CN112332053B - 一种宽阻带滤波功分器 - Google Patents
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Abstract
本发明提供一种微带滤波功分器，基于多模谐振器，同时实现滤波和功分的功能，从而有效得减小元件尺寸。该滤波功分器实现一个三阶带通频率响应，由于加载T型开路枝节，在通带每侧有限频率处各有一个传输零点，可以改善通带两侧的频率选择性；在高频阻带内具有多个传输零点，具有非常优良的带外抑制；此外，输出端口之间在较宽的频率范围内，能够获得较高的隔离度。该滤波功分器具有性能优越、设计过程简单等优点。
Description
技术领域
本发明属于通信技术领域，具体涉及一种具有宽阻带的微带滤波功分器，且具有宽带隔离特性。
背景技术
在射频/微波/光频等较高频段内，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。微带线具有分布参数效应，其电气特性与结构尺寸紧密相关。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。此外，滤波器作为另外一种微波器件，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。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。
发明内容
为了克服传统的功分器和滤波器分属两个元件，导致尺寸较大的缺点，本发明提供了一种新型的微带功分器，同时实现带通滤波和功分的功能；两个输出端口之间，在很宽的频率范围内实现良好的隔离；此外，具有良好的频率选择性、小尺寸和容易设计等优点。以下简称为滤波功分器。
典型微带的结构如图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。本发明所述的滤波功分器如图2所示，在金属上覆层(I)内，其特征在于：第一端口(Port#1)连接到耦合三线结构(1)的中间，耦合三线结构(1)的中间另外一端连接T型开路线节(2)，耦合三线结构(1)中左侧连接到第一传输线节(21)的右端，第一传输线节(21)的左端连接第一开路枝节(22)和第二传输线节(23)的右端，第二传输线节(23)的左端连接第二开路枝节(24)和第三传输线节(25)的右端，第三传输线节(25)的左端连接第三开路枝节(26)和第一耦合双线结构(27)的右端，第一耦合双线结构(27)的左端连接第二端口(Port#2)；耦合三线结构(1)中右侧连接到第四传输线节(31)的左端，第四传输线节(31)的右端连接第四开路枝节(32)和第五传输线节(33)的左端，第五传输线节(33)的右端连接第五开路枝节(34)和第六传输线节(35)的左端，第六传输线节(35)的左端连接第六开路枝节(36)和第二耦合双线结构(37)的左端，第二耦合双线结构(37)的右端连接第三端口(Port#3)；在耦合三线结构(1)上跨接第一电阻(R1)和第二电阻(R2)。
在滤波功分器中，包含两个多模谐振器，如图3所示。图4所示为其等效电路图。因为多模谐振器是对称结构，所以可采用奇偶模分析方法对图4的等效电路进行分析。奇模等效电路和偶模等效电路如图5和图6所示，其中θi(i＝1,…,6)为电长度，Yi(i＝1,…,6)为特征导纳。根据图5的奇模等效电路可知，从图中的节点看进去的奇模输入导纳Yin,odd为
根据图6的偶模等效电路可知，从图中的节点看进去的偶模输入导纳Yin,even为
其中，
θA＝θ5+θ6。
令奇模输入导纳Yin,odd等于零，可得奇模谐振条件方程为
(Y4cotθ4-Y3tanθ3)(Y2cotθ1-Y1tanθ2)-Y2(Y1+Y2cotθ1tanθ2)＝0 (3)
令偶模输入导纳Yin,even等于零，得偶模的谐振条件方程为
进一步地，所述滤波功分器可以实现一个三阶带通频率响应，在通带每侧各有一个传输零点，可以改善通带两侧的频率选择性。
本发明所述的滤波功分器的有益效果是：能够将一路输入信号分成两路输出，反之能将两路输入信号合成一路输出；功分器具有带通频率响应，通带每侧各有具有一个传输零点，极大改善了频率选择性；阻带具有出色的抑制能力；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：滤波功分器示意图；
图3：多模谐振器示意图；
图4：多模谐振器等效电路图；
图5：多模谐振器的奇模等效电路图；
图6：多模谐振器的偶模等效电路图；
图7：滤波功分器的结构参数标注示意图；
图8：T型开路线节(2)对实施例的|S21|的影响效果图；
图9：实施例的|S21|和|S11|仿真测试结果图；
图10：实施例的|S32|仿真测试结果图。
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。不失一般性，实施例选用一款常用微带基片，其相对介电常数为3.66，基片厚度为0.508mm。
实施例一为验证如图3所示的多模谐振器的特性。选定中心频率为2GHz的电长度和特性导纳如下：Y1＝0.00075S，Y2＝0.01528S，Y3＝0.03607S，Y4＝0.01633S，Y5＝0.02295S，Y6＝0.00079rad，θ1＝0.3468rad，θ2＝0.1617rad，θ3＝0.29882rad，θ4＝0.0222rad,θ5＝0.15047rad,θ6＝0.0009rad。根据选定的电长度和特性导纳计算工具奇模谐振条件方程(3)求解得到两个奇模谐振频率为：fo1＝1.64GHz，fo2＝2.66GHz。对偶模谐振条件方程(4)求解得到一个谐振频率为：fe＝2.11GHz。为了进一步验证谐振频率的正确性，按照所选定的2GHz下的电长度和特性导纳可得到图3的结构参数(单位：mm)：w1＝0.12，w2＝0.7，w3＝2.6，w4＝0.79，w5＝1.38，w6＝0.14，l1＝16.3，l2＝7.3，l3＝12.77，l4＝1，l5＝6.61，l6＝0.42。利用这些参数通过全波仿真，得到谐振频率的仿真结果，并与计算结果进行对比，如表1所示。可以看到，多模谐振器的三个谐振频率的理论计算值和电磁仿真值非常接近。因此，通过以上分析可知，通过合适的馈电方式，可激发出谐振器的三个谐振模式用于三阶的滤波功分器的设计中。
表1多模谐振器的谐振频率计算与仿真结果对比
| 谐振频率 | 奇模f<sub>o1</sub> | 偶模f<sub>e</sub> | 奇模f<sub>o2</sub> |
| 理论计算值 | 1.64GHz | 2.11GHz | 2.63GHz |
| 电磁仿真值 | 1.73GHz | 2.25GHz | 2.66GHz |
实施例二为滤波功分器，实施例二的结构参数标注如图7所示，具体取值为(单位：mm)：w1＝0.12，w2＝0.7，w3＝2.6，w4＝0.79，w5＝1.38，w6＝0.14，w7＝0.31，w8＝0.14，w9＝3.6，w33＝0.78，l1＝16.3，l2＝7.3，l3＝12.77，l4＝1，l5＝6.61，l6＝0.42，l7＝20.7，l8＝39.2，l9＝0.58，l33＝16.3，R1＝860Ω，R2＝8700Ω。实施例所占的尺寸约为0.49λg×0.69λg，λg是中心频率处的波导波长。
如图7所示，T型开路线节(2)会在通带每侧各引入一个传输零点，从而有效地改善频率选择性。由图7中所示位置看入的输入阻抗Zin为
其中，Z8为线宽为w8和线长为l8的微带线特征阻抗，Z9为线宽为w8和线长为l8的微带线从中间看入的输入阻抗。当输入阻抗Zin＝0所对应的频率点会出现传输零点。仿真结果如图8所示，连接到耦合三线结构(1)上的T型开路线节(2)可为通带每侧各提供一个传输零点fz1和传输零点fz2，这两个零点的产生的极大的提高了滤波功分器的选择性。
实施例的测试结果如图9所示，中心频率位于2.22GHz，***损耗为3.86dB，回波损耗优于21.6dB，3dB相对带宽为45.9％，位于0.79GHz和3.14GHz的传输零点极高的提升了滤波功分器的选择性。同时，测得从直流至低频0.75GHz处的抑制度优于40dB，从通带外传输零点fz2＝3.14GHz到14GHz处(约为6.3f0)的高频阻带抑制能力都优于20dB。
输出端口之间的隔离仿真测试与对比如图10所示，从直流到14GHz(6.3f0)宽频带内都实现了优于17.1dB的隔离度。此外，表2对比实施例与其它公开文献中的同类功分器的对比。由表可知，实施例具有出色的带外抑制能力，且***损耗和回波损耗较小，具有显著的技术进步。
表2实施例对比其它公开文献中的同类功分器
f0：中心频率；3dB FBW：3分贝相对带宽；IL：插损；RL：回波损耗；Iso.：隔离；STB(stopband>20dB)：抑制超过20dB的阻带带宽。
参考文献
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以上所列举的实施例，充分说明了本发明所述的滤波功分器具有良好的频率响应、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(Port#1)连接到耦合三线结构(1)的中间线一端，耦合三线结构(1)的中间线另外一端连接T型开路线节(2)，耦合三线结构(1)中左侧线连接到第一传输线节(21)的右端，第一传输线节(21)的左端连接第一开路枝节(22)和第二传输线节(23)的右端，第二传输线节(23)的左端连接第二开路枝节(24)和第三传输线节(25)的右端，第三传输线节(25)的左端连接第三开路枝节(26)和第一耦合双线结构(27)的右端，第一耦合双线结构(27)的左端连接第二端口(Port#2)；耦合三线结构(1)中右侧线连接到第四传输线节(31)的左端，第四传输线节(31)的右端连接第四开路枝节(32)和第五传输线节(33)的左端，第五传输线节(33)的右端连接第五开路枝节(34)和第六传输线节(35)的左端，第六传输线节(35)的左端连接第六开路枝节(36)和第二耦合双线结构(37)的左端，第二耦合双线结构(37)的右端连接第三端口(Port#3)；在耦合三线结构(1)上跨接第一电阻(R1)和第二电阻(R2)；第三开路枝节(26)、第三传输线节(25)、第二开路枝节(24)、第二传输线节(23)和第一开路枝节(22)构成一个左右对称结构，第四开路枝节(32)、第五传输线节(33)、第五开路枝节(34)、第六传输线节(35)和第六开路枝节(36)构成一个左右对称结构；第二开路枝节(24)与第五开路枝节(34)的开路端均设置一个阶跃枝节。
2.根据权利要求1所述的微带滤波功分器，所包含的多模谐振器一包括耦合三线结构(1)中左侧枝节、第一传输线节(21)、第一开路枝节(22)、第二传输线节(23)、第二开路枝节(24)、第三传输线节(25)、第三开路枝节(26)和第一耦合双线结构(27)中连接到第三开路枝节(26)的那根枝节；多模谐振器二包括耦合三线结构(1)中右侧枝节、第四传输线节(31)、第四开路枝节(32)、第五传输线节(33)、第五开路枝节(34)、第六传输线节(35)、第六开路枝节(36)和第二耦合双线结构(37)中连接到第六开路枝节(36)的那根枝节；多模谐振器的奇模谐振条件方程为
(Y4cotθ4-Y3tanθ3)(Y2cotθ1-Y1tanθ2)-Y2(Y1+Y2cotθ1tanθ2)＝0
偶模谐振条件方程为
Y2(Y1+Y2cotθ1tanθ2)(Y4cotθA-YAtanθ2)+Y4(YA+Y4cotθAtanθ2)(Y2cotθ1-Y1tanθ2)+Y3tanθ3(Y2cotθ1-Y1tanθ2)(Y4cotθA-YAtanθ2)＝0
其中，
θA＝θ5+θ6；Y1和θ1为耦合三线结构(1)中左侧线节的特征导纳和电长度；Y2和θ2为第一传输线节(21)的特征导纳和电长度；Y3和θ3为第一开路枝节(22)的特征导纳和电长度；Y4和θ4为第二传输线节(23)的特征导纳和电长度；Y5和θ5为第二开路枝节(24)的特征导纳和电长度，Y6和θ6为第二开路枝节(24)连接的阶跃枝节的特征导纳和电长度。
3.根据权利要求1所述的微带滤波功分器，实现一个三阶带通频率响应，在通带每侧有限频率处各有一个传输零点；在高频阻带内具有多个传输零点；输出端口之间在较宽的频率范围内，能够获得较高的隔离度。
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Legal Events
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|---|---|---|---|
| PB01 | Publication | ||
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| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| GR01 | Patent grant | ||
| GR01 | Patent grant | ||
| CF01 | Termination of patent right due to non-payment of annual fee |
Granted publication date: 20220405 |