CN109066039A - 一种新型的微带功分双工器 - Google Patents
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Abstract
本发明公开一种新型的微带功分双工器，包括下表面设有金属接地板的多边形介质基板，在所述多边形介质基板的上表面设有输入端口馈线、第一至第四输出端口馈线、第一至第四输出耦合线。在所述第一输出端口馈线及第二输出端口馈线与输入端口馈线之间分别设有相同的第一与第二E型双模谐振器，在所述第三及第四输出端口馈线与输入端口馈线之间分别设有相同的第三与第四E型双模谐振器。在所述第一与第二E型双模谐振器之间设有第一隔离电阻，在所述第三与第四E型双模谐振器之间设有第二隔离电阻。在所述第一至第四输出耦合线的末端分别设有一个通孔。本发明所述微带功分双工器，结构紧凑、损耗低、选择性高、隔离度好，具有良好的带外抑制性能。
Description
技术领域
本发明涉及微波无源器件技术领域，特别是一种同时具备结构紧凑、损耗低、选择性高、隔离度好以及良好的带外抑制等多种特性的新型微带功分双工器。这种新型的微带功分双工器具备全新的拓扑结构，在无需额外馈电网络的情况下实现信道分离和功率分配功能，每个通道都可以独立设计和控制，表现出极大的设计灵活性。
背景技术
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、高度集成、小型化已经成为现代无线通信***集成设计中非常重要的考虑因素。通常，射频前端电路由不同器件构成，如滤波器，功分器等，而单独设计这些器件无疑增加了前端电路的物理尺寸，因此，设计同时具有功分和滤波特性的器件成为了减小电路尺寸的最有效办法。功分双工器作为一种功能集成的无源元件，受到了学术研究者的广泛关注。
文献1[M.S.Sorkherizi,A.Vosoogh,A.A.Kishk and P.S.Kildal,“Design ofintegrated diplexer-power divider,”2016IEEE MTT-S International MicrowaveSymposium(IMS),San Francisco,CA,2016,pp.1-3.]通过利用间隙波导技术，设计了一种高阶通道集成功分双工器来馈送天线阵列，但是并没有利用PCB技术来实现功分双工器的设计，其电路尺寸偏大。
文献2[X.Wang,J.Wang,G.Zhang,J.S.Hong and W.Wu,“Dual-widebandfiltering power divider with good isolation and high selectivity,”IEEEMicrow.Wireless Compon.Lett.,vol.27,no.12,pp.1071-1073,Dec.2017.]提出了一种具有宽阻带性能的功分滤波器，然而，其插损大、选择性差的问题限制了该功分滤波器的广泛应用。
文献3[C.G.Sun and J.L.Li,"Design of planar multi-way differentialpower division network using double-sided parallel stripline,”Electron.Lett.,2017,53,20,pp.1364-1366.]通过利用E形谐振器，设计了一款选择性高的功分双工器，但是其带内的隔离水平欠佳。
基于上述背景，我们结合E型双模谐振器的谐振机理，利用二分之一波长耦合线的场分布原理，实现功率分配和双工器功能的集成，同时，巧妙的设计隔离电阻的位置，实现了一种结构紧凑、损耗低、选择性高、隔离度好以及具有良好的带外抑制特性的一种新型的微带功分双工器，该功分双工器非常适用于现代无线通信***的应用。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是：
本发明的目的在于提供一种具备全新拓扑结构的微带功分双工器，同时具备结构紧凑、损耗低、选择性高、隔离度好以及良好的带外抑制特性。
本发明为解决上述技术问题采用以下技术方案：
本发明提出一种新型的微带功分双工器，包括下表面设有金属接地板的多边形介质基板，在所述多边形介质基板的上表面设有输入端口馈线、第一输出端口馈线、第二输出端口馈线、第三输出端口馈线、第四输出端口馈线、第一输出耦合线、第二输出耦合线、第三输出耦合线和第四输出耦合线；在所述第一输出端口馈线及第二输出端口馈线与输入端口馈线之间分别设有相同的第一E型双模谐振器与第二E型双模谐振器，在所述第三输出端口馈线及第四输出端口馈线与输入端口馈线之间分别设有相同的第三E型双模谐振器与第四E型双模谐振器；在所述第一E型双模谐振器与第二E型双模谐振器之间设有第一隔离电阻，在所述第三E型双模谐振器与第四E型双模谐振器之间设有第二隔离电阻；在所述第一输出耦合线、第二输出耦合线、第三输出耦合线和第四输出耦合线的末端分别设有一个通孔。
如前所述的一种新型的微带功分双工器，进一步地：
所述输入端口馈线包括50欧姆微带线导带和二分之一波长输入耦合线，所述50欧姆微带线导线的输入端位于矩形介质基板的一个短边，其输出端与二分之一波长输入耦合线的一端相连，所述二分之一波长输入耦合线的自由端指向矩形介质基板的另一短边。
如前所述的一种新型的微带功分双工器，进一步地：
所述第一输出端口馈线包括第一50欧姆微带线导带和第一耦合输出线，所述第一50欧姆微带线导带一端位于多边形介质基板的两相邻垂直边的长边，另一端与呈L型弯折的第一耦合输出线的短边端面相接，所述第一耦合输出线的L型长边与多边形介质基板的垂直相邻的长边平行，并指向多边形介质基板的短边。
如前所述的一种新型的微带功分双工器，进一步地：
所述第二输出端口馈线包括第二50欧姆微带线导带和第二耦合输出线，所述第二50欧姆微带线导带一端位于多边形介质基板的两相邻垂直边的长边，另一端与呈L型弯折的第二耦合输出线的短边端面相接，所述第二耦合输出线的L型长边与多边形介质基板的垂直相邻的长边平行，并指向多边形介质基板的短边。
如前所述的一种新型的微带功分双工器，进一步地：
所述第三输出端口馈线包括第三50欧姆微带线导带和第三耦合输出线，所述第三50欧姆微带线导带一端位于多边形介质基板的两相邻垂直边的长边，另一端与呈L型弯折的第三耦合输出线的短边端面相接，所述第三耦合输出线的L型长边与多边形介质基板的垂直相邻的长边平行，并指向多边形介质基板6的短边。
如前所述的一种新型的微带功分双工器，进一步地：
所述第四输出端口馈线包括第四50欧姆微带线导带和第四耦合输出线，所述第四50欧姆微带线导带一端位于多边形介质基板的两相邻垂直边的长边，另一端与呈L型弯折的第四耦合输出线的短边端面相接，所述第四耦合输出线的L型长边与多边形介质基板的垂直相邻的长边平行，并指向多边形介质基板6的短边。
如前所述的一种新型的微带功分双工器，进一步地：
所述第一E型双模谐振器关于第一枝节加载单元对称分布。所述第一E型双模谐振器在第一输出端口馈线2和输入端口馈线之间。所述第一E型双模谐振器包括第一二分之一波长谐振器与第一枝节加载单元，所述第一枝节加载单元加载于呈U型弯折的第一二分之一波长谐振器的中心，所述第二E型双模谐振器与第一E型双模谐振器关于介质基板中心对称。
如前所述的一种新型的微带功分双工器，进一步地：
所述第三E型双模谐振器关于第三枝节加载单元对称分布。所述第三E型双模谐振器在第三输出端口馈线和输入端口馈线之间。所述第三E型双模谐振器包括第三二分之一波长谐振器与第三枝节加载单元，所述第三枝节加载单元加载于呈U型弯折的第三二分之一波长谐振器的中心，所述第四E型双模谐振器与第三E型双模谐振器关于介质基板中心对称。
如前所述的一种新型的微带功分双工器，进一步地：
所述通孔分别位于所述第一输出耦合线、第二输出耦合线、第三输出耦合线和第四输出耦合线的末端。
如前所述的一种新型的微带功分双工器，进一步地：
所述多边形介质基板厚度为0.508mm的长方体。
本发明采用以上技术方案与现有技术相比，具有以下技术效果：
(1)本发明的结构紧凑，可在单片PCB板上实现，便于加工集成，生产成本低。
(2)本发明利用E型双模谐振器的谐振机理和主传输线的电场分布特性，具备结构紧凑、损耗低、选择性高及良好的带外抑制性能。
(3)本发明具备全新的拓扑结构，在无需额外馈电网络的情况下实现信道分离和功率分配功能，每个通道都可以独立设计和控制，表现出极大的设计灵活性。
(4)本发明利用谐振器之间接隔离电阻，隔离度好，适用于现代无线通信***。
附图说明
图1是本发明一种新型的微带功分双工器的立体结构示意图。
图2是图1的俯视图。
图3是实施例1的结构尺寸示意图。
图4是实施例1的S参数仿真图。
图5是实施例1的两个输出端口的匹配特性和隔离特性S参数仿真图。
图例：1-输入端口馈线；2-第一输出端口馈线；3-第二输出端口馈线；4-第三输出端口馈线；5-第四输出端口馈线；6-多边形介质基板；7-金属接地板；A-第一E型双模谐振器；B-第二E型双模谐振器；C-第三E型双模谐振器；D-第四E型双模谐振器；R1-第一隔离电阻；R2-第二隔离电阻；Via hole-通孔；
11-50欧姆微带线导带；12-二分之一波长输入耦合线；
21-第一50欧姆微带线导带；22-第一输出耦合线；
31-第二50欧姆微带线导带；32-第二输出耦合线；
41-第二50欧姆微带线导带；42-第二输出耦合线；
51-第二50欧姆微带线导带；62-第二输出耦合线；
A1-第一二分之一波长谐振器；A2-第一枝节加载单元；
B1-第二二分之一波长谐振器；B2-第二枝节加载单元；
C1-第三二分之一波长谐振器；C2-第三枝节加载单元；
D1-第四二分之一波长谐振器；D2-第四枝节加载单元。
具体实施方式
下面结合附图对本发明的技术方案做进一步的详细说明：
本技术领域技术人员可以理解的是，除非另外定义，这里使用的所有术语(包括技术术语和科学术语)具有与本发明所属领域中的普通技术人员的一般理解相同的意义。还应该理解的是，诸如通用字典中定义的那些术语应该被理解为具有与现有技术的上下文中的意义一致的意义，并且除非像这里一样定义，不会用理想化或过于正式的含义来解释。
如图1、图2所示，本发明一种新型的微带功分双工器，包括下表面设有金属接地板7的多边形介质基板6，在所述多边形介质基板6的上表面设有输入端口馈线1、第一输出端口馈线2、第二输出端口馈线3、第三输出端口馈线4、第四输出端口馈线5、第一输出耦合线22、第二输出耦合线32、第三输出耦合线42和第四输出耦合线52。在所述第一输出端口馈线2及第二输出端口馈线3与输入端口馈线1之间分别设有相同的第一E型双模谐振器A与第二E型双模谐振器B，在所述第三输出端口馈线4及第四输出端口馈线5与输入端口馈线1之间分别设有相同的第三E型双模谐振器C与第四E型双模谐振器D。在所述第一E型双模谐振器A与第二E型双模谐振器B之间设有第一隔离电阻R1，在所述第三E型双模谐振器C与第四E型双模谐振器D之间设有第二隔离电阻R2。在所述第一输出耦合线22、第二输出耦合线32、第三输出耦合线42和第四输出耦合线52的末端分别设有一个通孔。
所述输入端口馈线1包括50欧姆微带线导带11和二分之一波长输入耦合线12，所述50欧姆微带线导线11的输入端位于矩形介质基板6的一个短边，其输出端与二分之一波长输入耦合线12的一端相连，所述二分之一波长输入耦合线12的自由端指向矩形介质基板6的另一短边。
所述第一输出端口馈线2包括第一50欧姆微带线导带21和第一耦合输出线22，所述第一50欧姆微带线导带21一端位于多边形介质基板9的两相邻垂直边的长边，另一端与呈L型弯折的第一耦合输出线22的短边端面相接，所述第一耦合输出线22的L型长边与多边形介质基板9的垂直相邻的长边平行，并指向多边形介质基板9的短边。
所述第二输出端口馈线3包括第二50欧姆微带线导带31和第二耦合输出线32，所述第二50欧姆微带线导带31一端位于多边形介质基板6的两相邻垂直边的长边，另一端与呈L型弯折的第二耦合输出线32的短边端面相接，所述第二耦合输出线32的L型长边与多边形介质基板6的垂直相邻的长边平行，并指向多边形介质基板6的短边。
所述第三输出端口馈线4包括第三50欧姆微带线导带41和第三耦合输出线42，所述第三50欧姆微带线导带41一端位于多边形介质基板6的两相邻垂直边的长边，另一端与呈L型弯折的第三耦合输出线42的短边端面相接，所述第三耦合输出线42的L型长边与多边形介质基板6的垂直相邻的长边平行，并指向多边形介质基板6的短边。
所述第四输出端口馈线5包括第四50欧姆微带线导带51和第四耦合输出线52，所述第四50欧姆微带线导带51一端位于多边形介质基板6的两相邻垂直边的长边，另一端与呈L型弯折的第四耦合输出线52的短边端面相接，所述第四耦合输出线52的L型长边与多边形介质基板6的垂直相邻的长边平行，并指向多边形介质基板6的短边。
所述第一E型双模谐振器A关于第一枝节加载单元A2对称分布。所述第一E型双模谐振器A在第一输出端口馈线2和输入端口馈线1之间。所述第一E型双模谐振器A包括第一二分之一波长谐振器A1与第一枝节加载单元A2，所述第一枝节加载单元A2加载于呈U型弯折的第一二分之一波长谐振器A1的中心。
所述第二E型双模谐振器B关于第二枝节加载单元B2对称分布。所述第二E型双模谐振器B在第二输出端口馈线3和输入端口馈线1之间。所述第二E型双模谐振器B包括第二二分之一波长谐振器B1与第二枝节加载单元B2，所述第二枝节加载单元B2加载于呈U型弯折的第二二分之一波长谐振器B1的中心，所述第二E型双模谐振器B与第一E型双模谐振器A关于介质基板中心对称。
所述第三E型双模谐振器C关于第三枝节加载单元C2对称分布。所述第三E型双模谐振器C在第三输出端口馈线4和输入端口馈线1之间。所述第三E型双模谐振器C包括第三二分之一波长谐振器C1与第三枝节加载单元C2，所述第三枝节加载单元C2加载于呈U型弯折的第三二分之一波长谐振器C1的中心。
所述第四E型双模谐振器D关于第四枝节加载单元D2对称分布。所述第四E型双模谐振器D在第四输出端口馈线5和输入端口馈线1之间。所述第四E型双模谐振器D包括第四二分之一波长谐振器D1与第四枝节加载单元D2，所述第四枝节加载单元D2加载于呈U型弯折的第四二分之一波长谐振器D1的中心，所述第四E型双模谐振器D与第三E型双模谐振器C关于介质基板中心对称。
所述通孔Via hole分别位于所述第一输出耦合线22、第二输出耦合线32、第三输出耦合线42和第四输出耦合线52的末端。
所述多边形介质基板6为厚度为0.508mm的长方体。
下面结合附图叙述本发明的原理。本发明所述的一种新型的微带功分双工器中，E型双模谐振器A、B、C、D的二分之一波长谐振器A1、B1、C1、D1的长度和宽度决定了通带的位置，调节枝节加载单元A2、B2、C2、D2的长度和宽度可以改变通带的带宽以及平坦度，二分之一波长输入耦合线12和二分之一波长谐振器A1、B1、C1、D1之间的耦合间距以及耦合输出线22、32、42、52分别与二分之一波长谐振器A1、B1、C1、D1之间的耦合间距对耦合强度影响较大，间距越小耦合强度越大；此外，隔离电阻R1、R2对输出端口的隔离度影响较大，调节隔离电阻阻值的大小，可获得最佳隔离度。
本发明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，结构简单，可在单片PCB板上实现，便于加工集成，生产成本低。同时，利用E型双模谐振器和二分之一波长耦合线场分布特性，获得良好的功率分配特性和滤波特性，通过巧妙的在谐振器之间接隔离电阻，获得了良好的端口隔离特性。由于本发明的新型微带功分双工器选择性高、***损耗小、带外抑制性能好，适用于现代无线通信***。
下面结合实施例对本发明作进一步详细描述。
实施例1
一种新型的微带功分双工器的结构如图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6的相对介电常数为3.55，厚度为0.508mm，损耗角正切为0.0027。结合图3，功分双工器的各尺寸参数如下：L1＝18.5,L2＝15.5,L3＝14.9,L4＝12.6,L5＝5,L6＝5,L7＝4,W1＝0.5,W2＝1.2,W3＝1.2,W4＝0.5,Lp1＝5,Lp2＝5,Wp1＝1.5,Lf1＝1.8,Wf1＝0.1,Wf2＝0.5,g1＝0.2,g2＝0.2,s＝0.5,F＝1,R1＝200Ω,R2＝450Ω。
本实施例中，所述功分双工器是在电磁仿真软件HFSS.13.0中建模仿真的，所述功分双工器的实物测试是在Agilent N5244A网络分析仪中测试的。图4是本实例中功分双工器的S参数仿真及实物波形图并附有加工实物，从图中可以看出，该微带功分双工器的通带中心频率分别为2.45GHz和2.98GHz，通带内回波损耗低于19.2dB和15.3dB，最小***损耗为1.6dB和1.9dB。通带外两个传输零点使得该实例功分滤波器具有很好的频率选择性和二次谐波抑制性。
图5是本实例中功分双工器的功率输出端口匹配特性和隔离特性的S参数仿真和实物测试图，其中，1为输入端口馈线；2为第一输出端口馈线；3为第二输出端口馈线；4为第三输出端口馈线；5为第四输出端口馈线，与之前的附图一一对应。从图中可以看出，该实例功分双工器双通带内的输出端口隔离度分别好于28.9dB和21.0dB。
综上所述，本发明提出了一种新型的微带功分双工器，结合E型双模谐振器和二分之一波长耦合线的场分布特性，利用谐振器间接隔离电阻，实现了一种结构紧凑、损耗低、选择性高、隔离度好、具有较好带外抑制性能的功分双工器，该功分双工器非常适用于现代无线通信***。
以上所述仅是本发明的部分实施方式，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，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。
Claims (10)
1.一种新型的微带功分双工器，其特征在于：包括下表面设有金属接地板(7)的多边形介质基板(6)，在所述多边形介质基板(6)的上表面设有输入端口馈线(1)、第一输出端口馈线(2)、第二输出端口馈线(3)、第三输出端口馈线(4)、第四输出端口馈线(5)、第一输出耦合线(22)、第二输出耦合线(32)、第三输出耦合线(42)和第四输出耦合线(52)；在所述第一输出端口馈线(2)及第二输出端口馈线(3)与输入端口馈线(1)之间分别设有相同的第一E型双模谐振器(A)与第二E型双模谐振器(B)，在所述第三输出端口馈线(4)及第四输出端口馈线(5)与输入端口馈线(1)之间分别设有相同的第三E型双模谐振器(C)与第四E型双模谐振器(D)；在所述第一E型双模谐振器(A)与第二E型双模谐振器(B)之间设有第一隔离电阻(R1)，在所述第三E型双模谐振器(C)与第四E型双模谐振器(D)之间设有第二隔离电阻(R2)；在所述第一输出耦合线(22)、第二输出耦合线(32)、第三输出耦合线(42)和第四输出耦合线(52)的末端分别设有一个通孔。
2.根据权利要求1所述的一种新型的微带功分双工器，其特征在于：
所述输入端口馈线(1)包括50欧姆微带线导带(11)和二分之一波长输入耦合线(12)，所述50欧姆微带线导线(11)的输入端位于矩形介质基板(6)的一个短边，其输出端与二分之一波长输入耦合线(12)的一端相连，所述二分之一波长输入耦合线(12)的自由端指向矩形介质基板(6)的另一短边。
3.根据权利要求1所述的一种新型的微带功分双工器，其特征在于：
所述第一输出端口馈线(2)包括第一50欧姆微带线导带(21)和第一耦合输出线(22)，所述第一50欧姆微带线导带(21)一端位于多边形介质基板(6)的两相邻垂直边的长边，另一端与呈L型弯折的第一耦合输出线(22)的短边端面相接，所述第一耦合输出线(22)的L型长边与多边形介质基板(6)的垂直相邻的长边平行，并指向多边形介质基板(6)的短边。
4.根据权利要求1所述的一种新型的微带功分双工器，其特征在于：
所述第二输出端口馈线(3)包括第二50欧姆微带线导带(31)和第二耦合输出线(32)，所述第二50欧姆微带线导带(31)一端位于多边形介质基板(6)的两相邻垂直边的长边，另一端与呈L型弯折的第二耦合输出线(32)的短边端面相接，所述第二耦合输出线(32)的L型长边与多边形介质基板(6)的垂直相邻的长边平行，并指向多边形介质基板(6)的短边。
5.根据权利要求1所述的一种新型的微带功分双工器，其特征在于：
所述第三输出端口馈线(4)包括第三50欧姆微带线导带(41)和第三耦合输出线(42)，所述第三50欧姆微带线导带(41)一端位于多边形介质基板(6)的两相邻垂直边的长边，另一端与呈L型弯折的第三耦合输出线(42)的短边端面相接，所述第三耦合输出线(42)的L型长边与多边形介质基板(6)的垂直相邻的长边平行，并指向多边形介质基板(6)的短边。
6.根据权利要求1所述的一种新型的微带功分双工器，其特征在于：
所述第四输出端口馈线(5)包括第四50欧姆微带线导带(51)和第四耦合输出线(52)，所述第四50欧姆微带线导带(51)一端位于多边形介质基板(6)的两相邻垂直边的长边，另一端与呈L型弯折的第四耦合输出线(52)的短边端面相接，所述第四耦合输出线(52)的L型长边与多边形介质基板(6)的垂直相邻的长边平行，并指向多边形介质基板(6)的短边。
7.根据权利要求1所述的一种新型的微带功分双工器，其特征在于：
所述第一E型双模谐振器(A)关于第一枝节加载单元(A2)对称分布。所述第一E型双模谐振器(A)在第一输出端口馈线(2)和输入端口馈线(1)之间；所述第一E型双模谐振器(A)包括第一二分之一波长谐振器(A1)与第一枝节加载单元(A2)，所述第一枝节加载单元(A2)加载于呈U型弯折的第一二分之一波长谐振器(A1)的中心，所述第二E型双模谐振器(B)与第一E型双模谐振器(A)关于介质基板中心对称。
8.根据权利要求1所述的一种新型的微带功分双工器，其特征在于：
所述第三E型双模谐振器(C)关于第三枝节加载单元(C2)对称分布；所述第三E型双模谐振器(C)在第三输出端口馈线(4)和输入端口馈线(1)之间；所述第三E型双模谐振器(C)包括第三二分之一波长谐振器(C1)与第三枝节加载单元(C2)，所述第三枝节加载单元(C2)加载于呈U型弯折的第三二分之一波长谐振器(C1)的中心，所述第四E型双模谐振器(D)与第三E型双模谐振器(C)关于介质基板中心对称。
9.根据权利要求1所述的一种新型的微带功分双工器，其特征在于：
所述通孔分别位于所述第一输出耦合线(22)、第二输出耦合线(32)、第三输出耦合线(42)和第四输出耦合线(52)的末端。
10.根据权利要求1所述的一种新型的微带功分双工器，其特征在于：
所述多边形介质基板(6)厚度为0.508mm的长方体。
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