CN108417938A - 一种微带滤波功分器 - Google Patents

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Abstract

在通信领域，传统的滤波器和功分器是两种不同的分离元件。本发明提供一种微带滤波功分器，同时实现滤波和功分的功能，从而有效得减小元件尺寸。研究表明，该微带滤波功分器在对输入信号实现二等分的同时，还能够实现三阶带通频率响应。在通带两侧各有一个传输零点，极大改善了频率选择性；具有突出的带外抑制能力；输出端口之间的隔离度高；尺寸较小；此外，设计过程简单，容易调试等显著优点。

Description

一种微带滤波功分器
技术领域
本发明属于通信技术领域，具体涉及一种微带滤波功分器。
背景技术
在射频/微波/光频等较高频段内，主要使用微带线、带状线、槽线、鳍线、共面波导、同轴线、波导等多种传输线结构。这些传输线具有分布参数效应，其电气特性与结构尺寸紧密相关。其中，微带线具有体积小、重量轻、使用频带宽、可靠性高和制造成本低等优点，是应用广泛的一类传输线。在雷达、通信及测量***中，滤波器是关键器件之一。其功能在于允许某一部分频率的信号顺利的通过，而让另外一部分频率的信号受到较大的抑制，其性能对于整个***性能具有重要的影响。滤波器的技术指标包括通带带宽、***损耗、通带波动、回波损耗、阻带抑制度、带内相位线性度及群时延等。功分器全称功率分配器，是通信或雷达***中的重要器件。它是一种将一路输入信号能量分成两路或多路输出相等或不相等能量的器件，也可反过来将多路信号能量合成一路输出，此时可也称为合路器。由于功分器可以逆向使用作为合路器，所以下面的讨论皆以功分器为例。一个功分器的输出端口之间应保证一定的隔离度。功分器的主要技术参数有***损耗、回波损耗、功率分配端口间的隔离度和通带宽度等等。传统的滤波器和功分器是两个分立的元件，承担不同的功能。如果能用一个元件同时实现滤波和功分的功能，将有助于减小元件尺寸，该元件被称之为滤波功分器。如果采用微带线来实现，称之为微带滤波功分器。探索具有小尺寸、良好滤波功能的新型微带滤波功分器结构具有极为重要的意义
发明内容
本发明的目的是为了克服传统的滤波器和功分器分属两个元件和尺寸较大的缺点，提供了一种新型的微带滤波功分器，能够同时实现滤波和功分的功能，具有优秀的频率选择性、小尺寸和容易设计等优点。
典型微带线的结构如图1所示，主要包括三层。第I层是金属上覆层，第II层是介质基片，第III层是金属下覆层。本发明所述的微带滤波功分器的结构如图2所示。为了实现本发明所述的微带滤波功分器，所采用的技术方案是：在微带线的金属上覆层(I)内刻蚀如图2所示的图案。其特征在于：第一端口(1)连接到平行耦合三线结构(11)的左端；平行耦合三线结构(11)外面两线分别在左端跨接第一电阻(R1)，在右端跨接第二电阻(R2)；在平行耦合三线结构(11)右端，同时连接到第一线节(21)、第一平行耦合两线结构(23)、第二线节(31)和第二平行耦合两线结构(33)；第一线节(21)与第三线节(22)相连，第二线节(31)与第四线节(32)相连，第三线节(22)通过第三电阻(R3)与第四线节(32)相连；第一平行耦合两线结构(23)连接到第二端口(2)；第二平行耦合两线结构(33)连接到第三端口(3)；构成本发明所述的微带滤波功分器。
如图2所示的微带滤波功分器中，电气参数如下：第一端口(1)的阻抗为Z1；第二端口(2)的阻抗为Z2；第三端口(3)的阻抗为Z3；平行耦合三线结构(11)如图3所示，三根线的线宽相等，线与线之间的缝隙相等，设虚线框里的平行耦合两线结构的偶模阻抗为Z11e，奇模阻抗为Z11o，电长度为θ11；第一线节(21)阻抗为Z21，电长度为θ21；第二线节(31)阻抗为Z31，电长度为θ31；第三线节(22)阻抗为Z22，电长度为θ22；第四线节(32)阻抗为Z32，电长度为θ32；第一平行耦合两线结构(23)的偶模阻抗为Z23e，奇模阻抗为Z23o，电长度为θ23；第二平行耦合两线结构(33)的偶模阻抗为Z33e，奇模阻抗为Z33o，电长度为θ33。
不失一般性，用本发明所述的微带滤波功分器对输入信号实现二等分，且具有带通滤波功能。因此，微带滤波功分器的结构是上下对称的。可以采用奇偶模分析方法对微带滤波功分器进行分析，分别得到偶模结构和奇模结构。其中，偶模结构可以用图4中的集总参数等效电路来描述。其中，VS是信号源，RS是信号源内阻，RL是负载阻抗，K1和K2是阻抗倒置器，L1、L2、L3和L4是电感，C1、C2、C3和C4是电容。微带滤波功分器的电气参数与集总参数等效电路的元件之间，由下面的等效关系公式来描述：
其中，ω0是带通频率响应的中心角频率，即ω0＝2πf0，f0带通频率响应的中心频率。电长度θ11、θ21、θ22和θ23在中心频率处等于π/2。
本发明所述的微带滤波功分器的设计步骤如下：第一步，根据微带滤波功分器所要实现的技术指标，包括通带位置、带内回波损耗、传输零点位置等，先确定图4中的集总参数等效电路的各个元件值；第二步，使用等效关系公式(1)到(6)，由集总参数等效电路的各个元件值计算得到微带滤波功分器的电气参数；第三步，选定微带基片后，根据电气参数计算得到微带滤波功分器的结构参数，再通过优化调整结构参数，使微带滤波功分器性能满足技术指标的要求。
本发明所述的微带滤波功分器的有益效果是：在通带两边各有一个传输零点，极大改善了频率选择性；输出端口之间的隔离度高；尺寸较小，设计过程简单，容易调试等显著优点。
附图说明
图1：微带线结构示意图；
图2：微带滤波功分器示意图；
图3：平行耦合三线结构示意图；
图4：微带滤波功分器偶模结构的集总参数等效电路图；
图5：实施例的理想带通频率响应图；
图6：微带滤波功分器尺寸标注示意图；
图7：实施例的|S11|与|S21|仿真结果和测试结果图；
图8：实施例的|S22|与|S32|仿真结果和测试结果图。
具体实施方式
为了体现本发明的创造性和新颖性，下面深入分析该微带滤波功分器的物理机制。在分析过程中，将结合附图和具体实施例进行阐述，但本发明的实施方式不限于此。在实施例中，用该微带滤波功分器对输入信号实现二等分，且具有带通滤波功能。带通频率响应的中心频率为1.94GHz，相对带宽为39％，带内回波损耗大于20dB。理想的带通频率响应如图5所示，在通带两侧各有一个传输零点，可以有效得提升频率选择性。另外，将三个端口的阻抗设定为50Ω，即Z1＝Z2＝Z3＝50Ω。
根据如前所述的微带滤波功分器的设计步骤，第一步是根据技术指标确定图5中的集总参数等效电路的各个元件值。在本实施例中，根据技术指标得到：K1＝K2＝45.8258Ω、L1＝L4＝6.5042nH、C1＝C4＝1.0358pF、L2＝1.7497nH、C2＝3.8503pF、L3＝1.4923nH和C3＝4.5143pF。
第二步，使用等效关系公式(1)到(6)，由集总参数等效电路的各个元件值计算得到微带滤波功分器的电气参数。通过计算可得：Z11e＝146.7220Ω，Z11o＝55.0705Ω，Z21＝41.4221Ω，Z22＝78.7306Ω，Z23e＝146.7220Ω，Z23o＝55.0705Ω。电长度θ11、θ21、θ22和θ23在中心频率处等于π/2。
第三步，选定微带基片，根据电气参数计算得到微带滤波功分器的结构参数，再通过优化调整结构参数，使微带滤波功分器性能满足技术指标的要求。不失一般性，这里采用微带线基片的介电常数为3.66，基片厚度为0.508mm。由上面得到的电气参数，可以得到一组结构参数值。经过优化之后，得到如图6中的各个结构参数(单位：mm)如下：W1＝0.34，W11＝0.35，l1＝21.69，W2＝0.18，l21＝2.82，l22＝21.00，W3＝2.28，l31＝2.60，l32＝6.00，l33＝9.62，W4＝0.36，l41＝2.30，l42＝12.66，l43＝11.00，g1＝0.24和g2＝0.24。电阻为：R1＝270Ω，R2＝360Ω和R3＝6.2KΩ。
对实施例中的微带滤波功分器进行了加工测试。在图7和8中，分别给出施例中的微带滤波功分器的仿真结果和测试结果。两组结果吻合得很好，充分说明了本发明所述设计过程的有效性。从测试结果可见，实际加工的微带滤波功分器的通带能够覆盖技术指标要求的频率范围。在中心频率处的插损为3.74dB，有效得实现了输入功率的二等分。两个传输零点分别位于通带两侧，即1.29GHz和2.76GHz处，极大得改善了频率选择性。从直流到1.35GHz频率范围内的抑制超过了34dB，从通带右侧直到5.38GHz频率范围内的抑制超过了28dB。从直流到5.38GHz频率范围内，第二端口与第三端口之间的隔离度超过20dB。整个微带滤波功分器的尺寸为0.33λg×0.25λg，其中λg是中心频率所对应的波导波长，说明微带滤波功分器具有小尺寸的优点。
以上所列举的实施例，充分说明了本发明所述的微带滤波功分器具有优异的频率响应、尺寸较小、设计过程简单等优点，具有显著的技术进步。本领域的普通技术人员将会意识到，这里所述的实施例是为了帮助读者理解本发明的原理，应被理解为本发明的保护范围并不局限于这样的特别陈述和实施例。本领域的普通技术人员可以根据本发明公开的这些技术启示做出各种不脱离本发明实质的其它各种具体变形和组合，这些变形和组合仍然在本发明的保护范围内。

Claims (3)

1.一种微带滤波功分器，其特征在于：第一端口(1)连接到平行耦合三线结构(11)的左端；平行耦合三线结构(11)外面两线分别在左端跨接第一电阻(R1)，在右端跨接第二电阻(R2)；在平行耦合三线结构(11)右端，同时连接到第一线节(21)、第一平行耦合两线结构(23)、第二线节(31)和第二平行耦合两线结构(33)；第一线节(21)与第三线节(22)相连，第二线节(31)与第四线节(32)相连，第三线节(22)通过第三电阻(R3)与第四线节(32)相连；第一平行耦合两线结构(23)连接到第二端口(2)；第二平行耦合两线结构(33)连接到第三端口(3)；构成本发明所述的微带滤波功分器。
2.根据权利要求1所述的微带滤波功分器，可以实现一个三阶带通频率响应，在其通带两侧各有一个传输零点。
3.根据权利要求1所述的微带滤波功分器，其偶模结构可以用一个集总参数等效电路来等效，如图4所示；其中，VS是信号源，RS是信号源内阻，RL是负载阻抗，K1和K2是阻抗倒置器，L1、L2、L3和L4是电感，C1、C2、C3和C4是电容；微带滤波功分器的电气参数与集总参数等效电路的元件之间，由下面的等效关系公式来描述：
其中，ω0是带通频率响应的中心角频率，即ω0＝2πf0，f0带通频率响应的中心频率；电长度θ11、θ21、θ22和θ23在中心频率处等于π/2；微带滤波功分器中，电气参数如下：第一端口(1)的阻抗为Z1；第二端口(2)的阻抗为Z2；第三端口(3)的阻抗为Z3；平行耦合三线结构(11)中的平行耦合两线结构的偶模阻抗为Z11e，奇模阻抗为Z11o，电长度为θ11；第一线节(21)阻抗为Z21，电长度为θ21；第二线节(31)阻抗为Z31，电长度为θ31；第三线节(22)阻抗为Z22，电长度为θ22；第四线节(32)阻抗为Z32，电长度为θ32；第一平行耦合两线结构(23)的偶模阻抗为Z23e，奇模阻抗为Z23o，电长度为θ23；第二平行耦合两线结构(33)的偶模阻抗为Z33e，奇模阻抗为Z33o，电长度为θ33。
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