微带线四分之一波长谐振器构建多通带滤波器而言，尺寸大大减小；本发明的滤波器为对称结构，适合用奇偶模分析法来对电路进行等效分析，每个通带均可独立调节，采用微带线-槽线过渡结构，使得在整个1.8GHz～4.2GHz的频率范围内滤波器均具有较高的CM抑制能力。本发明所提供的一种多通带平衡滤波器，具有结构尺寸小，多通带独立可调等特性，相较于传统的平衡滤波器具有更广的适用范围。
附图说明
为了更清楚的说明本发明实施例或现有技术的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单的介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为本发明所提供的一种平衡五通带滤波器的结构示意图；
图2为本发明所提供的一种平衡五通带滤波器的顶层金属层示意图；
图3为本发明所提供的一种平衡五通带滤波器的介质基板层示意图；
图4为本发明所提供的一种平衡五通带滤波器的底层金属层正面示意图；
图5为本发明所提供的一种平衡五通带滤波器的底层金属层背面示意图；
图6为本发明所提供的一种平衡五通带滤波器差模S参数仿真波形图；
图7为本发明所提供的一种平衡五通带滤波器共模S参数仿真波形图；
图8为本发明所提供的一种平衡五通带滤波功分器的结构示意图；
图9为本发明所提供的一种平衡五通带滤波功分器的顶层金属层示意图；
图10为本发明所提供的一种平衡五通带滤波功分器的介质基板示意图；
图11为本发明所提供的一种平衡五通带滤波功分器的底层金属层正面示意图；
图12为本发明所提供的一种平衡五通带滤波功分器的底层金属层背面示意图；
图13为本发明所提供的一种平衡五通带滤波功分器的差模S参数仿真波形图；
图14为本发明所提供的一种平衡五通带滤波功分器两不平衡输出端口S参数波形比较图；
图15为本发明所提供的一种平衡五通带滤波功分器输出端口相位差曲线；
图16为本发明所提供的一种平衡五通带滤波功分器的共模S参数仿真波形图。
标记说明：滤波器：顶层金属层1，顶层槽线2，差分输入端口3，差分输出端口4，介质基板5，缺陷柱6，耦合金属柱7-11，谐振柱12，底部金属层13，底层嵌套槽线14，传输槽线15，金属焊盘16，集总电容17；
功分器：顶层金属层18，差分输入端口19，顶层槽线20，不平衡输出端口21，分支结构22，隔离电阻23，介质基板24，接地金属柱25，缺陷柱26，耦合金属柱27～31，谐振柱32，底层金属层33，嵌套槽线34，传输槽线35，金属焊盘36，集总电容37。
具体实施方式
本发明的核心是提供一种基于EBG结构的多通带平衡滤波器，采用多组EBG谐振器来实现多个频带，且各个频带独立可调，此外实现了1.8GHz～4.2GHz频率范围内高的共模抑制特性，具有广阔的应用前景。
为了使本技术领域的人员更好地理解本发明方案，下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步的详细说明。显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
本实施例说明了一种五通带平衡滤波器，请参考图1至图5，一种五通带平衡滤波器具体结构如下：
五通带平衡滤波器结构由顶层金属层、介质基板、底层金属层组成。
如图2所示：所述顶层金属层1上设置有顶层槽线2、差分输入端口3和差分输出端口4。
所述滤波器顶层金属层1设置有差分输入及输出端口，通过U型微带线馈电，U型微带馈线的线宽可按照输入阻抗为50Ω来计算确定，所述U型微带馈线关于滤波器顶层金属层1的中心平面对称。所述顶层金属层1上还设置有耦合槽线2，差分信号通过微带线转共面波导结构输入至顶层耦合槽线2中，再通过耦合槽线2输入至EBG谐振腔实现能量耦合。
如图3所示：所述介质基板5四周均匀设置缺陷柱6，用于构造EBG单元，在介质基板5中心位置设置有五个耦合金属柱，标号分别为7、8、9、10、11；在每个耦合金属柱的两侧对称设置两个谐振柱，一共为10个谐振柱，标号为12。
所述滤波器介质基板上设置有周期性的半径大小相同的缺陷柱6以及半径大小互不相同的耦合金属柱7～11，谐振柱12与其周围相邻的耦合金属柱7～11及其它缺陷柱共同构成EBG单元,所述周期性分布的缺陷柱x轴方向上的距离Sx和y轴方向上的距离Sy可以人为手动调整，没有固定值，在案例中设置Sx＝6，Sy＝4.5，单位均为mm。
所述滤波器介质基板上周期性的刻蚀有金属通孔，金属通孔采用金属材质铜进行填充，介质基板上的金属柱按其功能可以分为三类，分别对应于构成EBG周期性缺陷的缺陷柱6，产生EBG谐振腔中等效电感L的谐振柱12以及控制两对称EBG谐振腔之间磁耦合强弱的耦合金属柱7～11。所述滤波器和滤波功分器采取二阶谐振，每个通带对应一组关于耦合金属柱对称的EBG谐振腔，EBG谐振腔之间通过磁耦合的方式实现信号的传输，磁耦合的强弱分别由与之对应的耦合金属柱半径所决定，可以通过调节相关耦合金属柱半径大小实现对应通带带宽和频率的控制。
如图4所示：所述底层金属层13设置有嵌套槽线14，用于信号传输的传输槽线15以及10个金属焊盘16，在所述滤波器底层金属层13的下表面焊接有10组集总电容17，通过集总电容17连接底层金属层13与金属焊盘16，10组集总电容与10个谐振柱构成五组EBG谐振腔。
所述滤波器的底层金属层13上设置有嵌套环型槽线结构14，利用电磁分布特点，使得嵌套环型槽线中一部分磁场因为方向相反互相抵消，减小了电磁能量的向外辐射，降低了五个通带的插入损耗，同时采用嵌套环型槽线14还避免了因槽线四分之一波长限制而导致的滤波器尺寸问题。
该基于EBG结构的多通带平衡滤波器介质材料与基板厚度不固定，可以选择任意低损耗角的介电材料和任意介质基板厚度，示例中滤波器和功分器采用Rogers4350B介质基板材料，介电常数为3.48，损耗角正切为0.004，基板厚度为1.524mm。
该基于EBG结构的多通带平衡滤波器和滤波功分器顶层金属层和底层金属层金属材质不固定，本实施例中顶层金属层和底层金属层材质设定为金属铜，设置在滤波器介质基板上的缺陷柱、耦合金属柱、谐振柱以及接地金属柱的材质必须与顶层金属层和底层金属层材质相同。
图6为示例中基于EBG结构的平衡五频带滤波器的差模S参数仿真波形图，根据仿真波形，,五个通带的频率范围分别依次为2.19GHz～2.25GHz、2.52GHz～2.59GHz、2.98GHz～3.04GHz、3.45GHz～3.55GHz、3.87GHz～3.92GHz，各个通带内的回波损耗均大于24dB，插入损耗小于-2dB。
图7为本实施例一种五通带平衡滤波器的共模S参数仿真波形图，根据仿真波形，在整个1.8GHz～4.2GHz的频率范围内，CM信号的抑制超过-40dB，表现出优异的共模抑制特性。
在本实施例中提供了一种基于EBG结构的五通带平衡滤波器，由介质基板中的谐振柱和集总电容构建EBG谐振器，相比现有技术中采用微带线结构构造谐振器来说具有更小的尺寸。所述五通带平衡滤波器适合用奇偶模分析法来对电路进行等效分析，五个通带均独立可调；并且采用微带线-槽线过渡结构，在整个1.8GHz～4.2GHz的频率范围内具有较高的CM抑制性能。本发明采用单层介质基板降低了加工难度，所得到的滤波器实现了五通带独立可控以及高的CM抑制，相对于同类型滤波器而言尺寸更小，适用范围更加广泛。
本实施例还公开了一种五通带平衡功分器，请参考图8-图12，五通带平衡功分器的具体结构如下：
五通带平衡功分器包括：顶层金属层、介质基板、底层金属层。
如图9，所述顶层金属层18上设置有平衡输入端口19，顶层槽线20、不平衡输出端口21，分支结构22和隔离电阻23，所述分支结构22与所述不平衡输出端口21的两端相连接，分支结构中间位置处连接有隔离电阻23，用于隔离输出端口之间的干扰。
所述滤波功分器顶层金属层设置有平衡输入端口及不平衡输出端口，平衡输入端口采用U型微带馈线，线宽可根据输入阻抗为50Ω计算得到，所述U型微带馈线设置在滤波功分器顶层金属层的中间位置，关于滤波功分器中心平面对称。两不平衡输出端口通过微带分支22相连，微带分支采用折叠型结构，线宽根据输出端口的阻抗匹配条件得出，折叠型微带线长度设定为中心频率为2.2GHz时的二分之一波长长度。微带分支22中间位置处设置有隔离电阻23，目的是实现不平衡输出端口之间良好的隔离，隔离电阻的大小由不平衡输出端口的线宽、微带分支线宽共同决定。
滤波功分器顶层金属层18上设置有耦合槽线20，信号通过微带线转共面波导结构输入至顶层耦合槽线中，再通过耦合槽线输入至EBG谐振腔实现能量的耦合。
如图10，所述滤波功分器中间介质基板24上设置有接地金属柱25、周期性半径大小相同的缺陷柱26以及半径大小互不相同的耦合金属柱27～31，谐振柱32与其周围相邻的耦合金属柱27～31及其它缺陷柱共同构成EBG单元，所述周期性分布的缺陷柱26在x轴方向上的距离Sx和y轴方向上的距离Sy可以人为手动调整，没有固定值。
所述滤波功分器顶层金属层上的隔离电阻23通过设置在介质基板的接地金属柱25与底层金属层相连，实现输出端口间隔离。
如图11、图12所示，所述滤波功分器底层金属层33上设置有嵌套环型槽线34、用于信号传输的传输槽线35以及金属焊盘36。所述滤波功分器底层金属层33的下表面焊接有集总电容37，通过集总电容连接底层金属层33与金属焊盘36。
所述滤波功分器顶层金属层和底层金属层材质不固定，本实施例中金属材质设定为金属铜，设置在滤波器介质基板上的缺陷柱、谐振柱、耦合金属柱以及接地金属柱的材质必须与顶层金属和底层金属材质相同。
图13为本实施例中基于EBG结构的平衡五通带滤波功分器的差模S参数仿真波形图，结果显示五个DM通带的带内最小插损依次为4.33dB、5.03dB、4.54dB、4.60dB和4.75dB(包含FPD固有的3-dB损耗)，五个通带带内回波损耗均在-16dB以下，输出端口之间的隔离度依次为13dB、24.5dB、26.52dB、26.92dB、27.26dB。
图14为两个不平衡输出端口S曲线之间的幅度比较，所述滤波功分器输出端口之间的幅度差在五个频带范围内均小于0.6dB。
图15为两个不平衡输出端口S曲线之间的相位比较，所述滤波功分器输出端口之间的相位差在五个通带范围内均相差180°左右，相位偏移不超过5°。
图16为示例中基于EBG结构的平衡五通带滤波功分器的共模S参数仿真波形图，在1.8GHz～4.2GHz的频率范围内，CM信号的抑制超过-25dB。
本说明书中各个实施例采用递进的方式描述，每个实施例重点说明的都是与其它实施例的不同之处，各个实施例之间相同或相似部分互相参见即可。对于实施例公开的装置而言，由于其与实施例公开的方法相对应，所以描述的比较简单，相关之处参见方法部分说明即可。
以上对本发明所提供的一种基于EBG结构的平衡五通带滤波器及功分器以及装置进行了详细介绍。本文中应用了具体个例对本发明的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想。应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以对本发明进行若干改进和修饰，这些改进和修饰也落入本发明权利要求的保护范围内。
Claims (10)
1.一种基于EBG的多通带平衡滤波器，其特征在于：
介质基板，所述介质基板中间设置至少五个耦合金属柱，用于调节滤波器的频率和带宽，所述耦合金属柱垂直贯穿所述介质基板，在每个耦合金属柱的水平两侧对称设置两个谐振柱；
顶层金属层，所述顶层金属层设置有差分输入端口、差分输出端口和顶层槽线；
底层金属层，所述底层金属层设置有嵌套槽线，传输槽线和多个金属焊盘，底层金属层和多个金属焊盘之间通过多个集总电容相连，集总电容与多个谐振柱构成多组EBG谐振腔。
2.如权利要求1所述的多通带平衡滤波器，其特征在于，所述介质基板上蚀刻多个金属通孔，金属通孔采用金属铜进行完全填充，用于导通所述顶层金属层和底层金属层。
3.如权利要求1所述的多通带平衡滤波器，其特征在于，所述顶层金属层关于中心平面对称，包括差分输入端口、差分输出端口和共面波导-微带线转换结构。
4.如权利要求1所述的多通带平衡滤波器，其特征在于，所述底层槽线包括传输槽线和嵌套槽线两种类型。
5.如权利要求1所述的平衡滤波器，其特征在于，所述多个耦合金属柱用于控制多组EBG谐振腔的带宽和频率。
6.如权利要求1所述的多通带平衡滤波器，其特征在于，所述介质基板采用具有低损耗角的介质材料。
7.如权利要求1所述的多通带平衡滤波器，其特征在于，所述介质基板包括周期性分布的多个实心金属柱，垂直贯穿所述介质基板，具有支持固定作用，同时构成EBG单元。
8.如权利要求7所述的多通带平衡滤波器，其特征在于，所述底层金属层上的多个金属焊盘与所述多个实心金属柱的底部相连。
9.如权利要求1所述的多通带平衡滤波器，其特征在于，所述底层金属层包括多个环形空气槽，将所述底层金属层上的多个金属焊盘与周围的金属隔离开。
10.一种多通带平衡功分器，其特征在于：
介质基板，所述介质基板中间设置至少五个耦合金属柱，用于调节滤波功分器的频率和带宽，所述耦合金属柱垂直贯穿所述介质基板，在每个耦合金属柱的水平两侧对称设置两个谐振柱；
顶层金属层，所述顶层金属层设置有差分输入端口、差分输出端口、顶层槽线、分支结构和隔离电阻，分支结构与差分输出端的两端相连接，分支结构中间位置处连接有隔离电阻；
底部金属层，所述底层金属层设置有嵌套槽线，传输槽线和多个金属焊盘，底部金属层和多个金属焊盘之间通过多个集总电容相连，集总电容与多个谐振柱构成多组EBG谐振腔。
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| CN202211700650.8A CN116130915A (zh) | 2022-12-28 | 2022-12-28 | 一种基于ebg结构的多通带平衡滤波器及功分器 |
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| CN202211700650.8A CN116130915A (zh) | 2022-12-28 | 2022-12-28 | 一种基于ebg结构的多通带平衡滤波器及功分器 |
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Cited By (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN116759779A (zh) * | 2023-08-22 | 2023-09-15 | 安徽蓝讯通信科技有限公司 | 一种5g毫米波滤波功分模块 |
-
2022
- 2022-12-28 CN CN202211700650.8A patent/CN116130915A/zh active Pending
Cited By (2)
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|---|---|---|---|---|
| CN116759779A (zh) * | 2023-08-22 | 2023-09-15 | 安徽蓝讯通信科技有限公司 | 一种5g毫米波滤波功分模块 |
| CN116759779B (zh) * | 2023-08-22 | 2023-11-10 | 安徽蓝讯通信科技有限公司 | 一种5g毫米波滤波功分模块 |
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