一种新型的高性能宽带四功分滤波器

摘要

本发明公开一种新型的高性能宽带四功分滤波器，包括下表面设有金属接地板的矩形介质基板，在所述矩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、第三输出端口馈线和第四输出端口馈线；在所述第二输出端口馈线与输入端口馈线之间设有第一环形枝节加载型多模谐振器，在所述第四输出端口馈线与输入端口馈线之间设有第二环形枝节加载型多模谐振器；在所述第一耦合输入线和第二耦合输入线之间设有第一隔离电阻，在所述第一耦合输出线与第二耦合输出线之间设有第二隔离电阻，在所述第三耦合输出线与第四耦合输出线之间设有第三隔离电阻。本发明结构紧凑、损耗低、选择性高、隔离度好，具有良好的带外抑制性能。

说明书

技术领域

本发明涉及微波无源器件技术领域，特别是一种新型的高性能宽带四功分滤波器。

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系统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。功分滤波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[F.J.Chen,L.S.Wu,L.F.Qiu,and J.F.Mao,“A four-way microstripfiltering power divider with frequency-dependent couplings,”IEEETrans.Microw.Theory Techn.,vol.63,no.10,pp.3494–3504,Oct.2015.]提出了一种微带线型的四功分滤波器，然而，其不具备宽带性能，带内的隔离水平欠佳，电路尺寸偏大。

文献2[H.Zhu,A.M.Abbosh and L.Guo,“Wideband four-way filtering powerdivider with sharp selectivity and wide stopband using looped coupled-linestructures,”IEEE Microw.Wireless Compon.Lett.,vol.26,no.6,pp.413-415,Jun.2016.]提出了一种具有宽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.Zhu,J.Xu and W.Wu,“Microstrip four-way reconfigurable single/dual/wide-band filtering power divider with tunable frequency,bandwidth,andPDR,”IEEE Trans.Ind.Electron.vol.PP,Apr.2018.]基于四个多模谐振器，设计了一款宽带特性的四功分滤波器，但是其谐振器数量决定了其电路尺寸偏大，不利于实际应用。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是：

为了满足射频前端电路低成本、高度集成、小型化的需求，本发明提出一种高性能宽带四功分滤波器。

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高性能宽带四功分滤波器，其特征在于：包括下表面设有金属接地板的矩形介质基板，在所述矩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、第三输出端口馈线和第四输出端口馈线；在所述第二输出端口馈线与输入端口馈线之间设有第一环形枝节加载型多模谐振器，在所述第四输出端口馈线与输入端口馈线之间设有第二环形枝节加载型多模谐振器；在所述第一耦合输入线和第二耦合输入线之间设有第一隔离电阻，在所述第一耦合输出线与第二耦合输出线之间设有第二隔离电阻，在所述第三耦合输出线与第四耦合输出线之间设有第三隔离电阻。

如前所述的一种新型的高性能宽带四功分滤波器，进一步地：

所述输入端口馈线包括50欧姆微带线导带、第一输入耦合线和第二输入耦合线，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长边，其输出端与第一输入耦合线和第二输入耦合线的一端相连，所述第一输入耦合线和第二输入耦合线的自由端指向矩形介质基板的另一长边。

如前所述的一种新型的高性能宽带四功分滤波器，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欧姆微带线导带垂直于矩形介质基板的长边，且第一50欧姆微带线导带的一端位于矩形介质基板的一条长边；所述第一耦合输出线由L型导带构成，第一耦合输出线的短边端与第一50欧姆微带线导带的另一端相接且连接处为直角；所述第一耦合输出线的L型长边与矩形介质基板的短边平行，并指向矩形介质基板的另一长边。

如前所述的一种新型的高性能宽带四功分滤波器，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矩形介质基板的两相邻垂直边的短边，另一端与两次垂直同向弯折的第二耦合输出线的短边端面垂直相接，所述第二耦合输出线两次垂直同向弯折后的长边与矩形介质基板的垂直相邻的短边平行，并指向矩形介质基板的长边。

如前所述的一种新型的高性能宽带四功分滤波器，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欧姆微带线导带垂直于矩形介质基板的长边，且第三50欧姆微带线导带的一端位于矩形介质基板的一条长边；所述第三耦合输出线由L型导带构成，第三耦合输出线的短边端与第三50欧姆微带线导带的另一端相接且连接处为直角；所述第三耦合输出线的L型长边与矩形介质基板的短边平行，并指向矩形介质基板的另一长边。

如前所述的一种新型的高性能宽带四功分滤波器，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矩形介质基板的两相邻垂直边的短边，另一端与两次垂直同向弯折的第四耦合输出线的短边端面垂直相接，所述第四耦合输出线两次垂直同向弯折后的长边与矩形介质基板9的垂直相邻的短边平行，并指向矩形介质基板的长边。

如前所述的一种新型的高性能宽带四功分滤波器，进一步地：

所述第一环形枝节加载型多模谐振器在第二输出端口馈线和输入端口馈线之间；所述第一环形枝节加载型多模谐振器包括第一二分之一波长谐振器、第一枝节加载单元和第一环形加载单元所述第一二分之一波长谐振器呈U型，所述第一枝节加载单元呈山字型，开口朝向所述第一二分之一波长谐振器的U型底部，加载于所述U型底部的中心；所述第一环形加载单元为开口向右的U型导带，所述U型导带开口端的两个端口分别连接所述第一二分之一波长谐振器导带的U型底部，且位于所述第一枝节加载单元的外侧，所述第一环形加载单元加载于第一二分之一波长谐振器的中心。

如前所述的一种新型的高性能宽带四功分滤波器，进一步地：

所述第二环形枝节加载型多模谐振器在第二输出端口馈线和输入端口馈线之间；所述第二环形枝节加载型多模谐振器包括第二二分之一波长谐振器、第二枝节加载单元和第二环形加载单元，所述第二二分之一波长谐振器呈U型，所述第二枝节加载单元呈山字型，开口朝向所述第二二分之一波长谐振器的U型底部，加载于所述U型底部的中心；所述第二环形加载单元为开口向右的U型导带，所述U型导带开口端的两个端口分别连接所述第二二分之一波长谐振器导带的U型底部，且位于所述第二枝节加载单元的外侧，所述第二环形加载单元加载于第二二分之一波长谐振器的中心。

如前所述的一种新型的高性能宽带四功分滤波器，进一步地：

所述矩形介质基板厚度为0.508mm。

所述新型的高性能宽带四功分滤波器关于输入端口馈线的对称轴呈轴对称。

所述第二耦合输出线和第四耦合输出线的每次弯折形成直角，且两次弯折方向相同。

所述第一环形枝节加载型多模谐振器、第一枝节加载单元和第一环形加载单元关于第一二分之一波长谐振器的对称轴呈轴对称；

所述第二环形枝节加载型多模谐振器、第二枝节加载单元和第二环形加载单元关于第二二分之一波长谐振器的对称轴呈轴对称；

所述第二环形枝节加载型多模谐振器与第一环形枝节加载多模谐振器关于输入端口馈线的对称轴呈轴对称。

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)本发明利用多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，在减少谐振器数量(N阶功分滤波响应的实现往往需要2N阶谐振单元，本发明的谐振器数量减少了一半)的同时实现了功率分配及宽带滤波响应功能。

(4)本发明利用隔离电阻，隔离度好，适用于现代无线通信系统。

(5)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。

附图说明

图1是本发明一种新型的高性能宽带四功分滤波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和图6是实施例1的四个输出端口的匹配特性和隔离特性S参数仿真图。

图7是加工实物图。

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-第一环形枝节加载型多模谐振器；7-第二环形枝节加载型多模谐振器；8-金属接地板；9-矩形介质基板；R1-第一隔离电阻；R2-第二隔离电阻；R3-第三隔离电阻；

11-50欧姆微带线导带；12-第一输入耦合线；13-第二输入耦合线；

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-第三50欧姆微带线导带；42-第三输出耦合线；

51-第四50欧姆微带线导带；52-第四输出耦合线；

61-第一二分之一波长谐振器；62-第一枝节加载单元；63-第一环形加载单元；

71-第二二分之一波长谐振器；72-第二枝节加载单元；73-第二环形加载单元。

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。

结合多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，实现功率分配和滤波功能的集成，同时，巧妙的设计隔离电阻的位置，实现了一种宽带、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高性能宽带四功分滤波器，该宽带四功分滤波器非常适用于现代无线通信系统的应用。

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高性能宽带四功分滤波器中，环形枝节加载型多模谐振器6和环形枝节加载型多模谐振器7的二分之一波长谐振器61及71的长度和宽度决定了通带的位置，调节枝节加载单元和环形加载单元62、72、63、73的长度和宽度可以改变通带的带宽以及平坦度，输入耦合线12、13和二分之一波长谐振器61、71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61及71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和R3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，利用环形枝节加载型多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，通过巧妙的设置隔离电阻，获得了良好的端口隔离特性。由于本发明的新型的高性能宽带四功分滤波器选择性高、插入损耗小、带外抑制性能好，适用于现代无线通信系统。

下面结合实施例对本发明作进一步详细描述。

实施例1

一种新型的高性能宽带四功分滤波器的结构如图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9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，宽带四功分滤波器的各尺寸参数如下：W50＝1.18mm,W1＝0.2mm,W2＝0.4mm,L501＝6mm,L502＝5mm,L503＝5mm,g1＝0.1mm,g2＝0.2mm,L1＝18mm,L21＝3mm,L22＝19mm,L31＝4mm,L32＝3mm,L33＝15mm,L41＝15.6mm,L42＝8mm,L43＝11.8mm,L44＝14mm,L45＝18.5mm,L45＝4.8mm,R1＝210Ω,R2＝260Ω。

本实施例中，所述宽带四功分滤波器是在电磁仿真软件HFSS.17.0中建模仿真的，所述双通带四功分滤波器的实物测试是在Agilent N5244A网络分析仪中测试的。图4是本实例中宽带四功分滤波器的S参数仿真及实物波形图，从图中可以看出，该双通带四功分滤波器的通带中心频率为1.95GHz，相对带宽为23.6％，通带内回波损耗低于18.12dB，最小插入损耗为6.29dB。通带外两个传输零点使得该实例宽带四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和图6是本实例中宽带四功分滤波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，该实例四功分滤波器双通带内的输出端口回波损耗低于18.12dB，隔离度好于20.2dB。

综上所述，本发明提出了一种新型的高性能宽带四功分滤波器，结合环形枝节加载型多模谐振器和二分之一波长耦合线的场分布特性，利用设置隔离电阻，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宽带四功分滤波器，该宽带四功分滤波器非常适用于现代无线通信系统。

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。