CN110311203A - 具有宽带共模抑制的非平衡到平衡滤波功分器 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种具有宽带共模抑制的非平衡到平衡滤波功分器，包括上层介质基板、下层介质基板和公共金属地；上层介质基板和下层介质基板上分别设置上表面馈线和下表面馈线，上表面馈线和下表面馈线关于公共金属地对称，共同构成第一输入端口馈线；公共金属地在与第一输入端口馈线对应的位置上蚀刻有矩形缺陷区域，配合实现单端输入；公共金属地上还刻蚀六个半模扇形缺陷地结构，六个半模扇形缺陷地结构分两组，两组半模扇形缺陷地结构关于第一耦合线所在轴线对称，每组半模扇形缺陷地结构沿中轴线方向半径呈阶梯状递增，配合实现宽共模抑制。本发明功分滤波器具有结构紧凑、宽带共模抑制、带外选择性高等优点。

Description

具有宽带共模抑制的非平衡到平衡滤波功分器

技术领域

本发明涉及微波无源器件，具体涉及一种具有宽带共模抑制的非平衡到平衡滤波功分器。

背景技术

平衡电路因具有共模抑制特性，可以有效的降低***噪声，减小电路组件的串扰，在通信***中受到越来越多的关注。文献1（W. Feng and W. Che," Novel widebanddifferential bandpass filters based on T-shaped structure," IEEE Trans.Microw. Theory Techn., vol. 60,no. 6, pp. 1560–1568, Jun. 2012）提出了一种平衡滤波器，文献2（L.-S. Wu, B. Xia, W.-Y. Yin, and J. Mao, “A half-mode substrateintegrated waveguide ring for two-way power division of balanced circuit,”IEEE Microw. Wireless Compon. Lett., vol. 22, no. 7,pp. 333–335, Jul. 2012）提出了一种平衡功分器，但它们都具有差分模式的输入和输出端，不能直接连接到单端电路。为了解决上述问题的限制，文献3（W. Zhang etal., “Novel planar compact coupled-line single-ended-tobalanced power divider,” IEEE Trans. Microw. TheoryTechn., vol. 65,no. 8, pp. 2953–2963, Aug. 2017）研制了一种单端到平衡的功分器。但是，由于没有额外的带通滤波能力，其共模抑制较窄，通带选择性和谐波抑制性较差。

发明内容

本发明的目的在于提供一种具有宽带共模抑制，且可直接连接单端电路和平衡电路的非平衡到平衡滤波功分器。

实现本发明目的的技术解决方案为：一种具有宽带共模抑制的非平衡到平衡滤波功分器，其结构为双面平行带线中间***导体的三层结构，包括上层介质基板、下层介质基板和公共金属地；所述上层介质基板和下层介质基板上分别设置上表面馈线和下表面馈线，所述上表面馈线和下表面馈线关于公共金属地对称，共同构成第一输入端口馈线；所述公共金属地在与第一输入端口馈线对应的位置上蚀刻有矩形缺陷区域，使得第一输入端口馈线形成双面平行带状线，实现单端输入；公共金属地上还刻蚀六个半模扇形缺陷地结构，所述六个半模扇形缺陷地结构分两组，两组半模扇形缺陷地结构关于第一耦合线所在轴线对称，每组半模扇形缺陷地结构沿中轴线方向半径呈阶梯状递增，配合实现宽共模抑制。

所述上层介质基板的上表面馈线一端与上层介质基板的边沿平齐，上层介质基板上还设置第一耦合线、第一开路枝节、第一隔离电阻，以及关于上表面馈线所在轴线对称分布的第一输出端口馈线与第二输出端口馈线、第一谐振器与第二谐振器、第二耦合线与第三耦合线；所述第一耦合线与上表面馈线在一条直线上，一端与上表面馈线相连，另一端与第一开路枝节相连；所述第一输出端口馈线、第二输出端口馈线分别与第二耦合线、第三耦合线相连；所述第一谐振器、第二谐振器采用T形双模谐振器，第一谐振器、第二谐振器的一枝节通过第一隔离电阻相连，并与第一耦合线产生耦合，另一枝节分别与第二耦合线、第三耦合线产生耦合。

所述下层介质基板的下表面馈线与上表面馈线关于公共金属地对称，其一端与下层介质基板的边沿平齐，下层介质基板上还设置第四耦合线、第二开路枝节、第二隔离电阻，以及关于下表面馈线所在轴线对称分布的第三输出端口馈线与第四输出端口馈线、第五耦合线与第六耦合线、第三谐振器与第四谐振器；所述第四耦合线与下表面馈线在一条直线上，一端与下表面馈线相连，另一端与第二开路枝节相连；所述第三输出端口馈线、第四输出端口馈线分别与第五耦合线、第六耦合线相连；所述第三谐振器与第四谐振器采用T形双模谐振器，第三谐振器、第四谐振器的一枝节通过第二隔离电阻相连，并与第四耦合线产生耦合，另一枝节分别与第五耦合线、第六耦合线产生耦合。

所述6个半模扇形缺陷区域一端与公共金属地的边沿平齐，形成开路端。

所述第一谐振器、第二谐振器、所述第三谐振器与第四谐振器为折叠的T形双模谐振器，其两边枝节关于中间枝节对称，与中间枝节夹角为45度。

所述第三谐振器与第一谐振器，所述第四谐振器与第二谐振器，所述第四耦合线与第一耦合线，所述第五耦合线与第二耦合线，第六耦合线与第三耦合线，以及第二开路枝节与第一开路枝节均关于公共金属地上下对称。

所述第一输出端口馈线、第二输出端口馈线均与第一耦合线平行，所述第二耦合线、第三耦合线均与第一耦合线垂直；所述第一谐振器、第二谐振器的一边枝节均与第一耦合线平行，并与第一耦合线产生耦合，另一边枝节分别与第二耦合线、第三耦合线平行，并与第二耦合线、第三耦合线产生耦合。

所述第三输出端口馈线、第四输出端口馈线、第五耦合线、第六耦合线均与第四耦合线垂直；所述第三谐振器、第四谐振器一边枝节均与第四耦合线平行，并与第四耦合线产生耦合，另一边枝节分别与第四输出端口馈线、第五耦合线平行，并与第四输出端口馈线、第五耦合线产生耦合。

所述第一开路枝节的开路端延伸出两个枝节，均与第一耦合线垂直；所述第二开路枝节的开路端延伸出两个枝节，均与第四耦合线垂直。

所述第一输入端口（3）为50欧姆双面平行带状线；所述第一输出端口馈线（4），第二输出端口馈线（5），第三输出端口馈线（13）及第四输出端口馈线（14）为50欧姆微带线。

本发明与现有技术相比，其显著优点为：1）本发明在中间层引入半模扇形缺陷地结构，不需要转换电路，即可直接连接不平衡电路和平衡电路，在保证宽带共模抑制的同时，减小了功分滤波器的尺寸和损耗；2）本发明引入开路枝节，通过其长度变化实现了可控的传输零点，提高了带外选择性；3）本发明通过隔离电阻连接谐振器，保证了两对平衡输出端口间的良好隔离。

附图说明

图1是本发明具有宽带共模抑制的非平衡到平衡滤波功分器的立体结构示意图。

图2是本发明实施实例的上层结构尺寸示意图。

图3是本发明实施实例的中间公共地结构尺寸示意图。

图4是本发明实施例的下层结构尺寸示意图。

图5是本发明实施例输入差模信号时S参数的仿真图。

图6是本发明实施例端口隔离度的仿真图。

图7是本发明实施例输入共模信号时S参数的仿真图。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例对本发明作进一步详细描述。

如图1所示，本发明具有宽带共模抑制的非平衡到平衡滤波功分器，其结构为双面平行带线中间***导体的三层结构，包括两层介质基板，上层介质基板（1）和下层介质基板（2），以及两层介质基板之间的公共金属地（20）。所述上层介质基板（1）和下层介质基板（2）上分别设置上表面馈线和下表面馈线，所述上表面馈线和下表面馈线关于公共金属地（20）对称，共同构成第一输入端口馈线（3），所述公共金属地（20）在与第一输入端口馈线（3）对应的位置上蚀刻有矩形缺陷区域（21），使得第一输入端口馈线（3）形成双面平行带状线，实现单端输入；公共金属地（20）上还刻蚀第一到第六半模扇形缺陷地结构（22-27），六个半模扇形缺陷地结构分两组，公共金属地（20）上刻蚀矩形缺陷区域（21）和第一半模扇形缺陷地结构（22）、第二半模扇形缺陷地结构（23）、第三半模扇形缺陷地结构（24）、第四半模扇形缺陷地结构（25）、第五半模扇形缺陷地结构（26）和第六半模扇形缺陷地结构（27）；其中第一半模扇形缺陷地结构（22）、第二半模扇形缺陷地结构（23）、第三半模扇形缺陷地结构（24）为一组，第四半模扇形缺陷地结构（25）、第五半模扇形缺陷地结构（26）和第六半模扇形缺陷地结构（27）为一组，两组半模扇形缺陷地结构关于第一耦合线（8）所在轴线对称，每组半模扇形缺陷地结构沿中轴线方向半径呈阶梯状递增，配合实现宽共模抑制。

进一步的，所述上层介质基板（1）还设置第一输出端口馈线（4）、第二输出端口馈线（5），第一谐振器（6）、第二谐振器（7），第一耦合线（8）、第二耦合线（9）、第三耦合线（10），第一开路枝节（11），以及第一隔离电阻（12）；所述上表面馈线一端与上层介质基板（1）的边沿平齐，一端与第一耦合线（8）相连，所述第一耦合线（8）与上表面馈线在一条直线上，第一耦合线（8）另一端与第一开路枝节（11）相连。所述第一输出端口馈线（4）与第二输出端口馈线（5）关于上表面馈线所在轴线对称分布，分别与第二耦合线（9）、第三耦合线（10）相连。所述第一谐振器（6）、第二谐振器（7）采用T形双模谐振器，关于上表面馈线所在轴线对称分布，第一谐振器（6）、第二谐振器（7）的一枝节通过第一隔离电阻（12）相连，并与第一耦合线（8）产生耦合，另一枝节分别与第二耦合线（9）、第三耦合线（10）产生耦合。

进一步的，所述第一谐振器（6）、第二谐振器（7）为折叠的T形双模谐振器，其两边枝节关于中间枝节对称，与中间枝节夹角为45度。

进一步的，所述第一输出端口馈线（4）、第二输出端口馈线（5）均与第一耦合线（8）平行，所述第二耦合线（9）、第三耦合线（10）均与第一耦合线（8）垂直。

进一步的，所述第一谐振器（6）、第二谐振器（7）的一边枝节均与第一耦合线（8）平行，并与第一耦合线（8）产生耦合，另一边枝节分别与第二耦合线（9）、第三耦合线（10）平行，并与第二耦合线（9）、第三耦合线（10）产生耦合。

进一步的，所述第一开路枝节（11）的开路端延伸出两个枝节，均与第一耦合线（8）垂直。

进一步的，所述下层介质基板（2）上还设置第三输出端口馈线（13）、第四输出端口馈线（14），第四耦合线（15）、第五耦合线（16）、第六耦合线（17），第二开路枝节（18）、第二隔离电阻（19），以及第三谐振器（28）与第四谐振器（29）；所述下表面馈线一端与下层介质基板（2）的边沿平齐，一端与第四耦合线（15）相连，所述第四耦合线（15）与下表面馈线在一条直线上，第四耦合线（15）的另一端与第二开路枝节（18）相连。所述第三输出端口馈线（13）与第四输出端口馈线（14）关于下表面馈线所在轴线对称分布，分别与第五耦合线（16）、第六耦合线（17）相连。所述第三谐振器（28）与第四谐振器（29）采用T形双模谐振器，关于下表面馈线所在轴线对称分布，第三谐振器（28）、第四谐振器（29）的一枝节通过第二隔离电阻（19）相连，并与第四耦合线（15）产生耦合，另一枝节分别与第五耦合线（16）、第六耦合线（17）产生耦合。

进一步的，所述第三谐振器（28）与第四谐振器（29）为折叠的T形双模谐振器，其两边枝节关于中间枝节对称，与中间枝节夹角为45度。

进一步的，所述第三谐振器（28）与第一谐振器（6），所述第四谐振器（29）与第二谐振器（7），所述第四耦合线（15）与第一耦合线（8），所述第五耦合线（16）与第二耦合线（9），第六耦合线（17）与第三耦合线（10），以及第二开路枝节（18）与第一开路枝节（11）均关于公共金属地（20）上下对称。

进一步的，所述第三输出端口馈线（13）、第四输出端口馈线（14）、第五耦合线（16）、第六耦合线（17）均与第四耦合线（15）垂直。

进一步的，所述第三谐振器（28）、第四谐振器（29）一边枝节均与第四耦合线（15）平行，并与第四耦合线（15）产生耦合，另一边枝节分别与第四输出端口馈线（14）、第五耦合线（16）平行，并与第四输出端口馈线（14）、第五耦合线（16）产生耦合。

进一步的，所述第二开路枝节（18）的开路端延伸出两个枝节，均与第四耦合线（15）垂直。

作为一种具体实现，介质基板（1）和介质基板（2）的相对介电常数可取3.55，厚度可取0.508mm。第一输入端口（3）为50欧姆双面平行带状线。所述第一输出端口馈线（4），第二输出端口馈线（5），第三输出端口馈线（13）及第四输出端口馈线（14）为50欧姆微带线。

进一步的，所述公共金属地（20）为矩形结构，其长边与第一耦合线（8）垂直，宽边与第一耦合线（8）平行，长度为第一输入端口（3）馈线与第一耦合线（8）的长度之和。6个半模扇形缺陷区域（22-27）一端与公共金属地（20）的长边平齐，形成开路端，其长度呈阶梯状递增，且可根据要求调整，以实现更宽的共模抑制带宽。

本发明具有宽带共模抑制的小型化非平衡到平衡滤波功分器的工作原理为：当差模信号经第一输入端口（3）流入，通过半模扇形缺陷地结构（22-27）实现了介质基板（1）上层和介质基板（2）下层差模信号的传输，信号经过耦合线（8、15）与谐振器（6、（7、28、29）耦合，激励起T形谐振器的两个模，T形谐振器又与耦合线（9、10、16、17）耦合，信号流经耦合线与实现了带通滤波功能，然后由输出端口馈线（4、14、5、13）输出。本发明中第一输出端口和第三输出端口为一对平衡端口，第二输出端口和第四输出端口为一对平衡端口。第一隔离电阻（12）和第二隔离电阻（19）在工作时，能够实现输出端口很好的隔离度。当共模信号经第一输入端口馈线（3）流入，通过缺陷地结构（21-27）阻碍了介质基板（1）上层和介质基板（2）下层共模信号的传输，因此信号不能从平衡输出端口输出，实现了共模抑制的功能。

实施例

为了验证本发明方案的有效性，进行如下功分器设计，其结构如图1所示。有关尺寸规格如图2、图3、图4所示。所采用的介质基板1、2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2、图3、图4，滤波功分器的各尺寸参数如下：L=57mm,L1=18mm，L2=9.3mm，L3=8.9mm，L4=7.1mm，L5=4mm，L6=4.2mm，L7=9mm，L8=7mm,L9=6mm,L10=3mm,L11=13.8mm,L12=L1=18mm,W=19.2mm,W1=2.3mm,W2=1.2mm,W3=1.5mm,W4=0.8mm,W5=0.4mm,W6=15mm,W7=5.1mm,W8=0.1mm,W9=0.5mm,S1=0.2mm,S2=0.1mm。

本实例在电磁仿真软件HFSS.18中进行建模仿真。图5、图6是本实例输入差模信号时的S参数仿真图，第一和第四输出端口构成差分端口A，第二和第三输出端口构成差分端口B,从图5中可以看出，该滤波功分器的中心频率为5.8GHz,相对带宽为27.6%，通带内***损耗优于-3.7dB,损耗较低，且通带两侧分别有两个传输零点使得该实例具有高选择性，从图6可以看出两对差分端口之间的隔离度小于-15dB。

图7是是本实例输入差模信号时的S参数仿真图，从图中可以看出，在2-10GHz范围内共模抑制达到了-30dB以下,达到了宽带共模抑制的效果。

综上所述，本发明具有宽带共模抑制的小型化非平衡到平衡滤波功分器，在保证小型化前提下实现了不平衡到平衡电路的转化，差分功率划分、宽带共模抑制和滤波功能，可直接连接不平衡电路和平衡电路，非常适用于现代无线通信***。

Claims (10)

1.具有宽带共模抑制的非平衡到平衡滤波功分器，其特征在于，其结构为双面平行带线中间***导体的三层结构，包括上层介质基板（1）、下层介质基板（2）和公共金属地（20）；所述上层介质基板（1）和下层介质基板（2）上分别设置上表面馈线和下表面馈线，所述上表面馈线和下表面馈线关于公共金属地（20）对称，共同构成第一输入端口馈线（3）；所述公共金属地（20）在与第一输入端口馈线（3）对应的位置上蚀刻有矩形缺陷区域（21），使得第一输入端口馈线（3）形成双面平行带状线，实现单端输入；公共金属地（20）上还刻蚀六个半模扇形缺陷地结构（22-27），所述六个半模扇形缺陷地结构分两组，两组半模扇形缺陷地结构关于第一耦合线（8）所在轴线对称，每组半模扇形缺陷地结构沿中轴线方向半径呈阶梯状递增，配合实现宽共模抑制。

2.根据权利要求1所述的具有宽带共模抑制的非平衡到平衡滤波功分器，其特征在于，所述上层介质基板（1）的上表面馈线一端与上层介质基板（1）的边沿平齐，上层介质基板（1）上还设置第一耦合线（8）、第一开路枝节（11）、第一隔离电阻（12），以及关于上表面馈线所在轴线对称分布的第一输出端口馈线（4）与第二输出端口馈线（5）、第一谐振器（6）与第二谐振器（7）、第二耦合线（9）与第三耦合线（10）；所述第一耦合线（8）与上表面馈线在一条直线上，一端与上表面馈线相连，另一端与第一开路枝节（11）相连；所述第一输出端口馈线（4）、第二输出端口馈线（5）分别与第二耦合线（9）、第三耦合线（10）相连；所述第一谐振器（6）、第二谐振器（7）采用T形双模谐振器，第一谐振器（6）、第二谐振器（7）的一枝节通过第一隔离电阻（12）相连，并与第一耦合线（8）产生耦合，另一枝节分别与第二耦合线（9）、第三耦合线（10）产生耦合。

3.根据权利要求1所述的具有宽带共模抑制的非平衡到平衡滤波功分器，其特征在于，所述下层介质基板（3）的下表面馈线与上表面馈线关于公共金属地（20）对称，其一端与下层介质基板（3）的边沿平齐，下层介质基板（3）上还设置第四耦合线（15）、第二开路枝节（18）、第二隔离电阻（19），以及关于下表面馈线所在轴线对称分布的第三输出端口馈线（13）与第四输出端口馈线（14）、第五耦合线（16）与第六耦合线（17）、第三谐振器（28）与第四谐振器（29）；所述第四耦合线（15）与下表面馈线在一条直线上，一端与下表面馈线相连，另一端与第二开路枝节（18）相连；所述第三输出端口馈线（13）、第四输出端口馈线（14）分别与第五耦合线（16）、第六耦合线（17）相连；所述第三谐振器（28）与第四谐振器（29）采用T形双模谐振器，第三谐振器（28）、第四谐振器（29）的一枝节通过第二隔离电阻（19）相连，并与第四耦合线（15）产生耦合，另一枝节分别与第五耦合线（16）、第六耦合线（17）产生耦合。

4.根据权利要求1所述的具有宽带共模抑制的非平衡到平衡滤波功分器，其特征在于，所述6个半模扇形缺陷区域（22-27）一端与公共金属地（20）的边沿平齐，形成开路端。

5.根据权利要求1所述的具有宽带共模抑制的非平衡到平衡滤波功分器，其特征在于，所述第一谐振器（6）、第二谐振器（7）、所述第三谐振器（28）与第四谐振器（29）为折叠的T形双模谐振器，其两边枝节关于中间枝节对称，与中间枝节夹角为45度。

6.根据权利要求1所述的具有宽带共模抑制的非平衡到平衡滤波功分器，其特征在于，所述第三谐振器（28）与第一谐振器（6），所述第四谐振器（29）与第二谐振器（7），所述第四耦合线（15）与第一耦合线（8），所述第五耦合线（16）与第二耦合线（9），第六耦合线（17）与第三耦合线（10），以及第二开路枝节（18）与第一开路枝节（11）均关于公共金属地（20）上下对称。

7.根据权利要求1所述的具有宽带共模抑制的非平衡到平衡滤波功分器，其特征在于，所述第一输出端口馈线（4）、第二输出端口馈线（5）均与第一耦合线（8）平行，所述第二耦合线（9）、第三耦合线（10）均与第一耦合线（8）垂直；所述第一谐振器（6）、第二谐振器（7）的一边枝节均与第一耦合线（8）平行，并与第一耦合线（8）产生耦合，另一边枝节分别与第二耦合线（9）、第三耦合线（10）平行，并与第二耦合线（9）、第三耦合线（10）产生耦合。

8.根据权利要求1所述的具有宽带共模抑制的非平衡到平衡滤波功分器，其特征在于，所述第三输出端口馈线（13）、第四输出端口馈线（14）、第五耦合线（16）、第六耦合线（17）均与第四耦合线（15）垂直；所述第三谐振器（28）、第四谐振器（29）一边枝节均与第四耦合线（15）平行，并与第四耦合线（15）产生耦合，另一边枝节分别与第四输出端口馈线（14）、第五耦合线（16）平行，并与第四输出端口馈线（14）、第五耦合线（16）产生耦合。

9.根据权利要求1所述的具有宽带共模抑制的非平衡到平衡滤波功分器，其特征在于，所述第一开路枝节（11）的开路端延伸出两个枝节，均与第一耦合线（8）垂直；所述第二开路枝节（18）的开路端延伸出两个枝节，均与第四耦合线（15）垂直。

10.根据权利要求1所述的具有宽带共模抑制的非平衡到平衡滤波功分器，其特征在于，所述第一输入端口（3）为50欧姆双面平行带状线；所述第一输出端口馈线（4），第二输出端口馈线（5），第三输出端口馈线（13）及第四输出端口馈线（14）为50欧姆微带线。