CN106099268A - 一种宽带功分滤波器 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种宽带功分滤波器，包括下表面覆有金属接地板(102)的介质基板(101)，在所述介质基板(101)的上表面设有输入端馈线(1)、第一输出端馈线(2)、第二输出端馈线(3)、第一三模谐振器(4)、第二三模谐振器(5)、第一接地阶梯阻抗谐振器(6)、第二接地阶梯阻抗谐振器(7)、第三接地阶梯阻抗谐振器(8)、隔离电阻(9)。本发明宽带功分滤波器选择性好、隔离度高、具有较好的谐波抑制特性，适用于现代无线通信***。

Description

一种宽带功分滤波器

技术领域

本发明涉及微波无源器件技术领域，特别是一种基于分立元件隔离网络及三模谐振器的宽带功分滤波器。

背景技术

功分滤波器是一个独立的微波无源器件，它在功能上实现了射频电路中功分器和滤波器的有效结合，也就是说功分滤波器兼备了信号的功率分配和滤波功能。因此，高性能的功分滤波器不仅能够有效减小***的尺寸，而且能够简化***设计的复杂度，从而进一步实现无线通信***的低成本、高性能、小型化设计。

近年来，随着模块结构单元(Modular Building Block,MBB)和单片微波集成电路(Monolithic Microwave Integrated Circuit,MMIC)的发展，低成本、高集成度、小型化的高性能功分滤波器成为了研究热点。

2005年，Chi-Feng Chen,Ting-Yi Huang和Ruey-Beei Wu在IEEETransaction.Microwave Theory Technique期刊(vol.53,no.12,pp.3788-3793,2005)上发表“Design of Microstrip Bandpass Filters With Multiorder Spurious-ModeSuppression”，提出在平行耦合的理论基础上结合电容终端加载枝节的谐振特性来实现高次谐波抑制的设计方法。这种设计方法虽然设计理论较为简单，但是由于该结构引入了阶梯阻抗谐振器，使得所设计的功分滤波器的带宽较窄。此外，由于该电路由单纯的平行耦合理论实现，因此该滤波器没有带外零点，信号选择性较差。

2015年，Kaijun Song在IEEE Electronics Letters期刊(vol.51,no.6,pp.495–497,2015)上发表“Compact filtering power divider with high frequencyselectivity and wide stopband using embedded dual-mode resonator”，提出通过嵌入双模谐振器来实现功分和滤波功能，同时利用源载耦合引入带外零点提高带外抑制，信号选择性较好。但是，由于该结构单纯使用隔离电阻实现两个输出端口之间的隔离，通带内隔离度较差。

2015年，Bo Zhang和Yuanan Liu在IEEE Electronics Letters期刊(vol.51,no.23,pp.1950-1952,2015)上发表“Wideband Filtering Power Divider with HighSelectivity”，提出通过平行耦合线和终端开路枝节的相互搭配来设计功分滤波器的方法，实现了较宽的工作带宽，较好的信号选择性。虽然这种设计方法设计的功分滤波器在低频段具有体积小的优点，但是由于结构简单，存在带外抑制度不高的缺点。

总之，现有技术存在的问题是：宽带功分滤波器选择性差、隔离度低、带外抑制差。

发明内容

本发明的目的在于提供一种宽带功分滤波器，选择性好、隔离度高、带外抑制好。

实现本发明目的的技术解决方案为：

一种宽带功分滤波器，包括下表面覆有金属接地板的介质基板，

在所述介质基板的上表面设有输入端馈线、第一输出端馈线、第二输出端馈线、第一三模谐振器、第二三模谐振器、第一接地阶梯阻抗谐振器、第二接地阶梯阻抗谐振器、第三接地阶梯阻抗谐振器、隔离电阻，所述第一三模谐振器、第二三模谐振器的输入端分别与输入端馈线耦合，其输出端分别与第一输出端馈线、第二输出端馈线耦合，所述第三接地阶梯阻抗谐振器与第一输出端馈线和第二输出端馈线的输入端相连，所述第一接地阶梯阻抗谐振器与第一输出端馈线的输出端相连，第二接地阶梯阻抗谐振器与第二输出端馈线的输出端相连，第一接地阶梯阻抗谐振器、第二接地阶梯阻抗谐振器、第三接地阶梯阻抗谐振器的另一端穿过介质基板与金属接地板相连。

本发明与现有技术相比，其显著优点为：

1、选择性好：现有功分滤波器一般结构简单，不能产生带外零点，从而导致虽然能够实现滤波功能，但通带带外选择性差。本发明中的一端端接开路枝节的耦合线会在通带两侧分别产生一个零点，电路中所使用的三模谐振器偶模所产生的零点也会在通带一侧产生一个零点。综上所述的两个因素，实现了电路通带的高选择性。

2、隔离度高：现有功分滤波器的隔离网络一般仅使用隔离电阻，来实现通带内的隔离度，但是由于单纯引入隔离电阻并不能满足所有电路的隔离度设计指标，所以这些电路的隔离度有时并不能实现在整个通带内达到15dB。本发明电路采用分立阶梯阻抗谐振器隔离网络，该网络包括一个中端加载阶梯阻抗谐振器，两个旁端加载阶梯阻抗谐振器以及一个隔离电阻。通过采用该隔离网络，可以降低输出端口的奇偶模输入阻抗的差异，从而在整个通带内实现较好的隔离度。

3、带外抑制好：现有的功分滤波器一般结构简单，不能在带外产生零点从而导致带外谐波不能被抑制。本发明之所以能够产生较宽的上变频阻带，是因为一端端接开路枝节的耦合线能够在上边带产生若干零点，同时中端加载阶梯阻抗谐振器以及旁端加载阶梯阻抗谐振器也能够在自身谐振点处对电路上边带产生若干零点。综合以上两种方式，本发明实现了较宽的带外抑制度。

附图说明

图1是本发明宽带功分滤波器的立体结构示意图。

图2是图1的俯视图。

图3是实施例的结构尺寸示意图。

图4是实施例的S11、S21和S31参数仿真图。

图5是实施例的S23参数仿真图。

图6是实施例的两个输出端口幅度差的仿真图。

图7是实施例的两个输出端口相位差的仿真图。

图中，介质基板101，金属接地板102，

输入端馈线1，第一输出端馈线2，第二输出端馈线3，第一三模谐振器4，第二三模谐振器5，第一接地阶梯阻抗谐振器6，第二接地阶梯阻抗谐振器7，第三接地阶梯阻抗谐振器8，隔离电阻9，

第一50欧姆微带线导带11，第一半波长主传输线12，第二半波长主传输线13，

第二50欧姆微带线导带21，第一微带传输线22，第一四分之一波长耦合线23，

第三50欧姆微带线导带31，第二微带传输线32，第二四分之一波长耦合线33，

第一四分之一波长谐振器41，第二四分之一波长谐振器42，第一对称面枝节加载低阻抗谐振器43，第一对称面枝节加载高阻抗谐振器44，

第三四分之一波长谐振器51，第四四分之一波长谐振器52，第二对称面枝节加载低阻抗谐振器53，第二对称面枝节加载高阻抗谐振器54，

第一高阻抗谐振器61，第一低阻抗谐振器62，

第二高阻抗谐振器71，第二低阻抗谐振器72，

第三高阻抗谐振器81，第三低阻抗谐振器82。

具体实施方式

如图1所示，本发明宽带功分滤波器，包括下表面覆有金属接地板102的介质基板101，

在所述介质基板101的上表面设有输入端馈线1、第一输出端馈线2、第二输出端馈线3、第一三模谐振器4、第二三模谐振器5、第一接地阶梯阻抗谐振器6、第二接地阶梯阻抗谐振器7、第三接地阶梯阻抗谐振器8、隔离电阻9，

所述第一三模谐振器4、第二三模谐振器5的输入端分别与输入端馈线1耦合，其输出端分别与第一输出端馈线2、第二输出端馈线3耦合，所述第三接地阶梯阻抗谐振器8与第一输出端馈线2和第二输出端馈线3的输入端相连，所述第一接地阶梯阻抗谐振器6与第一输出端馈线2的输出端相连，第二接地阶梯阻抗谐振器7与第二输出端馈线3的输出端相连，第一接地阶梯阻抗谐振器6、第二接地阶梯阻抗谐振器7、第三接地阶梯阻抗谐振器8的另一端穿过介质基板101与金属接地板102相连。

如图1所示，所述介质基板101为矩形，输入端馈线1靠近其一个宽边，输入端设在该宽边上，第一输出端馈线2、第二输出端馈线3靠近另一个宽边，第一输出端、第二输出端分别设在相对的两个窄边上。

如图2所示，所述输入端馈线1包括与矩形介质基板101宽边垂直的第一50欧姆微带线导带11、与该宽边平行的第一半波长主传输线12和第二半波长主传输线13，所述第一50欧姆微带线导带11的输入端位于矩形介质基板101的一个宽边中点，其输入端同时与第一半波长主传输线12和第二半波长主传输线13的始端相连，第一半波长主传输线12、第二半波长主传输线13的终端通过连通柱与金属接地板102相连。

如图2所示，所述第一输出端馈线2包括与矩形介质基板101宽边平行的第二50欧姆微带线导带21和第一微带传输线22以及与矩形介质基板101宽边垂直的第一四分之一波长耦合线23；

所述第一微带传输线22的输入端与第一四分之一波长耦合线23的输出端相连，其输出端与第二50欧姆微带线导带21的输入端相连，所述第二50欧姆微带线导带21的输出端位于矩形介质基板101的一个窄边上；

所述第一接地阶梯阻抗谐振器6包括第一高阻抗谐振器61与第一低阻抗谐振器62，第一低阻抗谐振器62的一端与第一微带传输线22垂直相连；

所述第二输出端馈线3包括与矩形介质基板101宽边平行的第三50欧姆微带线导带31和第二微带传输线32以及与矩形介质基板101宽边垂直的第二四分之一波长耦合线33；

所述第二微带传输线32的输入端与第二四分之一波长耦合线33的输出端相连，其输出端与第三50欧姆微带线导带31的输入端相连，所述第三50欧姆微带线导带31的输出端位于矩形介质基板101的另一个窄边上；

所述第二接地阶梯阻抗谐振器7包括第二高阻抗谐振器71与第二低阻抗谐振器72，第二低阻抗谐振器72的一端与第二微带传输线32垂直相连；

所述第三接地阶梯阻抗谐振器8包括第三高阻抗谐振器81与第三低阻抗谐振器82，第三低阻抗谐振器82的一端与第一四分之一波长耦合线23和第二四分之一波长耦合线33输入端相连。

如图2所示，所述第一三模谐振器4包括第一四分之一波长谐振器41、第二四分之一波长谐振器42、第一对称面枝节加载低阻抗谐振器43、第一对称面枝节加载高阻抗谐振器44，

所述第一四分之一波长谐振器41与矩形介质基板101宽边平行，第二四分之一波长谐振器42与矩形介质基板101宽边垂直，第一对称面枝节加载低阻抗谐振器43的轴线和第一对称面枝节加载高阻抗谐振器44的轴线均与矩形介质基板101宽边成45度角，

第一对称面枝节加载低阻抗谐振器43的一端同时与第一四分之一波长谐振器41的输出端和第二四分之一波长谐振器42的输入端相连，其另一端与第一对称面枝节加载高阻抗谐振器44的中轴相连，

所述第一四分之一波长谐振器41与第一半波长主传输线12平行耦合，第二四分之一波长谐振器42与第一四分之一波长耦合线23平行耦合；

所述第二三模谐振器5包括第三四分之一波长谐振器51、第四四分之一波长谐振器52、第二对称面枝节加载低阻抗谐振器53、第二对称面枝节加载高阻抗谐振器54，

所述第三四分之一波长谐振器51与矩形介质基板101宽边平行，第四四分之一波长谐振器52与矩形介质基板101宽边垂直，第二对称面枝节加载低阻抗谐振器53的轴线和第二对称面枝节加载高阻抗谐振器54的轴线均与矩形介质基板101宽边成135度角，

第二对称面枝节加载低阻抗谐振器53的一端同时与第三四分之一波长谐振器51的输出端和第四四分之一波长谐振器52的输入端相连，其另一端与第二对称面枝节加载高阻抗谐振器54的中轴相连，

所述第三四分之一波长谐振器51与第二半波长主传输线13平行耦合，第四四分之一波长谐振器52与第二四分之一波长耦合线33平行耦合。

本发明基于分立元件隔离网络及三模谐振器的宽带功分滤波器，其中第一三模谐振器4和第二三模谐振器5的第一四分之一波长谐振器41、第二四分之一波长谐振器42、第三四分之一波长谐振器51、第四四分之一波长谐振器52的长度和宽度决定了通带的位置，调节第一对称面枝节加载低阻抗谐振器43、第一对称面枝节加载高阻抗谐振器44、第二对称面枝节加载低阻抗谐振器53、第二对称面枝节加载高阻抗谐振器54可以改变两个模式的位置，从而使得通带更加平坦；第一半波长主传输线12和第二半波长主传输线13分别和与其平行耦合的第一四分之一波长谐振器41、第三四分之一波长谐振器51的间距对其耦合的强度影响较大，间距越小耦合强度越大，两个输出端口的幅度和相位吻合度越高；调节第一接地阶梯阻抗谐振器6、第二接地阶梯阻抗谐振器7和第三接地阶梯阻抗谐振器8的第一高阻抗谐振器61与第一低阻抗谐振器62、第二高阻抗谐振器71与第二低阻抗谐振器72和第三高阻抗谐振器81与第三低阻抗谐振器82的阻抗比和长度可以改变电路奇偶模输入阻抗并使两者幅度差减小，从而同时产生较好的带内隔离度和带外谐波抑制。

本发明基于分立元件隔离网络及三模谐振器的宽带功分滤波器，在制造上通过印制电路板制造工艺对电路基板正面及背面的金属面进行加工腐蚀从而形成所需的金属图案。

下面结合具体实施例对本发明作进一步详细描述。

实施例

基于分立元件隔离网络及三模谐振器的宽带功分滤波器的结构如图1所示，俯视图如图2所示，有关尺寸规格如图3所示。所采用的介质基板10相对介电常数为3.55，厚度为0.508mm，损耗角正切为0.0027。输入端50欧姆微带线导带11、二端口输出端50欧姆微带线导带21和三端口输出端50欧姆微带线导带31的特性阻抗均为50欧姆，其宽度均为W₁＝1.08mm。结合图3，功分滤波器的各尺寸参数如下：W₁＝1.08mm，L₁＝24.3mm，W₂＝0.26mm，L₂＝1.74mm，W₃＝0.26mm，L₃＝14.5mm，W₄＝5mm，L₄＝22mm，W₅＝0.2mm，L₅＝3.8mm，W₆＝0.1mm，L₆＝12.4mm,W₇＝0.26mm,L₇＝23mm，W₈＝0.9mm,L₈＝2mm,W₉＝0.2mm,L₉＝10.2mm,W₁₀＝0.1mm,L₁₀＝10.2mm,W₁₁＝1.8mm,L₁₁＝7.3mm,L₁₂＝7.3mm,L₁₃＝0.92mm,L₁₄＝0.97mm,g₁＝0.13mm,g₂＝0.11mm。功分滤波器的整体面积为32×60mm，对应的导波长尺寸为0.47λ_g×0.88λ_g，其中λ_g为通带中心频率对应的导波波长。

本实例功分滤波器是在电磁仿真软件HFSS.13中建模仿真的。图4是本实例中功分滤波器的S参数仿真图，从图中可以看出，该功分滤波器的通带中心频率为2.4GHz，相对带宽为33％，通带内回波损耗低于15dB。通带外分别有四个传输零点使得该实例功分滤波器具有很好的选择性。

图5是本实例中功分滤波器的两个输出端口幅度差，从图中可以看出，该实例功分滤波器通带内的两个平衡输出端口幅度差在0.012dB以内。

图6是本实例中功分滤波器的两个输出端口相位差，从图中可以看出，该实例功分滤波器通带内的两个平衡输出端口相位差在0±1.2度以内。

综上所述，本发明基于分立元件隔离网络及三模谐振器的宽带功分滤波器，结合三模谐振器和终端短路的阶梯阻抗谐振器特性实现了一种选择性好、隔离度高、谐波抑制好的三模宽带功分滤波器，该功分滤波器非常适用于现代无线通信***。

Claims (5)

1.一种宽带功分滤波器，其特征在于：包括下表面覆有金属接地板(102)的介质基板(101)，

在所述介质基板(101)的上表面设有输入端馈线(1)、第一输出端馈线(2)、第二输出端馈线(3)、第一三模谐振器(4)、第二三模谐振器(5)、第一接地阶梯阻抗谐振器(6)、第二接地阶梯阻抗谐振器(7)、第三接地阶梯阻抗谐振器(8)、隔离电阻(9)。

所述第一三模谐振器(4)、第二三模谐振器(5)的输入端分别与输入端馈线(1)耦合，其输出端分别与第一输出端馈线(2)、第二输出端馈线(3)耦合，所述第三接地阶梯阻抗谐振器(8)与第一输出端馈线(2)和第二输出端馈线(3)相连，所述第一接地阶梯阻抗谐振器(6)与第一输出端馈线(2)的输出端相连，第二接地阶梯阻抗谐振器(7)与第二输出端馈线(3)的输出端相连，第一接地阶梯阻抗谐振器(6)、第二接地阶梯阻抗谐振器(7)、第三接地阶梯阻抗谐振器(8)的另一端穿过介质基板(101)与金属接地板(102)相连。

2.根据权利要求1所述的宽带功分滤波器，其特征在于：所述介质基板(101)为矩形，输入端馈线(1)靠近其一个宽边，输入端设在该宽边上，第一输出端馈线(2)、第二输出端馈线(3)靠近另一个宽边，第一输出端、第二输出端分别设在相对的两个窄边上。

3.根据权利要求2所述的宽带功分滤波器，其特征在于：

所述输入端馈线(1)包括与矩形介质基板(101)宽边垂直的第一50欧姆微带线导带(11)、与该宽边平行的第一半波长主传输线(12)和第二半波长主传输线(13)，所述第一50欧姆微带线导带(11)的输入端位于矩形介质基板(101)的一个宽边中点，其输入端同时与第一半波长主传输线(12)和第二半波长主传输线(13)的始端相连。

4.根据权利要求3所述的宽带功分滤波器，其特征在于：

所述第一输出端馈线(2)包括与矩形介质基板(101)宽边平行的第二50欧姆微带线导带(21)和第一微带传输线(22)以及与矩形介质基板(101)宽边垂直的第一四分之一波长耦合线(23)；

所述第一微带传输线(22)的输入端与第一四分之一波长耦合线(23)的输出端相连，其输出端与第二50欧姆微带线导带(21)的输入端相连，所述第二50欧姆微带线导带(21)的输出端位于矩形介质基板(101)的一个窄边上；

所述第一接地阶梯阻抗谐振器(6)包括第一高阻抗谐振器(61)和第一低阻抗谐振器(62)，第一低阻抗谐振器(62)的一端与第一微带传输线(22)垂直相连；

所述第二输出端馈线(3)包括与矩形介质基板(101)宽边平行的第三50欧姆微带线导带(31)和第二微带传输线(32)以及与矩形介质基板(101)宽边垂直的第二四分之一波长耦合线(33)；

所述第二微带传输线(32)的输入端与第二四分之一波长耦合线(33)的输出端相连，其输出端与第三50欧姆微带线导带(31)的输入端相连，所述第三50欧姆微带线导带(31)的输出端位于矩形介质基板(101)的另一个窄边上；

所述第二接地阶梯阻抗谐振器(7)包括第二高阻抗谐振器(71)和第二低阻抗谐振器(72)，第二低阻抗谐振器(72)的一端与第二微带传输线(32)垂直相连；

所述第三接地阶梯阻抗谐振器(8)包括第三高阻抗谐振器(81)和第三低阻抗谐振器(82)，第三低阻抗谐振器(8)的一端分别与第一四分之一波长耦合线(23)和第二四分之一波长耦合线(33)的输入端相连。

5.根据权利要求4所述的宽带功分滤波器，其特征在于：

所述第一三模谐振器(4)包括第一四分之一波长谐振器(41)、第二四分之一波长谐振器(42)、第一对称面枝节加载低阻抗谐振器(43)、第一对称面枝节加载高阻抗谐振器(44)，

所述第一四分之一波长谐振器(41)与矩形介质基板(101)宽边平行，第二四分之一波长谐振器(42)与矩形介质基板(101)宽边垂直，第一对称面枝节加载低阻抗谐振器(43)的轴线和第一对称面枝节加载高阻抗谐振器(44)的轴线均与矩形介质基板(101)宽边成45度角，

第一对称面枝节加载低阻抗谐振器(43)的一端同时与第一四分之一波长谐振器(41)的输出端和第二四分之一波长谐振器(42)的输入端相连，其另一端与第一对称面枝节加载高阻抗谐振器(44)的中轴相连，

所述第一四分之一波长谐振器(41)与第一半波长主传输线(12)平行耦合，第二四分之一波长谐振器(42)与第一四分之一波长耦合线(23)平行耦合；

所述第二三模谐振器(5)包括第三四分之一波长谐振器(51)、第四四分之一波长谐振器(52)、第二对称面枝节加载低阻抗谐振器(53)、第二对称面枝节加载高阻抗谐振器(54)，

所述第三四分之一波长谐振器(51)与矩形介质基板(101)宽边平行，第四四分之一波长谐振器(52)与矩形介质基板(101)宽边垂直，第二对称面枝节加载低阻抗谐振器(53)的轴线和第二对称面枝节加载高阻抗谐振器(54)的轴线均与矩形介质基板(101)宽边成135度角，

第二对称面枝节加载低阻抗谐振器(53)的一端同时与第三四分之一波长谐振器(51)的输出端和第四四分之一波长谐振器(52)的输入端相连，其另一端与第二对称面枝节加载高阻抗谐振器(54)的中轴相连，

所述第三四分之一波长谐振器(51)与第二半波长主传输线(13)平行耦合，第四四分之一波长谐振器(52)与第二四分之一波长耦合线(33)平行耦合。