CN116387786A - 一种宽频带可调谐的平面滤波功率分配器 - Google Patents

一种宽频带可调谐的平面滤波功率分配器 Download PDF

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郝宏刚
徐欢
王韫睿
凌沁璇
李保
黄文�
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    • H01P5/12—Coupling devices having more than two ports
    • H01P5/16—Conjugate devices, i.e. devices having at least one port decoupled from one other port

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Abstract

本发明涉及一种宽频带可调谐的平面滤波功率分配器，属于射频与微波器件领域。该器件包括微带线结构、介质基板以及金属地。微带线结构和金属地分别设置在介质基板的两各表面。微带线结构包括第一端口、第二端口、第三端口、第一支路微带线结构以及第二支路微带线结构，其中第一端口分别与第一支路微带线结构和第二支路微带线结构连接；第二端口与第一支路微带线结构连接；第三端口与第二支路微带线结构连接。该平面滤波功率分配器还包括并联电路结构，该并联电路结构与微带线结构连接。本发明具有成本低、应用性广、功率损耗低等优点，同时本发明具有较宽的频率调谐带宽。

Description

一种宽频带可调谐的平面滤波功率分配器
技术领域
本发明属于射频与微波器件领域，涉及一种宽频带可调谐的平面滤波功率分配器。
背景技术
近年来，射频微波技术的研究朝着集成化和多功能化方向飞速发展，研究者们越来越重视拥有多功能集成化的组件或电路。滤波器和功分器作为两个核心无源微波器件，其中功率分配器具有分配/合成信号的功能，在很多天线阵列和平衡电路中都要用到，是一个基础的微波电路；而带通滤波电路可以分离出所需频带的功能，也是无线通信系统中另一种不可或缺的组件。两者集成设计，不仅能降低射频组件电路的功率损耗，还能减小整体器件尺寸，目前，许多设计已经实现了滤波功分器的低损耗、高频率选择性、宽阻带抑制和宽带隔离等的良好性能，然而，目前没有针对滤波功分器频率可调谐的设计。
发明内容
有鉴于此，本发明的目的在于提供一种宽频带可调谐的平面滤波功率分配器，在将功分器与滤波器集成设计的基础上，使得器件的中心频率能在较宽范围内灵活调谐且达到高性能。
为达到上述目的，本发明提供如下技术方案：
一种宽频带可调谐的平面滤波功率分配器，其包括微带线结构、介质基板以及金属地；其中微带线结构和金属地分别设置在介质基板的两面。
微带线结构包括第一端口1、第二端口2、第三端口3、第一支路微带线结构以及第二支路微带线结构.
所述第一端口1分别与第一支路微带线结构和第二支路微带线结构连接；第二端口2与第一支路微带线结构连接；第三端口3与第二支路微带线结构连接。
该平面滤波功率分配器还包括并联电路结构，该并联电路结构与所述微带线结构连接。
可选地，第一支路微带线结构包括第一阶跃阻抗谐振器Ⅰ、第一开路枝节线Ⅰ403、第四微带线Ⅰ404、第一耦合线Ⅰ405、第二阶跃阻抗谐振器Ⅰ、第三阶跃阻抗谐振器Ⅰ、第十微带线Ⅰ410、第二耦合线Ⅰ411以及第十二微带线Ⅰ412。
第一阶跃阻抗谐振器Ⅰ、第一开路枝节线Ⅰ403、第四微带线Ⅰ404、第一耦合线Ⅰ405、第十微带线Ⅰ410、第二耦合线Ⅰ411以及第十二微带线Ⅰ412依次连接。第二阶跃阻抗谐振器Ⅰ和第三阶跃阻抗谐振器Ⅰ均连接至第一耦合线Ⅰ405和第十微带线Ⅰ410的连接点处。
第一阶跃阻抗谐振器Ⅰ与第一端口1连接；第十二微带线Ⅰ412与第二端口2连接；所述第一耦合线Ⅰ405与并联电路结构连接。
可选地，第一阶跃阻抗谐振器Ⅰ包括第一微带线Ⅰ401和第二微带线Ⅰ402。第一微带线Ⅰ401一端与第一端口1连接，另一端与第二微带线Ⅰ402连接，第二微带线Ⅰ402另一端与第一开路枝节线Ⅰ403连接；第一微带线Ⅰ401还与并联电路结构连接。
第二阶跃阻抗谐振器Ⅰ包括第六微带线Ⅰ406和第七微带线Ⅰ407；所述第六微带线Ⅰ406一端连接至第一耦合线Ⅰ405和第十微带线Ⅰ410的连接点处，另一端与第七微带线Ⅰ407连接，第七微带线Ⅰ407另一端与并联电路结构连接。
第三阶跃阻抗谐振器Ⅰ包括第八微带线Ⅰ408和第九微带线Ⅰ409；第八微带线Ⅰ408一端连接至第一耦合线Ⅰ405和第十微带线Ⅰ410的连接点处，另一端与第九微带线Ⅰ409连接，第九微带线Ⅰ409另一端与并联电路结构连接。
可选地，第二支路微带线结构包括第一阶跃阻抗谐振器Ⅱ、第一开路枝节线Ⅱ503、第四微带线Ⅱ504、第一耦合线Ⅱ505、第二阶跃阻抗谐振器Ⅱ、第三阶跃阻抗谐振器Ⅱ、第十微带线Ⅱ510、第二耦合线511以及第十二微带线512。
第一阶跃阻抗谐振器Ⅱ、第一开路枝节线Ⅱ503、第四微带线Ⅱ504、第一耦合线Ⅱ505、第十微带线Ⅱ510、第二耦合线Ⅱ511以及第十二微带线Ⅱ512依次连接。第二阶跃阻抗谐振器Ⅱ和第三阶跃阻抗谐振器Ⅱ均连接至第一耦合线Ⅱ505和第十微带线Ⅱ510的连接点处。
第一阶跃阻抗谐振器Ⅱ与第一端口1连接；第十二微带线Ⅱ512与第二端口2连接；第一耦合线Ⅱ505与并联电路结构连接。
可选地，第一阶跃阻抗谐振器Ⅱ包括第一微带线Ⅱ501和第二微带线Ⅱ502。第一微带线Ⅱ501一端与第一端口1连接，另一端与第二微带线Ⅱ502连接，第二微带线Ⅱ502另一端与第一开路枝节线Ⅱ503连接；第一微带线Ⅱ501还与并联电路结构连接。
第二阶跃阻抗谐振器Ⅱ包括第六微带线Ⅱ506和第七微带线Ⅱ507。第六微带线Ⅱ506一端连接至第一耦合线Ⅱ505和第十微带线Ⅱ510的连接点处，另一端与第七微带线Ⅱ507连接，第七微带线Ⅱ507另一端与并联电路结构连接。
第三阶跃阻抗谐振器Ⅱ包括第八微带线Ⅱ508和第九微带线Ⅱ509。第八微带线Ⅱ508一端连接至第一耦合线Ⅱ505和第十微带线Ⅱ510的连接点处，另一端与第九微带线Ⅱ509连接，第九微带线Ⅱ509另一端与并联电路结构连接。
可选地，并联电路结构共有8组，8组并联电路结构在结构上一致。并联电路结构包括电容、电阻、变容二极管、第一方形微带线、第二方形微带线以及金属过孔方形微带线。电容和电阻的一端以及变容二极管的负极均与第一方形微带线连接；电容的另一端与微带线结构连接；电阻的另一端通过第二方形微带线和导线连接外设电压源；变容二极管的正极与金属过孔方形微带线连接。其中电容为贴片电容，电阻为贴片电阻。
可选地，第一微带线Ⅰ401、第一微带线Ⅱ501、第二微带线Ⅰ402、第二微带线Ⅱ502、第十微带线Ⅰ410、第十微带线Ⅱ510、第十二微带线Ⅰ412和第十二微带线Ⅱ512均为弯折结构。
可选地，第一支路微带线结构和第二支路微带线结构之间设有第一隔离电阻6和第二隔离电阻7，第一隔离电阻6和第二隔离电阻7为并联关系。且两隔离电阻均为贴片电阻。
可选地，第一支路微带线结构和第二支路微带线结构关于第一端口1对称设置。
本发明的有益效果在于：本发明的中心频率在1.6GHz到2.7GHz范围内可调，调谐带宽达51.2％；同时，本发明的每个中心点的输入回波损耗均优于20dB，插入损耗均优于2.9dB(不包含3dB分配损耗)，中心点的输出匹配均优于17dB，输出端口间隔离度均优于19dB；实现了较宽的频率调谐带宽，并且性能优异。此外，本发明通过将滤波器和功分器结合设置在同一介质基板上，具有成本低、应用性广、功率损耗低的优点。
本发明的其他优点、目标和特征在某种程度上将在随后的说明书中进行阐述，并且在某种程度上，基于对下文的考察研究对本领域技术人员而言将是显而易见的，或者可以从本发明的实践中得到教导。本发明的目标和其他优点可以通过下面的说明书来实现和获得。
附图说明
为了使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图对本发明作优选的详细描述，其中：
图1为本发明滤波功分器的平面结构示意图；
图2为本发明滤波功分器的立体结构示意图；
图3为本发明滤波功分器的尺寸示意图；
图4为本发明S11、S21和S31的ADS仿真结果；
图5为本发明S22、S33和S23的ADS仿真结果；
图6为本发明S11参数实测与仿真结果对比图；
图7为本发明S21参数实测与仿真结果对比图；
图8为本发明S22参数实测与仿真结果对比图；
图9为本发明S23参数实测与仿真结果对比图。
附图标记：1-第一端口；2-第二端口；3-第三端口；6-第一隔离电阻；7-第二隔离电阻；
401-第一微带线Ⅰ；402-第二微带线Ⅰ；403-第三微带线Ⅰ；404-第四微带线Ⅰ；405-第一耦合线Ⅰ；406-第六微带线Ⅰ；407-第七微带线Ⅰ；408-第八微带线Ⅰ；409-第九微带线Ⅰ；410-第十微带线Ⅰ；411-第二耦合线Ⅰ；412-第十二微带线Ⅰ；
501-第一微带线Ⅱ；502-第二微带线Ⅱ；503-第三微带线Ⅱ；504-第四微带线Ⅱ；505-第一耦合线Ⅱ；506-第六微带线Ⅱ；507-第七微带线Ⅱ；508-第八微带线Ⅱ；509-第九微带线Ⅱ；510-第十微带线Ⅱ；511-第二耦合线Ⅱ；512-第十二微带线Ⅱ。
具体实施方式
以下通过特定的具体实例说明本发明的实施方式，本领域技术人员可由本说明书所揭露的内容轻易地了解本发明的其他优点与功效。本发明还可以通过另外不同的具体实施方式加以实施或应用，本说明书中的各项细节也可以基于不同观点与应用，在没有背离本发明的精神下进行各种修饰或改变。需要说明的是，以下实施例中所提供的图示仅以示意方式说明本发明的基本构想，在不冲突的情况下，以下实施例及实施例中的特征可以相互组合。
其中，附图仅用于示例性说明，表示的仅是示意图，而非实物图，不能理解为对本发明的限制；为了更好地说明本发明的实施例，附图某些部件会有省略、放大或缩小，并不代表实际产品的尺寸；对本领域技术人员来说，附图中某些公知结构及其说明可能省略是可以理解的。
本发明实施例的附图中相同或相似的标号对应相同或相似的部件；在本发明的描述中，需要理解的是，若有术语“上”、“下”、“左”、“右”、“前”、“后”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此附图中描述位置关系的用语仅用于示例性说明，不能理解为对本发明的限制，对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语的具体含义。
如图1～图3所示，为一种宽频带可调谐的平面滤波功率分配器。该平面滤波功率分配器包括上层的微带线结构、隔离电阻和并联电路结构，中间层的介质基板，以及底层的金属地。其中介质基板材质为Rogers4350B，相对介电常数为3.66，介质基板厚度为h＝0.762mm，损耗角正切为0.0037；金属地的厚度为0.035mm。该平面滤波功率分配器的总体结构尺寸为L×W＝86mm×42mm。
上层的微带线结构包括第一端口1、第二端口2、第三端口3、第一支路微带线结构和第二支路微带线结构。其中第一端口1分别与第一支路微带线结构和第二支路微带线结构连接，第一支路微带线结构再连接到第二端口2，第二支路微带线结构再连接到第三端口3。三个端口均为50欧姆微带线，且尺寸一致，长为l0＝5mm，宽为w0＝1.62mm。
结合图3对本发明结构尺寸做详细说明：
第一微带线Ⅰ401和第一微带线Ⅱ501均为弯折结构，且尺寸相同，分别为w1＝1.1mm，l1＝8.1mm，l1-1＝6.6mm。第二微带线Ⅰ402和第二微带线Ⅱ502均为弯折结构，且尺寸相同，分别为w2＝0.5mm，l2＝2.2mm，半径r1＝2.4mm，所对圆心角为90°。第三微带线Ⅰ403和第三微带线Ⅱ503的尺寸相同，分别为w3＝2mm，l3＝7mm。第四微带线Ⅰ404和第四微带线Ⅱ504的尺寸相同，分别为w4＝0.5mm，l4＝5.1mm。第一耦合线Ⅰ405和第一耦合线Ⅱ505的尺寸相同，分别为w5＝0.47mm，l5＝15mm，两条线的间距为s1＝0.12mm。第六微带线Ⅰ406、第六微带线Ⅱ506、第八微带线Ⅰ408和第八微带线Ⅱ508的结构对称，且尺寸相同，分别为w6＝2mm，l6＝2mm。第七微带线Ⅰ407和第七微带线Ⅱ507的尺寸相同，分别为w8＝0.8mm，l8＝3mm。第九微带线Ⅰ409和第九微带线Ⅱ509的尺寸相同，分别为w7＝0.5mm，l7＝4mm。第十微带线Ⅰ410和第十微带线Ⅱ510的尺寸相同，半径为r2＝4.92mm，所对圆心角为90°。第二耦合线Ⅰ411和第二耦合线Ⅱ511的尺寸相同，分别为w9＝0.47mm，l9＝14.79mm，两条线的间距为s2＝0.12mm。第十二微带线Ⅰ412和第十二微带线Ⅱ512的尺寸相同，半径为r3＝2.68mm，所对圆心角为90°。
并联电路结构中，方形微带线尺寸均为1.5mm；变容二极管均选用SkyworksSolutions Inc的型号，分别为D1(SMV2019-079LF)、D2(SMV2022-004LF)、D3(SMV2022-004LF)和D4(SMV2019-079LF)；电容Cb值为20pF；电阻Rb值为100kΩ；电路的第一隔离电阻6和第二隔离电阻7的阻值分别为70Ω和50Ω；所有贴片电容和贴片电阻的型号分别为C0805和R0805。
图4所示为本发明S11、S21和S31参数的ADS仿真结果，由图可知，滤波功分器的中心频率也能在1.6GHz至2.7GHz之间进行调节，与加载电容时的版图仿真结果相吻合，且中心点的输入回波损耗均优于20dB，中心点所对应的插入损耗S21或S31均优于1.5dB(不包含3dB分配损耗)。
图5所示为本发明S22、S33和S23参数的ADS仿真结果，由图可知，在滤波功分器接入隔离电阻后，中心频率在1.6GHz至1.7GHz时的输出匹配S22或S33是优于15dB，在1.8GHz至2.7GHz的输出匹配均优于20dB，且在1.6GHz至2.7GHz的输出端口隔离度S23均优于10dB。
图6和图7为该平面滤波功率分配器S11和S21参数的仿真和实测结果对比图，结果表明该可调谐平面滤波功率分配器的中心频率可以在1.6GHz到2.7GHz之间任意调节，调谐带宽达51.2％，中心点的输入回波损耗S11均优于20dB，插入损耗S21均优于2.9dB(不包含3dB分配损耗)。
图8和图9为该平面滤波功率分配器S22和S23参数的仿真和实测结果对比图，结果表明中心点的输出匹配S22均优于17dB，端口间的隔离度S23在1GHz到3.5GHz之间均优于19dB，实测结果与仿真结果吻合良好。
表1为加载变容二极管的滤波功分器版图在ADS仿真中各个中心点频率对应的电压参数：
表1
Figure BDA0004157986630000061
表2为频率可调谐滤波功分器的各个中心点频率对应的实测电压参数：
表2
Figure BDA0004157986630000062
根据两表对比可知，各个中心点频率实测电压值与ADS仿真电压值相差均小于2V。
最后说明的是，以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非限制，尽管参照较佳实施例对本发明进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，可以对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本技术方案的宗旨和范围，其均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。

Claims (9)

1.一种宽频带可调谐的平面滤波功率分配器，其特征在于：包括微带线结构、介质基板以及金属地；所述微带线结构和金属地分别设置在所述介质基板的两面；
所述微带线结构包括第一端口(1)、第二端口(2)、第三端口(3)、第一支路微带线结构以及第二支路微带线结构；
所述第一端口(1)分别与第一支路微带线结构和第二支路微带线结构连接；所述第二端口(2)与所述第一支路微带线结构连接；所述第三端口(3)与所述第二支路微带线结构连接；
该平面滤波功率分配器还包括并联电路结构，所述并联电路结构与所述微带线结构连接。
2.根据权利要求1所述的平面滤波功率分配器，其特征在于：所述第一支路微带线结构包括第一阶跃阻抗谐振器Ⅰ、第一开路枝节线Ⅰ(403)、第四微带线Ⅰ(404)、第一耦合线Ⅰ(405)、第二阶跃阻抗谐振器Ⅰ、第三阶跃阻抗谐振器Ⅰ、第十微带线Ⅰ(410)、第二耦合线Ⅰ(411)以及第十二微带线Ⅰ(412)；
所述第一阶跃阻抗谐振器Ⅰ、第一开路枝节线Ⅰ(403)、第四微带线Ⅰ(404)、第一耦合线Ⅰ(405)、第十微带线Ⅰ(410)、第二耦合线Ⅰ(411)以及第十二微带线Ⅰ(412)依次连接；所述第二阶跃阻抗谐振器Ⅰ和第三阶跃阻抗谐振器Ⅰ均连接至第一耦合线Ⅰ(405)和第十微带线Ⅰ(410)的连接点处；
所述第一阶跃阻抗谐振器Ⅰ与第一端口(1)连接；所述第十二微带线Ⅰ(412)与第二端口(2)连接；所述第一耦合线Ⅰ(405)与所述并联电路结构连接。
3.根据权利要求2所述的平面滤波功率分配器，其特征在于：所述第一阶跃阻抗谐振器Ⅰ包括第一微带线Ⅰ(401)和第二微带线Ⅰ(402)；所述第一微带线Ⅰ(401)一端与所述第一端口(1)连接，另一端与所述第二微带线Ⅰ(402)连接，第二微带线Ⅰ(402)另一端与所述第一开路枝节线Ⅰ(403)连接；所述第一微带线Ⅰ(401)还与所述并联电路结构连接；
所述第二阶跃阻抗谐振器Ⅰ包括第六微带线Ⅰ(406)和第七微带线Ⅰ(407)；所述第六微带线Ⅰ(406)一端连接至第一耦合线Ⅰ(405)和第十微带线Ⅰ(410)的连接点处，另一端与所述第七微带线Ⅰ(407)连接，第七微带线Ⅰ(407)另一端与所述并联电路结构连接；
所述第三阶跃阻抗谐振器Ⅰ包括第八微带线Ⅰ(408)和第九微带线Ⅰ(409)；所述第八微带线Ⅰ(408)一端连接至第一耦合线Ⅰ(405)和第十微带线Ⅰ(410)的连接点处，另一端与所述第九微带线Ⅰ(409)连接，第九微带线Ⅰ(409)另一端与所述并联电路结构连接。
4.根据权利要求1所述的平面滤波功率分配器，其特征在于：所述第二支路微带线结构包括第一阶跃阻抗谐振器Ⅱ、第一开路枝节线Ⅱ(503)、第四微带线Ⅱ(504)、第一耦合线Ⅱ(505)、第二阶跃阻抗谐振器Ⅱ、第三阶跃阻抗谐振器Ⅱ、第十微带线Ⅱ(510)、第二耦合线(511)以及第十二微带线(512)；
所述第一阶跃阻抗谐振器Ⅱ、第一开路枝节线Ⅱ(503)、第四微带线Ⅱ(504)、第一耦合线Ⅱ(505)、第十微带线Ⅱ(510)、第二耦合线Ⅱ(511)以及第十二微带线Ⅱ(512)依次连接；所述第二阶跃阻抗谐振器Ⅱ和第三阶跃阻抗谐振器Ⅱ均连接至第一耦合线Ⅱ(505)和第十微带线Ⅱ(510)的连接点处；
所述第一阶跃阻抗谐振器Ⅱ与第一端口(1)连接；所述第十二微带线Ⅱ(512)与第二端口(2)连接；所述第一耦合线Ⅱ(505)与所述并联电路结构连接。
5.根据权利要求4所述的平面滤波功率分配器，其特征在于：所述第一阶跃阻抗谐振器Ⅱ包括第一微带线Ⅱ(501)和第二微带线Ⅱ(502)；所述第一微带线Ⅱ(501)一端与所述第一端口(1)连接，另一端与所述第二微带线Ⅱ(502)连接，第二微带线Ⅱ(502)另一端与所述第一开路枝节线Ⅱ(503)连接；所述第一微带线Ⅱ(501)还与所述并联电路结构连接；
所述第二阶跃阻抗谐振器Ⅱ包括第六微带线Ⅱ(506)和第七微带线Ⅱ(507)；所述第六微带线Ⅱ(506)一端连接至第一耦合线Ⅱ(505)和第十微带线Ⅱ(510)的连接点处，另一端与所述第七微带线Ⅱ(507)连接，第七微带线Ⅱ(507)另一端与所述并联电路结构连接；
所述第三阶跃阻抗谐振器Ⅱ包括第八微带线Ⅱ(508)和第九微带线Ⅱ(509)；所述第八微带线Ⅱ(508)一端连接至第一耦合线Ⅱ(505)和第十微带线Ⅱ(510)的连接点处，另一端与所述第九微带线Ⅱ(509)连接，第九微带线Ⅱ(509)另一端与所述并联电路结构连接。
6.根据权利要求1～5任一项所述的平面滤波功率分配器，其特征在于：所述并联电路结构共有8组，8组并联电路结构在结构上一致；
所述并联电路结构包括电容、电阻、变容二极管、第一方形微带线、第二方形微带线以及金属过孔方形微带线；所述电容和电阻的一端以及变容二极管的负极均与所述第一方形微带线连接；电容的另一端与微带线结构连接；电阻的另一端通过第二方形微带线和导线连接外设电压源；变容二极管的正极与金属过孔方形微带线连接。
7.根据权利要求2～5任一项所述的平面滤波功率分配器，其特征在于：第一微带线Ⅰ(401)、第一微带线Ⅱ(501)、第二微带线Ⅰ(402)、第二微带线Ⅱ(502)、第十微带线Ⅰ(410)、第十微带线Ⅱ(510)、第十二微带线Ⅰ(412)和第十二微带线Ⅱ(512)均为弯折结构。
8.根据权利要求1所述的平面滤波功率分配器，其特征在于：所述第一支路微带线结构和第二支路微带线结构之间设有第一隔离电阻(6)和第二隔离电阻(7)，第一隔离电阻(6)和第二隔离电阻(7)为并联关系。
9.根据权利要求1所述的平面滤波功率分配器，其特征在于：所述第一支路微带线结构和第二支路微带线结构关于所述第一端口(1)对称设置。
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