CN113193317B - 一种采用单层圆形贴片的双通带功分滤波器 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种采用单层圆形贴片的双通带功分滤波器，包括介质基板，介质基板下表面设有金属接地板，介质基板上表面设有输入端口馈线、第一输出端口馈线、第二输出端口馈线和圆形贴片，所述圆形贴片位于介质基板上表面的中间位置，所述输入端口馈线与圆形贴片的半圆相切连接，第一输出端口馈线和第二输出端口馈线分别与圆形贴片的另一半圆相切连接；所述圆形贴片上设有磁场微扰部件、电场微扰部件、隔离部件和第五金属通孔，所述第五金属通孔位于圆形贴片的圆心位置。本发明的双通带功分滤波器结构紧凑、***损耗小、隔离度好，适用于现代无线通信***。

Description

一种采用单层圆形贴片的双通带功分滤波器
技术领域
本发明涉及微波无源器件技术领域，特别是一种采用单层圆形贴片的双通带功分滤波器。
背景技术
现代无线通信***需要紧凑和高性能的功分带通滤波器。随着多波段、多标准现代无线通信***的发展，对多波段微波元件的需求越来越大。其中，双频滤波功率分配器(DB-FPDs)一直备受关注。在过去的几年里，相关研究方向的科研人员已经作出了许多努力来发展它们。为了实现人们所需要的功能，在文献1[P.Wen,Z.W.Ma,H.W.Liu,S.S.Zhu,B.P.Ren,Y.Song,X.L.Wang,M.Ohira,“Dual-band filtering power divider usingdual-resonance resonators with ultrawide stopband and good isolation.”IEEEMicrow.Wireless Compon.Lett.,vol.29,no.2,pp.101-103,Feb.2019.]基于多个双共振谐振腔，提出了一种具有超宽阻带和尖锐频率选择性的新型双通带功分滤波器。但当带宽相对有限时，隔离性能并不像预期的那么好。
在文献2[C.Shao,Y.Li and J.X Chen,“Compact dual-band microstripfiltering power divider using T-junction structure and quarter wavelengthSIR,”Electron.Lett.,vol.53,no.6,pp.434–436,Mar.2017.]和文献7[C.T.Cai,J.P.Wang,Y.J.Deng and J.L.Li,“Design of compact dual-mode dual-band filteringpower divider with high selectivity,”Electron.Lett.,vol.51,no.22,pp.1795–1796,Oct.2015.]中，在实现双通带功分滤波功能时，在主传输线的两侧定位四个双模谐振器或采用T结结构和四分之一波长阶梯阻抗谐振器。虽然在上述设计中实现了还不错的效果，但它们的性能表现不够理想，主要体现在相对带宽还不到10％。
在实现本发明过程中，发明人发现贴片滤波器因为自身的高功率处理能力强、***损耗小、结构简单的优点，在近些年引起了先进滤波器设计的广泛关注。但实际上，在目前现有的研究中，基于贴片谐振器的双通带功分滤波器涉及的较少。
发明内容
发明目的：本发明所要解决的技术问题是针对现有技术的不足，提供一种采用单层圆形贴片的双通带功分滤波器。
为了解决上述技术问题，本发明公开了一种采用单层圆形贴片的双通带功分滤波器，包括介质基板，介质基板下表面设有金属接地板，介质基板上表面设有输入端口馈线、第一输出端口馈线、第二输出端口馈线和圆形贴片，所述圆形贴片位于介质基板的中间位置，所述输入端口馈线与圆形贴片的半圆相切连接，第一输出端口馈线和第二输出端口馈线分别与圆形贴片的另一半圆相切连接；所述圆形贴片上设有磁场微扰部件、电场微扰部件、隔离部件和第五金属通孔，所述磁场微扰部件位于圆形贴片内，与输入端口馈线延长线垂直，且关于第一输出端口馈线和第二输出端口馈线形成的中轴线对称；所述第五金属通孔位于圆形贴片的圆心位置；所述电场微扰部件位于圆形贴片内，且位于第五金属通孔周围；所述隔离部件位于圆形贴片内，且位于第一输出端口馈线和第二输出端口馈线形成的中轴线上。
在一种实现方式中，所述输入端口馈线为输入50欧姆微带线导带，所述输入50欧姆微带线导带的一端延伸至介质基板的左侧边，另一端延伸至圆形贴片的侧边。
在一种实现方式中，所述第一输出端口馈线为第一输出50欧姆微带线导带，所述第一输出50欧姆微带线导带的一端延伸至介质基板的右上侧边，与右上侧边缘垂直相连，另一端延伸至圆形贴片的侧边；所述第二输出端口馈线为第二输出50欧姆微带线导带，所述第二输出50欧姆微带线导带的一端延伸至介质基板的右下侧边，与右下侧边缘垂直相连，另一端延伸至圆形贴片的侧边。
在一种实现方式中，所述输入端口馈线位于圆形贴片的水平中轴线A2-A1的延长线上，所述第一输出端口馈线和第二输出端口馈线关于圆形贴片的水平中轴线A1-A2对称，且第一输出端口馈线的延长线和第二输出端口馈线的延长线相交于圆形贴片的圆心。
输入输出端口馈线如此设计，能够充分利用圆形贴片中的TM01’，TM11，TM21和TM31四个模式形成双通道功分滤波器，即可以确保输入输出端口都在圆形贴片中的TM01’，TM11，TM21和TM31四个模式的电场最强处，保证信号能够很好的输出，使器件的回波损耗尽可能的小。
在一种实现方式中，所述磁场微扰部件包括第一贴片槽线和第三贴片槽线，所述第一贴片槽线和第三贴片槽线位于圆形贴片的垂直中轴线B1-B2上且分别在圆形贴片的圆心两侧，并关于圆形贴片的水平中轴线A1-A2对称；所述第一贴片槽线的一端和第三贴片槽线的一端分别与圆形贴片相切连接。
磁场微扰部件主要位于圆形贴片模式的磁场最强处，通过影响模式的磁场来影响对应模式的频率，对磁场的影响增大，对应模式的频率会降低，圆形贴片中TM01’，TM11，TM21和TM31四个模式本来并不靠近，通过磁场微扰部件可以让模式两两靠近，形成通带，其中磁场微扰部件位于TM11和TM31两个模式的磁场最强处，位于TM01’和TM21两个模式磁场最弱处，此设计可以确保磁场微扰部件只对TM11和TM31两个模式的频率产生影响，对其他模式没有影响。
在一种实现方式中，所述电场微扰部件包括第一金属通孔、第二金属通孔、第三金属通孔和第四金属通孔，所述第一金属通孔和第三金属通孔位于圆形贴片的水平中轴线A1-A2上，关于圆形贴片的垂直中轴线B1-B2对称；所述第二金属通孔和第四金属通孔位于圆形贴片的垂直中轴线B1-B2上，关于圆形贴片的水平中轴线A1-A2对称。
电场微扰部件主要位于圆形贴片模式的电场最强处，通过影响模式的电场来影响对应模式的频率，对电场的影响增大，对应模式的频率会升高，电场微扰部件位于TM01’和TM21两个模式的电场最强处，位于TM11和TM31两个模式电场最弱处，通过控制电场微扰部件，可以只对TM01’和TM21两个模式的频率产生影响，对其他模式没有影响。通过控制磁场微扰部件和电场微扰部件，可以对四个模式都进行控制。
在一种实现方式中，所述隔离部件包括第二贴片槽线、第一隔离电阻、第二隔离电阻和第三隔离电阻，所述第二贴片槽线位于圆形贴片的水平中轴线A1-A2上，第二贴片槽线的一端与圆形贴片相切连接；所述第一隔离电阻、第二隔离电阻和第三隔离电阻由半径方向从里向外依次跨接在第二贴片槽线上。
第二贴片槽线位于TM01’，TM11，TM21和TM31四个模式磁场最弱处，所以对四个模式频率都不会产生影响，主要作用是隔离两个输出端口间的信号，使两个输出端口电流隔绝在第二贴片槽线两边，同时在第二贴片槽线电流最集中的地方放置三个电阻，吸收电流，使得两个输出端口产生很好的隔离。传统的隔离部件需要外加电路实现隔离效果，从而使电路总体大小变大，不利于通讯***小型化发展，本设计将隔离部件放置在贴片内部，大大减小了电路的体积。
在一种实现方式中，所述第一输出端口馈线与圆形贴片的水平中轴线A1-A2的夹角为20度。
将输出端口角度设计为20度，是为了在满足隔离的条件下，尽可能将输出端口放置在模式的电场最强处，从而减小电路总体的回波损耗。
有益效果：
由于采用贴片结构，相比于传统微带形式的微波器件，内部空间可以得到更加充分的利用，减小了器件的外形规格，在微型化上做出了很大的进步。同时在输出端利用圆形贴片不同模式下的场分布几何形状，从电场场强较高处实现馈电，较为高效地实现了信号的传输和两路输出，同时三个隔离电阻的合理分配和放置也很好地消除了功率分配器多个输出端口之间的互相影响，在完成功率分配工作的同时，也实现了输出端口间的隔离，在功率分配上表现优秀，将双通带、功率分配和滤波器三者合一。上述的优势使得此电路结构简单，具有非常小的尺寸和更加完善的功能，可在单片PCB板上实现，便于加工集成，对于开拓新型双通带圆形贴片功分滤波器的研究有很好的意义和价值。
附图说明
下面结合附图和具体实施方式对本发明做更进一步的具体说明，本发明的上述和其他方面的优点将会变得更加清楚。
图1是本申请实施例的一种采用单层圆形贴片的双通带功分滤波器立体结构示意图。
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的加工实物图。
图5是实施例1的通带特性和隔离特性S参数仿真图。
图6是实施例1的两个输出端口的匹配特性S参数仿真图。
图7是两个输出端口的输出信号的相位差和相位差参数仿真图。
图中，输入端口馈线1，输入50欧姆微带线导带11，第一输出端口馈线2，第一输出50欧姆微带线导带21，第二输出端口馈线3，第二输出50欧姆微带线导带31，圆形贴片4，第一贴片槽线51，第二贴片槽线52，第三贴片槽线53，第一隔离电阻61，第二隔离电阻62，第三隔离电阻63，第一金属通孔71，第二金属通孔72，第三金属通孔73，第四金属通孔74，第五金属通孔75，介质基板100，金属接地板200。
具体实施方式
本发明实施例公开了一种采用单层圆形贴片的双通带功分滤波器，适用于现代无线通信***的射频前端特定多频率选择和功率分配场景。
实施例1：
如图1和图2所示，本实例提供了一种采用单层圆形贴片的双通带功分滤波器，包括介质基板100，介质基板100下表面设有金属接地板200，介质基板100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和圆形贴片4，所述圆形贴片4位于介质基板100的中间位置，所述输入端口馈线1与圆形贴片4的半圆相切连接，第一输出端口馈线2和第二输出端口馈线3分别与圆形贴片4的另一半圆相切连接；所述圆形贴片4上设有磁场微扰部件、电场微扰部件、隔离部件和第五金属通孔75，所述磁场微扰部件位于圆形贴片4内，与输入端口馈线1的延长线垂直，且关于第一输出端口馈线2和第二输出端口馈线3形成的中轴线对称；所述第五金属通孔75位于圆形贴片4的圆心位置；所述电场微扰部件位于圆形贴片4内，且位于第五金属通孔75周围；所述隔离部件位于圆形贴片4内，且位于第一输出端口馈线2和第二输出端口馈线3形成的中轴线上。
本实施例中，所述输入端口馈线1为输入50欧姆微带线导带11，所述输入50欧姆微带线导带11的一端延伸至介质基板100的左侧边，另一端延伸至圆形贴片4的侧边。
本实施例中，所述第一输出端口馈线2为第一输出50欧姆微带线导带21，所述第一输出50欧姆微带线导带21的一端延伸至介质基板100的右上侧边，与右上侧边缘垂直相连，另一端延伸至圆形贴片4的侧边；所述第二输出端口馈线3为第二输出50欧姆微带线导带31，所述第二输出50欧姆微带线导带31的一端延伸至介质基板100的右下侧边，与右下侧边缘垂直相连，另一端延伸至圆形贴片4的侧边。
本实施例中，所述输入端口馈线1位于圆形贴片4的水平中轴线A2-A1的延长线上，所述第一输出端口馈线2和第二输出端口馈线3关于圆形贴片4的水平中轴线A1-A2对称，且第一输出端口馈线2的延长线和第二输出端口馈线3的延长线相交于圆形贴片4的圆心。所述第一输出端口馈线2与圆形贴片4的水平中轴线A1-A2的夹角为20度。
本实施例中，所述磁场微扰部件包括第一贴片槽线51和第三贴片槽线53，所述第一贴片槽线51和第三贴片槽线53位于圆形贴片4的垂直中轴线B1-B2上且分别在圆形贴片4的圆心两侧，并关于圆形贴片4的水平中轴线A1-A2对称；所述第一贴片槽线51的一端和第三贴片槽线53的一端分别与圆形贴片4相切连接。
本实施例中，所述电场微扰部件包括第一金属通孔71、第二金属通孔72、第三金属通孔73和第四金属通孔74，所述第一金属通孔71和第三金属通孔73位于圆形贴片4的水平中轴线A1-A2上，关于圆形贴片4的垂直中轴线B1-B2对称；所述第二金属通孔72和第四金属通孔74位于圆形贴片4的垂直中轴线B1-B2上，关于圆形贴片4的水平中轴线A1-A2对称。
本实施例中，所述隔离部件包括第二贴片槽线52、第一隔离电阻61、第二隔离电阻62和第三隔离电阻63，所述第二贴片槽线52位于圆形贴片4的水平中轴线A1-A2上，在圆形贴片4的圆心至A2点之间，第二贴片槽线52的一端与圆形贴片4相切连接；所述第一隔离电阻61、第二隔离电阻62和第三隔离电阻63由半径方向从里向外依次跨接在第二贴片槽线52上。
下面对本发明作进一步详细描述。
实施例1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，加工实物图如图4所示。所采用的介质基板100为R04003C基质，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，采用单层圆形贴片的双通带功分滤波器的各尺寸参数如下：r＝15mm，第一～第五金属通孔的半径r1＝0.4mm，l1＝13mm，l2＝3.26mm，l3＝6.15mm，lf＝6mm，w1＝1.2mm，w2＝0.1mm，wf＝1.18mm，R1＝360Ω，R2＝360Ω，R3＝360Ω，α＝20°。所述双通带功分滤波器的总尺寸约为30mm×30mm，对应的导波长尺寸为0.72λg×0.72λg，其中λg为整个通带中心频率处的导波波长。
本实例采用单层圆形贴片的双通带功分滤波器是在电磁仿真软件HFSS 13.0中建模仿真的。图5是本实例中采用单层圆形贴片的双通带功分滤波器的通带特性和隔离特性的S参数仿真图，从图中可以看出，采用单层圆形贴片的双通带功分滤波器的中心频率是2.6Ghz和5.7Ghz，3-dB带宽为0.64GHz和0.58GHz，在双通带内，***损耗分别小于0.6dB和1.2dB，回波损耗分别小于16dB和16dB，两个工作通带的隔离度分别优于21.6dB和17.4dB。
图6是本实例中采用单层圆形贴片的双通带功分滤波器两个输出端口的匹配特性S参数仿真图，从图中可以看出，采用单层圆形贴片的双通带功分滤波器的输出端口回波损耗为11dB。
图7是本实例中采用单层圆形贴片的双通带功分滤波器输出端口相位差和相位差S参数仿真图，从图中可以看出，采用单层圆形贴片的双通带功分滤波器的带内幅度和相位不平衡度在第一通带中分别小于0.49dB和1.34度，在第二通带中分别小于0.22dB和2.12度。
本实施例采用了圆形微带贴片4上自有的四种谐振模式：TM01’，TM11，TM21和TM31模式，所述四种谐振模式在其对应的谐振频率下，有着规则的电磁场分布。对于所述采用单层圆形贴片的双通带功分滤波器，其第一个通带由圆形贴片4的TM01’和TM11模式构成，第二个通带由TM21和TM31模式构成。
所述单层圆形贴片双通带功分滤波器采用双端输出的方式，配合上中间采用三个隔离电阻的方式，实现了良好的功率分配和隔离效果。所述第一输出端口馈线2和第二输出端口馈线3利用圆形贴片不同模式下的场分布几何形状，从电场场强较高处实现馈电，较为高效地实现了信号的传输。同时三个隔离电阻的合理分配和放置也很好地消除了功率分配器多个输出端口之间的互相影响，在完成功率分配工作的同时，也实现了输出端口间的隔离。
本实施例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。同时，本设计不仅实现了双通带功率分配滤波器的功能，而且由于采用了圆形贴片结构，充分利用了电路空间，大大减小了电路体积。利用双输出端口和隔离电阻，设计出具有良好隔离特性的双通带功分滤波器。
本发明提供了一种采用单层圆形贴片的双通带功分滤波器的思路及方法，具体实现该技术方案的方法和途径很多，以上所述仅是本发明的优选实施方式，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。本实施例中未明确的各组成部分均可用现有技术加以实现。

Claims (4)

1.一种采用单层圆形贴片的双通带功分滤波器，其特征在于，包括介质基板（100），介质基板（100）下表面设有金属接地板（200），介质基板（100）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）和圆形贴片（4），所述圆形贴片（4）位于介质基板（100）的中间位置，所述输入端口馈线（1）与圆形贴片（4）的半圆连接，第一输出端口馈线（2）和第二输出端口馈线（3）分别与圆形贴片（4）的另一半圆连接；所述圆形贴片（4）上设有磁场微扰部件、电场微扰部件、隔离部件和第五金属通孔（75），所述磁场微扰部件位于圆形贴片（4）内，与输入端口馈线（1）的延长线垂直，且关于第一输出端口馈线（2）和第二输出端口馈线（3）形成的中轴线对称；所述第五金属通孔（75）位于圆形贴片（4）的圆心位置；所述电场微扰部件位于圆形贴片（4）内，且位于第五金属通孔（75）周围；所述隔离部件位于圆形贴片（4）内，且位于第一输出端口馈线（2）和第二输出端口馈线（3）形成的中轴线上；
所述输入端口馈线（1）位于圆形贴片（4）的水平中轴线A2-A1的延长线上，所述第一输出端口馈线（2）和第二输出端口馈线（3）关于圆形贴片（4）的水平中轴线A1-A2对称，且第一输出端口馈线（2）的延长线和第二输出端口馈线（3）的延长线相交于圆形贴片（4）的圆心；
所述磁场微扰部件包括第一槽线（51）和第三槽线（53），所述第一槽线（51）和第三槽线（53）开设在圆形贴片（4）上，位于圆形贴片（4）的垂直中轴线B1-B2上且分别在圆形贴片（4）的圆心两侧，并关于圆形贴片（4）的水平中轴线A1-A2对称；所述第一槽线（51）和第三槽线（53）均起始于圆形贴片（4）的边缘；
所述电场微扰部件包括第一金属通孔（71）、第二金属通孔（72）、第三金属通孔（73）和第四金属通孔（74），所述第一金属通孔（71）和第三金属通孔（73）位于圆形贴片（4）的水平中轴线A1-A2上，关于圆形贴片（4）的垂直中轴线B1-B2对称；所述第二金属通孔（72）和第四金属通孔（74）位于圆形贴片（4）的垂直中轴线B1-B2上，关于圆形贴片（4）的水平中轴线A1-A2对称；
所述隔离部件包括第二槽线（52）、第一隔离电阻（61）、第二隔离电阻（62）和第三隔离电阻（63），所述第二槽线（52）开设在圆形贴片（4）上，位于圆形贴片（4）的水平中轴线A1-A2上，第二槽线（52）起始于圆形贴片（4）的边缘；所述第一隔离电阻（61）、第二隔离电阻（62）和第三隔离电阻（63）由半径方向从里向外依次跨接在第二槽线（52）上。
2.根据权利要求1所述的一种采用单层圆形贴片的双通带功分滤波器，其特征在于，所述第一输出端口馈线（2）与圆形贴片（4）的水平中轴线A1-A2的夹角为20度。
3.根据权利要求2所述的一种采用单层圆形贴片的双通带功分滤波器，其特征在于，所述输入端口馈线（1）为输入50欧姆微带线导带（11），所述输入50欧姆微带线导带(11）的一端延伸至介质基板(100）的左侧边，另一端延伸至圆形贴片（4）的侧边。
4.根据权利要求3所述的一种采用单层圆形贴片的双通带功分滤波器，其特征在于，所述第一输出端口馈线（2）为第一输出50欧姆微带线导带（21），所述第一输出50欧姆微带线导带（21）的一端延伸至介质基板（100）的右上侧边，与右上侧边缘垂直相连，另一端延伸至圆形贴片（4）的侧边；所述第二输出端口馈线（3）为第二输出50欧姆微带线导带（31），所述第二输出50欧姆微带线导带（31）的一端延伸至介质基板(100）的右下侧边，与右下侧边缘垂直相连，另一端延伸至圆形贴片（4）的侧边。
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