CN117254228A - 一种基于3dB正交耦合器的无反射波导带通滤波器 - Google Patents
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Abstract
本发明属于无线通信技术领域，具体涉及一种基于3dB正交耦合器的无反射波导带通滤波器。本发明提出了一种基于3dB正交耦合器的无反射波导带通滤波器，利用3dB正交耦合器两路输出信号等幅反向的特性在无需添加电阻元件，从而有效地避免了有损电阻所带来的损耗问题。在此基础上，提出了波导型的无反射带通滤波器设计。本发明利用了波导滤波器的高Q值、低损耗、高矩形系数的特性解决了传统微带型无反射带通滤波器在高频和窄带设计中存在的不可避免的高损耗的问题。同时，波导型的无反射带通滤波器的提出更适用于大功率容量的应用背景。
Description
技术领域
本发明属于无线通信技术领域，具体涉及一种基于3dB正交耦合器的无反射波导带通滤波器。
背景技术
带通滤波器作为射频系统中的核心器件被放置在前端接收器上，以允许电路系统利用所需的频率部分。然而，传统的带通滤波器所产生的反射信号会不可避免地影响相邻级的工作状态，从而破坏整个电路系统的稳定运行。因此，近年来众多学者致力于无反射带通滤波器的研究以缓解滤波器带外反射信号所造成的影响。从构建方式的角度来看，无反射带通滤波器可大致分为两大类。其一，为基于互补双工形式的无反射带通滤波器设计，具体的，通过使用两个互补匹配的带通和含有有损电阻的吸收带阻结构实现对带外反射能量的吸收效果。同时，基于该构建方式的设计多采用微带和集总元件的形式。其二，另一常见的方法为基于3dB正交耦合器的无反射带通滤波器设计，具体的，通过使用一对隔离端端接负载的3dB正交耦合器和一对带通滤波器在输入端口实现相位抵消从而获得无反射效果。同样的，该构建方案下的无反射带通滤波器也多采用金属微带形式。
综上，目前的无反射带通滤波器的设计多采用微带和集总元件设计。其中，微带设计由于谐振器的品质因数有限，带内传输损耗会随着带宽的变窄以及频率的升高而增大。同时，采用集总元件设计其寄生电容和寄生电阻所产生的损耗也是不可忽略的。并且，不论是微带型还是采用集总元件的无反射带通滤波器设计都难以满足大功率容量的应用背景。
尽管近年来在无反射带通滤波器方面取得了很多成果，但大多数研究都集中在微带型无反射带通滤波器的设计上，而波导型无反射带通滤波器的研究目前还处于空白阶段。同时，考虑到实际应用范畴，随着5G和6G通信的不断发展，对于射频电路的要求也越来越高，其中滤波器性能决定了射频电路质量的关键。与传统滤波器不同的是，无反射滤波器能够有效吸收带外反射信号，而不是将其反射回端口，从而避免了信号的功率反射所带来系统不稳定性。特别是对于大功率系统中的放大器、功率管等等有源器件。同时，例如在办公楼、商场和医院等人流量大、室内结构复杂、通信需求高及对容量要求高的场所。
发明内容
本发明针对上述现有技术中的技术问题，提出了一种基于3dB正交耦合器的无反射波导带通滤波器，本发明利用了波导滤波器高Q值、低损耗、高矩形系数及大功率容量的特性，有效地解决了微带型和采用集总元件的无反射带通滤波器设计存在的高损耗问题，更易实现窄带设计和高频设计，并且可满足大功率容量背景。
本发明为实现上述发明目的，采取的技术方案如下：
一种基于3dB正交耦合器的无反射波导带通滤波器，包括一对连接负载的宽带3dB正交耦合器I和宽带3dB正交耦合器II与一对对称布置的带通滤波器I和带通滤波器II；所述带通滤波器I的两端分别连接宽带3dB正交耦合器I的第一直通端与宽带3dB正交耦合器II的第二耦合端；所述带通滤波器II的两端分别连接宽带3dB正交耦合器I的的第一耦合端与宽带3dB正交耦合器II的第二直通端；所述宽带3dB正交耦合器I的第一隔离端连接负载；所述宽带3dB正交耦合器II的第二隔离端连接负载；输入信号通过宽带3dB正交耦合器I的第一输入端输入，经由宽带3dB正交耦合器I分成两路幅度相等、相位差90°的信号，两路信号通过带通滤波器I和带通滤波器II在宽带3dB正交耦合器II汇聚；两路带内信号在宽带3dB正交耦合器II的第二隔离端产生0°和180°的相位抵消，在宽带3dB正交耦合器II的第二输入端产生两路90°的相位叠加，因而输出信号由宽带3dB正交耦合器II的第二输入端输出；同时，带通滤波器I和带通滤波器II的带外反射信号经由宽带3dB正交耦合器I和宽带3dB正交耦合器II同样也存在90°的相位差，使其能够在宽带3dB正交耦合器I的第一输入端和宽带3dB正交耦合器I的第一耦合端产生0°和180°的相位抵消，两路90°相位叠加的带外反射信号被宽带3dB正交耦合器II的第二隔离端和宽带3dB正交耦合器I的第一隔离端吸收，从而获得输入输出端口对称的无反射特性。
进一步的作为本发明的优选技术方案，所述宽带3dB正交耦合器I的能量通过脊形耦合槽I耦合；所述宽带3dB正交耦合器II的能量通过脊形耦合槽II耦合；所述带通滤波器I与带通滤波器II采用波导谐振腔的设计，其第一级耦合谐振腔的能量通过耦合窗II传递至第二级耦合谐振腔，其第二级耦合谐振腔的能量通过耦合窗III传递至第三级耦合谐振腔。
进一步的作为本发明的优选技术方案，在确定波导截止频率即波导宽边和窄边尺寸的情况下，通过改变耦合窗II和耦合窗III的大小以及第二级耦合谐振腔的长度调整预定义三阶带通滤波器电路的耦合系数。
进一步的作为本发明的优选技术方案，所述脊形耦合槽I通过耦合窗I与第一级耦合谐振腔相连接；所述脊形耦合槽II通过耦合窗IV与第三级耦合谐振腔相连接；通过改变耦合窗I和耦合窗IV的大小以及第一级耦合谐振腔和第三级耦合谐振腔的长度调整预定义三阶带通滤波器电路的品质因数。
本发明所述的一种基于3dB正交耦合器的无反射波导带通滤波器，采用以上技术方案与现有技术相比，具有以下技术效果：
(1)本发明利用了波导滤波器高Q值、低损耗、高矩形系数及大功率容量的特性，有效地解决了微带型和采用集总元件的无反射带通滤波器设计存在的高损耗问题，更易实现窄带设计和高频设计，并且可满足大功率容量背景。
(2)本发明所述一种基于3dB正交耦合器的无反射波导带通滤波器在相对带宽为4％的前提下其带内最低插损仅为0.08dB，对比现有的微带型和采用集总元件的无反射带通滤波器设计，本发明在滤波器损耗方面展现了优异的特性。
(3)本发明具有良好的通带性能即通带平坦、带内回波损耗优于-18.17dB以及能够在整个工作频带内实现良好的无反射效果。
附图说明
图1是本发明一种基于3dB正交耦合器的无反射波导带通滤波器工作机制原理图；
图2是本发明一种基于3dB正交耦合器的无反射波导带通滤波器3D结构示意图；
图3是本发明一种基于3dB正交耦合器的无反射波导带通滤波器的俯视结构示意图；
图4是本发明一种基于3dB正交耦合器的无反射波导带通滤波器的侧视结构示意图；
图5是本发明一种基于3dB正交耦合器的无反射波导带通滤波器中宽带波导3dB正交耦合器结果图；
图6是本发明一种基于3dB正交耦合器的无反射波导带通滤波器中反射型波导带通滤波器结果图；
图7是本发明一种基于3dB正交耦合器的无反射波导带通滤波器结果图；
附图中；1-第一输入端；2-第一直通端；3-第一隔离端；4-第一耦合端；5-第二输入端；6-第二直通端；7-第二隔离端；8-第二耦合端。
具体实施方式
下面结合附图详细的描述本发明的作进一步的解释说明，以使本领域的技术人员可以更深入地理解本发明并能够实施，但下面通过参考实例仅用于解释本发明，不作为本发明的限定。
如图1-4所示，一种基于3dB正交耦合器的无反射波导带通滤波器，包括一对连接负载的宽带3dB正交耦合器I和宽带3dB正交耦合器II与一对对称布置的带通滤波器I和带通滤波器II；其中，中心对称放置的一对带通滤波器I和带通滤波器II分别连接在耦合器的直通端和耦合端，并决定整体无反射带通滤波器的滤波特性。带通滤波器I的两端分别连接宽带3dB正交耦合器I的第一直通端2与宽带3dB正交耦合器II的第二耦合端8；带通滤波器II的两端分别连接宽带3dB正交耦合器I的的第一耦合端4与宽带3dB正交耦合器II的第二直通端6；宽带3dB正交耦合器I的第一隔离端3连接负载；宽带3dB正交耦合器II的第二隔离端7连接负载；输入信号通过宽带3dB正交耦合器I的第一输入端1输入，经由宽带3dB正交耦合器I分成两路幅度相等、相位差90°的信号，两路信号通过带通滤波器I和带通滤波器II在宽带3dB正交耦合器II汇聚；两路带内信号在宽带3dB正交耦合器II的第二隔离端7产生0°和180°的相位抵消，在宽带3dB正交耦合器II的第二输入端5产生两路90°的相位叠加，因而输出信号由宽带3dB正交耦合器II的第二输入端5输出；同时，带通滤波器I和带通滤波器II的带外反射信号经由宽带3dB正交耦合器I和宽带3dB正交耦合器II同样也存在90°的相位差，使其能够在宽带3dB正交耦合器I的第一输入端1和宽带3dB正交耦合器I的第一耦合端4产生0°和180°的相位抵消，两路90°相位叠加的带外反射信号被宽带3dB正交耦合器II的第二隔离端7和宽带3dB正交耦合器I的第一隔离端3吸收，从而获得输入输出端口对称的无反射特性。
宽带3dB正交耦合器I的能量通过脊形耦合槽I耦合；所述宽带3dB正交耦合器II的能量通过脊形耦合槽II耦合；所述带通滤波器I与带通滤波器II采用波导谐振腔的设计，其第一级耦合谐振腔的能量通过耦合窗II传递至第二级耦合谐振腔，其第二级耦合谐振腔的能量通过耦合窗III传递至第三级耦合谐振腔。
在确定波导截止频率即波导宽边和窄边尺寸的情况下，通过改变耦合窗II和耦合窗III的大小以及第二级耦合谐振腔的长度调整预定义三阶带通滤波器电路的耦合系数。
脊形耦合槽I通过耦合窗I与第一级耦合谐振腔相连接；所述脊形耦合槽II通过耦合窗IV与第三级耦合谐振腔相连接；通过改变耦合窗I和耦合窗IV的大小以及第一级耦合谐振腔和第三级耦合谐振腔的长度调整预定义三阶带通滤波器电路的品质因数。
本发明提出了一种基于3dB正交耦合器的无反射波导带通滤波器，该无反射波导带通滤波器由一对隔离端端接负载的宽带3dB正交耦合器与一对对称布置的带通滤波构成。本发明设计结构无需采用额外的有损电阻元件，从而能够有效地解决传统的采用有损电阻吸收带外反射能量的无反射带通滤波器存在的通带内及通带边缘损耗较大的问题。其中宽带3dB正交耦合器采用的是脊型耦合槽耦合，其幅度不平衡度对本发明的无反射效果具有一定影响，并且本发明所述无反射波导带通滤波器的工作带宽由该宽带波导耦合器决定。具体地，宽带波导耦合器工作带宽与反射型带通滤波器带宽相减即为本发明无反射波导带通滤波器的带外吸收带宽。在宽带3dB正交耦合器的设计过程中可以通过调整其脊型耦合槽的高度来控制耦合器的幅度不平衡度与其工作带宽之间达到良好的平衡。同时，本发明所述无反射波导带通滤波器的滤波响应由放置在中心的一对反射型波导带通滤波器决定。为获得良好的滤波特性，本发明采用了三阶级联的腔体波导带通滤波器的设计。可通过切比雪夫低通原型滤波器电路拟合，计算出理论所需耦合系数和品质因数，继而通过电磁软件仿真可得到该反射型带通滤波器的具体物理参数。最终将分别设计的一对宽带3dB正交耦合器与一对反射型带通滤波器相连，利用3dB正交耦合器两路输出信号等幅反向的特性，叠加的反射信号被吸收端口连接的负载吸收，而反射回端口的信号呈现0°和180°的相互抵消，从而实现了良好的无反射特性。由于本发明采用对称的平衡式电路布置结构，该设计呈现出对称的无反射特性，即输入、输出端口均无反射信号，从而在实际应用中可有效地保证相邻链路间的稳定运行。
本发明设定实现一个等波纹系数为0.1dB、中心频率为3.8GHz、相对带宽为4％的三阶带通滤波器，可通过切比雪夫低通原型滤波器电路拟合，计算出理论所需耦合系数和品质因数，可用以指导得到波导带通滤波器部分及耦合窗I和耦合窗IV所需物理尺寸。最终实现了一个设计简单、低损耗并且具有良好吸收效果的窄带波导带通滤波器设计。其中，宽带波导3dB正交耦合器的结果图如图5所示，最终可在3.25-4.36GHz的频段范围内实现回波损耗低于-20dB且幅度不平衡度小于0.5dB的宽带3dB正交耦合器设计，其有效工作频段可相应定义为3.25-4.36GHz。上述反射型波导带通滤波器结果图如图6所示，本发明所述反射型波导带通滤波器为三阶的设计，展现了良好的滤波性能和通带平坦度。最终实现的波导无反射带通滤波器的结果图如图7所示，最终实现了中心频率为3.8GHz，相对带宽约为4％的三阶波导无反射带通滤波器设计。本发明带内最低插损低至0.08dB,带内回波损耗由于-18.17dB，同时在整个工作频段内(3.25-4.36GHz)实现了良好的无反射性能(S11<-10dB)。
本发明利用3dB正交耦合器两路输出信号等幅反向的特性在无需添加电阻元件，从而有效地避免了有损电阻所带来的损耗问题。在此基础上，提出了波导型的无反射带通滤波器设计。本发明利用了波导滤波器的高Q值、低损耗、高矩形系数的特性解决了传统微带型无反射带通滤波器在高频和窄带设计中存在的不可避免的高损耗的问题。同时，波导型的无反射带通滤波器的提出更适用于大功率容量的应用背景。
以上所述的具体实施方案，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步的详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施方案而已，并非用以限定本发明的范围，任何本领域的技术人员，在不脱离本发明的构思和原则的前提下所做出的等同变化与修改，均应属于本发明保护的范围。
Claims (4)
1.一种基于3dB正交耦合器的无反射波导带通滤波器，其特征在于，包括一对连接负载的宽带3dB正交耦合器I和宽带3dB正交耦合器II与一对对称布置的带通滤波器I和带通滤波器II；所述带通滤波器I的两端分别连接宽带3dB正交耦合器I的第一直通端(2)与宽带3dB正交耦合器II的第二耦合端(8)；所述带通滤波器II的两端分别连接宽带3dB正交耦合器I的的第一耦合端(4)与宽带3dB正交耦合器II的第二直通端(6)；所述宽带3dB正交耦合器I的第一隔离端(3)连接负载；所述宽带3dB正交耦合器II的第二隔离端(7)连接负载；输入信号通过宽带3dB正交耦合器I的第一输入端(1)输入，经由宽带3dB正交耦合器I分成两路幅度相等、相位差90°的信号，两路信号通过带通滤波器I和带通滤波器II在宽带3dB正交耦合器II汇聚；两路带内信号在宽带3dB正交耦合器II的第二隔离端(7)产生0°和180°的相位抵消，在宽带3dB正交耦合器II的第二输入端(5)产生两路90°的相位叠加，因而输出信号由宽带3dB正交耦合器II的第二输入端(5)输出；同时，带通滤波器I和带通滤波器II的带外反射信号经由宽带3dB正交耦合器I和宽带3dB正交耦合器II同样也存在90°的相位差，使其能够在宽带3dB正交耦合器I的第一输入端(1)和宽带3dB正交耦合器I的第一耦合端(4)产生0°和180°的相位抵消，两路90°相位叠加的带外反射信号被宽带3dB正交耦合器II的第二隔离端(7)和宽带3dB正交耦合器I的第一隔离端(3)吸收，从而获得输入输出端口对称的无反射特性。
2.根据权利要求1所述的一种基于3dB正交耦合器的无反射波导带通滤波器，其特征在于，所述宽带3dB正交耦合器I的能量通过脊形耦合槽I耦合；所述宽带3dB正交耦合器II的能量通过脊形耦合槽II耦合；所述带通滤波器I与带通滤波器II采用波导谐振腔的设计，其第一级耦合谐振腔的能量通过耦合窗II传递至第二级耦合谐振腔，其第二级耦合谐振腔的能量通过耦合窗III传递至第三级耦合谐振腔。
3.根据权利要求2所述的一种基于3dB正交耦合器的无反射波导带通滤波器，其特征在于，在确定波导截止频率即波导宽边和窄边尺寸的情况下，通过改变耦合窗II和耦合窗III的大小以及第二级耦合谐振腔的长度调整预定义三阶带通滤波器电路的耦合系数。
4.根据权利要求3所述的一种基于3dB正交耦合器的无反射波导带通滤波器，其特征在于，所述脊形耦合槽I通过耦合窗I与第一级耦合谐振腔相连接；所述脊形耦合槽II通过耦合窗IV与第三级耦合谐振腔相连接；通过改变耦合窗I和耦合窗IV的大小以及第一级耦合谐振腔和第三级耦合谐振腔的长度调整预定义三阶带通滤波器电路的品质因数。
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|---|---|---|---|---|
| CN117498806A (zh) * | 2023-12-29 | 2024-02-02 | 成都联帮微波通信工程有限公司 | 一种基于吸收式滤波器的上下变频的实现方法及滤波器 |
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