CN114069184A - 一种具有任意功分比的毫米波滤波功分器 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种具有任意功分比的毫米波滤波功分器，由N‑1个TE₁₀₁模和一个TE _n01模谐振腔构成，TE _n01模谐振腔将能量分成n等份，然后在谐振腔上相应的引出n个输出端口进行功率分配。本发明利用高次模谐振腔将能量进行等分的特点，只需对任意一个输出端口进行仿真即可获得标准化的输出窗口尺寸‑外部品质因数曲线图，基于该标准化的曲线图进行各输出端口的窗口调整，即可完成任意功分比的滤波功分器设计，使得滤波器设计方法简单灵活，缩短了器件的设计时间，提高了研发效率。

Description

一种具有任意功分比的毫米波滤波功分器

技术领域

本发明属于射频通信技术领域，涉及一种具有任意功分比的毫米波多端口基片集成波导滤波功分器。

背景技术

随着现代无线通信技术的快速发展，第五代(5G)通信越来越受到人们的关注。为了实现更高的传输速率，近年来许多学者开始探索毫米波频段。滤波器和功率分配器是天线阵列馈电网络中不可或缺的组成部分。它们通常采用传统的级联设计方法，总是会占据很大的面积和导致高***损耗。将两个相邻的功能器件(滤波器和功率分配器)集成到一个电路中融合设计的滤波功分器是近年来的研究热点，这样既能减小电路的整体尺寸，又能避免级联损耗。

基于微带线的滤波功分器一般是通过耦合线或支节-加载的传输线代替四分之一波长变换器来实现滤波响应。在毫米波频段下，微带设计将遭受相当大的损耗，并随着频率的增加而恶化。传统金属波导滤波功分器损耗较低，但是它体积笨重且三维结构并不适合与平面电路集成。基片集成波导结合了平面微带传输线和低损耗波导的优点，非常适合毫米波应用。因此，基于基片集成波导的滤波功分器引起了广泛的研究兴趣。

在过去几年中，一些已经报道的滤波功分器对两路滤波功分器进行了大量的研究。然而，多路功率分配器是天线阵馈电网络的基本元件之一。其特定的不等功率分配比在波束形成***中可以使阵列获得更好的定向性能。为了满足未来无线通信***对多路径的需求，最近也有一些多端口滤波功率分配器的报道。其中树形拓扑被广泛使用，然而，由于最后一级的每个谐振器只引出一个输出端口，随着端口数量的增加，电路的体积也迅速增加。与此同时，为了降低天线阵列旁瓣，通常需要具有不等功分比的滤波功分器。但是目前很少有基于基片集成波导的滤波功分器能同时提供多路输出和不等功分比，特别是在毫米波频段。

发明内容

本发明的目的在于，解决上述现有技术中的不足，提出一种结构简单的具有任意功分比的毫米波滤波功分器。

为了实现本发明目的，本发明提供的具有任意功分比的毫米波滤波功分器，其特征在于：包含1个输入端口和n个输出端口，级联的N-1个TE₁₀₁模基片集成波导谐振腔和1个TE_n01模基片集成波导谐振腔，所述TE_n01模基片集成波导谐振腔将能量沿其长边方向均匀地分成n等份，N为滤波器的阶数，n为输出端的数量，i＝1,2…n，输入端口设置于第1级TE₁₀₁模基片集成波导谐振腔的信号输入侧，所述TE_n01模基片集成波导谐振腔通过n个耦合窗将能量分别从n个输出端口输出，所述各输出端口的外部品质因数之比等于各输出端口的功率倒数之比。

所述输入端口通过接地共面波导与第一级TE₁₀₁模基片集成波导谐振腔连接，将能量馈入第一级TE₁₀₁模基片集成波导谐振腔。

此外，本发明还提出了具有任意功分比的毫米波滤波功分器的设计方法，其特征在于步骤如下：

步骤1、根据滤波功分器通带所需的性能指标计算低通原型集总参数，并据此计算输入端口外部品质因数，确定滤波器的阶数N、相邻谐振器的耦合系数以及输出端口的数量n，初步假定该滤波功分器为n等功分的滤波功分器；

步骤2、根据步骤1确定的参数建立如权利要求1所述具有任意功分比的毫米波滤波功分器的模型，调节相邻谐振器之间的耦合窗尺寸，使得相邻谐振器之间的耦合度满足步骤1中计算得到的耦合系数；

步骤3、调整加载于第1级TE₁₀₁模基片集成波导谐振腔的输入馈线两侧开槽的宽度和深度，使其满足步骤1中计算得到的输入端口外部品质因数；

步骤4、通过仿真提取步骤2中等功分滤波功分器模型的任意一个输出端口不同窗口尺寸下所对应的外部品质因数，获得输出窗口尺寸-外部品质因数曲线图；

步骤5、根据设计要求的输出端口的输出功率分配比计算各输出端口的外部品质因数，根据步骤4中的窗口尺寸-外部品质因数曲线图调整TE_n01模基片集成波导谐振腔输出端口的耦合窗口尺寸，使其满足设计要求的输出端口的外部品质因数。

本发明提出了一种具有任意功分比的单层毫米波多端口基片集成波导滤波功分器及其设计方法。该滤波功分器由N-1个TE₁₀₁模和一个TE_n01模谐振腔构成，最后一个谐振腔(TE_n01模)将能量分成相等的n份，然后在谐振腔上相应的引出n个输出端口进行功率分配。

假设多端口网络是无损的，P和P_i(i＝1,2…n)分别表示TE₁₀₁模基片集成波导谐振腔的输入功率和TE_n01模基片集成波导谐振腔各输出的耗散功率，则可得到P＝P₁+P₂+…+P_n，为了方便后面公式的表述，可将功率分配比采用α_i表示，定义如下:

P₁:P₂:…:P_n＝α₁:α₂:…:α_n (1)

那么，各输出端口的输出功率与输入功率的关系可以表达为

根据外部品质因数(Q_e)的定义，输入Q_es和每个输出的Q_eLi可以表达为

其中W_a和ω₀分别表示所使用谐振器的平均能量存储和谐振频率。据此，我们可以得到每个输出Q_eLi

从式(5)可以看出，三个输出所需的功率分配比仅由它们的外部Q_e比决定，各输出端口L_i的Q_e之比等于各输出端口的功率倒数之比。由于能量被分成相等的n份，n个端口的Q_e变化都可以参照其中一个输出端口的Q_e。因此，本发明简化了设计方法，可以很容易的得到具有任意功率分配比的滤波功分器。

本发明巧妙的将TE₁₀₁模谐振腔与高次模谐振腔级联，利用高次模谐振腔将能量进行等分的特点，因此只需对任意一个输出端口进行仿真即可获得标准化的输出窗口尺寸-外部品质因数曲线图，基于该标准化的曲线图进行各输出端口的窗口调整，即可完成任意功分比的滤波功分器设计。可见，本发明方法实现简单且灵活，缩短了器件的设计时间，提高了研发效率。

附图说明

下面结合附图对本发明作进一步的说明；

图1是本发明N阶多端口滤波功分器的俯视图。

图2是本发明三路基片集成波导滤波功分器的立体图。

图3是本发明三路基片集成波导滤波功分器的俯视图。

图4是本发明三路基片集成波导滤波功分器输出窗口尺寸-外部品质因数曲线图。

图5是本发明仿真实例一等功分的三路基片集成波导滤波功分器的仿真结果图。

图6是本发明仿真实例一等功分的三路基片集成波导滤波功分器的输出的相位响应图。

图7是本发明仿真实例二不等功分的三路基片集成波导滤波功分器的仿真结果图。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例对本发明做进一步说明。

图1展示了N阶多端口滤波功分器的的平面几何结构，其中S₁和L_i(i＝1,2…n)分别表示输入和输出(N代表阶数，n代表输出的个数)，R₁…R_N-1均为TE₁₀₁模谐振腔，R_N代表TE_n01模谐振腔。该N阶多端口毫米波滤波功分器，包含1个输入端口S₁和n个输出端口L_i，级联的N-1个TE₁₀₁模基片集成波导谐振腔和1个TE_n01模基片集成波导谐振腔，输入端口S₁设置于第1级TE₁₀₁模基片集成波导谐振腔的信号输入侧，本发明中，输入端口S₁通过接地共面波导与第一级TE₁₀₁模基片集成波导谐振腔连接，将能量馈入第一级TE₁₀₁模基片集成波导谐振腔。从图中可以看出，最后一个谐振腔(TE_n01模基片集成波导谐振腔)将能量沿其长边方向均匀地分成n等份，然后在谐振腔上相应的引出n个输出端口L_i进行功率分配并输出，各输出端口L_i的外部品质因数之比等于各输出端口的功率倒数之比。其中，耦合系数和外部品质因数是构建通带和确定功率分配的两个最重要参数。端口数量和滤波响应可以相互独立，由于能量被分成相等的n份，n个端口的Q_e变化都可以参照其中一个输出端口的Q_e，这为滤波功分器谐振器的任意阶数和负载数量的总体设计提供了一种简单的设计方法。而TE_n01模基片集成波导谐振腔在输出端口侧的开窗尺寸越大，该输出端口的外部品质因数越小，获得的能量分配比例越高。

该具有任意功分比的毫米波滤波功分器的设计方法，其特征在于步骤如下：

步骤1、根据滤波功分器通带所需的性能指标计算低通原型集总参数，并据此计算输入端口外部品质因数，确定滤波器的阶数N、相邻谐振器的耦合系数以及输出端口的数量n，初步假定该滤波功分器为n等功分的滤波功分器；

步骤2、根据步骤1确定的参数建立如权利要求1所述具有任意功分比的毫米波滤波功分器的模型，调节相邻谐振器之间的耦合窗尺寸，使得相邻谐振器之间的耦合度满足步骤1中计算得到的耦合系数；

步骤3、调整加载于第1级TE₁₀₁模基片集成波导谐振腔的输入馈线两侧开槽的宽度和深度，使其满足步骤1中计算得到的输入端口外部品质因数；

步骤4、通过仿真提取步骤2中等功分滤波功分器模型的任意一个输出端口L_i不同窗口尺寸下所对应的外部品质因数，获得输出窗口尺寸-外部品质因数曲线图；

步骤5、根据设计要求的输出端口的输出功率分配比计算各输出端口的外部品质因数，根据步骤4中的窗口尺寸-外部品质因数曲线图调整TE_n01模基片集成波导谐振腔输出端口L_i的耦合窗口尺寸，使其满足设计要求的输出端口L_i的外部品质因数。

图2和图3分别展示了具有预定功率分配比的三路基片集成波导滤波功分器的立体和平面几何结构(N＝2，n＝3)，它由两个耦合基片集成波导腔(谐振腔1和谐振腔2)组成。端口1表示输入，端口2、3和4表示输出。采用50-Ω微带连接接地共面波导(GCPW)馈线来激励谐振腔1中的TE₁₀₁模式。该滤波功分器设计在相对介电常数为2.2，损耗角正切为0.0009，厚度为0.508mm的单层PCB(Rogers RT/Duroid 5880)上。

所采用的基片集成波导谐振腔1和2分别设计为在TE₁₀₁和TE₃₀₁模式下谐振。两个相邻的基片集成波导腔的耦合是通过中间的耦合窗来实现的，当信号从输入端口1注入时，通过控制输出端口2,3,4的Q比可以在端口2,3,4之间实现预定的输出功分比。谐振腔1产生的能量被谐振腔2中的TE₃₀₁模式平均分成三部分。三个输出都位于TE₃₀₁模式电场最强的位置，因此，采用TE₁₀₁模腔与TE₃₀₁模腔耦合的方案，可以同时实现功率分配和滤波响应。从TE₃₀₁模式的电场分布可以得到TE₃₀₁模式中间的相位与两侧相反。基片集成波导腔的物理尺寸由经典公式确定。本文所设计的不等功分比滤波功分器中通孔的直径d＝0.3mm,相邻通孔的间距p＝0.5mm。

下面设计两个具有预定功分比的实例对本发明进行验证。

仿真实例一

本仿真实例是功分比为1:1:1的三路基片集成波导滤波功分器，器件结构见图2、图3，此处不再重复描述。

根据所提出的滤波功分器在不同耦合窗宽度W_k下仿真的K值可以看出，随着W_k的增加，耦合变强。为了满足计算所需的K值，W_k的合适值为2.07mm。一般来说，Q_e是通过谐振器和馈线之间的耦合强度来反映的。当馈线位于谐振腔电场较强的位置时，耦合会更强(即Q_e会更小)。与此同时，馈入槽深和槽宽较小时耦合会变弱(即Q_e会更大)。当其他参数固定时，从输入Q_e相对于L₁和W₁的曲线可以看出，当L₁或W₁增大时，Q_e减小。换句话说，当谐振腔1与馈线之间的耦合强度增大时，Q_e值减小。根据输出(端口3)的Q_e提取，其中端口3位于谐振腔2的中间。从图4输出窗口尺寸-外部品质因数曲线图中可以看出Q_e的值随着W_j2的增加而减小。由于TE₃₀₁模式三部分能量相等，因此只有一个输出Q_e需要提取在这个设计中,本文提取位于SIW腔2中心的输出，另外两个输出(端口2和端口4)的Q_e值可以参考端口3Q_e的提取。在等功分这种情况下，三个输出耦合窗口(W₂、W₃和W₄)是相等的。图5为仿真结果，验证了这种简单的设计方法是有效的。图7为输出的相位响应，说明端口2和端口4是同相的,而端口3是反相的。这也验证了该设计方法与滤波功分器的输出相位无关。

仿真实例二

为了进一步证实，第二个仿真实例设计了一个功率分配比为1:3:1的滤波功分器，它作为滤波器天线阵的馈电网络，实现低旁瓣。此FPD具有与上面第一个示例相同的滤波指标。下表给出了1:3:1滤波功分器的具体尺寸。

参数	W<sub>50</sub>	W<sub>k</sub>	W<sub>slot</sub>	W<sub>1</sub>	W<sub>2</sub>	W<sub>3</sub>	W<sub>4</sub>
								值(mm)	1.48	2.07	0.2	1.08	2.23	2.86	2.23
参数	L<sub>1</sub>	d	p	a<sub>1</sub>	a<sub>2</sub>	b<sub>1</sub>	b<sub>2</sub>
								值(mm)	16.3	4.84	4.9	18.0	5.43	4.33	0.3

为了验证所提出的设计方法，本实例仿真了中心频率为27.2GHz的两个滤波功分器原型。滤波功分器的电路尺寸为17.5mm×10.5mm。

如图7所示，功率分配比预设为1:3:1的三路滤波功分器，仿真的反射系数(|S₁₁|)在通带内优于20dB，三路***损耗约为1.2dB(不包括1:3:1的功率分配的损耗)。它理想的S₂₁、S₃₁、S₄₁分别为-6.99dB、-2.22dB、-6.99dB。仿真结果表明，以27.2GHz为中心的滤波功分器具有2.24％的3-dB分数带宽。输出的相位响应参照图7，此处不再重复给出。

除上述实施例外，本发明还可以有其他实施方式。凡采用等同替换或等效变换形成的技术方案，均落在本发明要求的保护范围。

Claims (6)

1.一种具有任意功分比的毫米波滤波功分器，其特征在于：包含1个输入端口（S ₁）和n个输出端口（L _i ），级联的N-1个TE₁₀₁模基片集成波导谐振腔和1个TE _n01模基片集成波导谐振腔，所述TE _n01模基片集成波导谐振腔将能量沿其长边方向均匀地分成n等份，N为滤波器的阶数，n为输出端的数量，i=1,2…n，输入端口（S ₁）设置于第1级TE₁₀₁模基片集成波导谐振腔的信号输入侧，所述TE _n01模基片集成波导谐振腔通过n个耦合窗将能量分别从n个输出端口（L _i ）输出，所述各输出端口（L _i ）的外部品质因数之比等于各输出端口的功率倒数之比。

2.根据权利要求1所述的具有任意功分比的毫米波滤波功分器，其特征在于：所述TE _n01模基片集成波导谐振腔在输出端口侧的开窗尺寸越大，该输出端口的外部品质因数越小，获得的能量分配比例越高。

3.根据权利要求1所述的具有任意功分比的毫米波滤波功分器，其特征在于：所述输入端口（S ₁）通过接地共面波导与第一级TE₁₀₁模基片集成波导谐振腔连接，将能量馈入第一级TE₁₀₁模基片集成波导谐振腔。

4.具有任意功分比的毫米波滤波功分器的设计方法，其特征在于步骤如下：

步骤1、根据滤波功分器通带所需的性能指标计算低通原型集总参数，并据此计算输入端口外部品质因数，确定滤波器的阶数N、相邻谐振器的耦合系数以及输出端口的数量n，初步假定该滤波功分器为n等功分的滤波功分器；

步骤2、根据步骤1确定的参数建立如权利要求1所述具有任意功分比的毫米波滤波功分器的模型，调节相邻谐振器之间的耦合窗尺寸，使得相邻谐振器之间的耦合度满足步骤1中计算得到的耦合系数；

步骤3、调整加载于第1级TE₁₀₁模基片集成波导谐振腔的输入馈线两侧开槽的宽度和深度，使其满足步骤1中计算得到的输入端口外部品质因数；

步骤4、通过仿真提取步骤2中等功分滤波功分器模型的任意一个输出端口（L _i ）不同窗口尺寸下所对应的外部品质因数，获得输出窗口尺寸-外部品质因数曲线图；

步骤5、根据设计要求的输出端口的输出功率分配比计算各输出端口的外部品质因数，根据步骤4中的输出窗口尺寸-外部品质因数曲线图调整TE _n01模基片集成波导谐振腔输出端口（L _i ）的耦合窗口尺寸，使其满足设计要求的输出端口（L _i ）的外部品质因数。

5.根据权利要求4所述的具有任意功分比的毫米波滤波功分器的设计方法，其特征在于：所述TE _n01模基片集成波导谐振腔在输出端口侧的开窗尺寸越大，该输出端口的外部品质因数越小，获得的能量分配比例越高。

6.根据权利要求4所述的具有任意功分比的毫米波滤波功分器的设计方法，其特征在于：输出端口的功率分配比等于输出端口外部品质因数的倒数之比。

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