一种微波毫米波有源外负载多正交倒相滤波器

摘要

本发明公开了一种微波毫米波有源外负载多正交倒相滤波器，包括低噪声放大器、外接匹配负载的定向耦合器、带状线结构的第一微波毫米波平衡滤波器和第二微波毫米波平衡滤波器；低噪声放大器与定向耦合器相连，定向耦合器同时与第一微波毫米波平衡滤波器和第二微波毫米波平衡滤波器相连。本发明具有使用简易方便、插损小、方向性高、易调试、重量轻、体积小、可靠性高、电性能好、温度稳定性好、成本低、可大批量生产等优点，适用于相应毫米波频段的通信、卫星通信等对体积、电性能、温度稳定性和可靠性有苛刻要求的场合和相应的系统中。

说明书

技术领域

本发明涉及一种滤波器，特别是一种微波毫米波有源外负载多正交倒相滤波器。

背景技术

近年来，随着移动通信、卫星通信及国防电子系统的微型化的迅速发展，高性能、 低成本和小型化已经成为目前微波/射频领域的发展方向，对微波滤波器的性能、尺寸、 可靠性和成本均提出了更高的要求。在一些国防尖端设备中，现在的使用频段已经相当 拥挤，所以卫星通信等尖端设备向着毫米波波段发展，微波毫米波波段滤波器已经成为 该波段接收和发射支路中的关键电子部件，描述这种部件性能的主要指标有：通带工作 频率范围、阻带频率范围、通带插入损耗、阻带衰减、通带输入/输出电压驻波比、插 入相移和时延频率特性、温度稳定性、体积、重量、可靠性等。耦合器一直是各种微波 集成电路中的重要组成部件，由于直通口与耦合口的输出不同，因此将耦合器与滤波器 相连，可以扩大滤波器的使用范围。

传统的滤波器，例如微带滤波器，通常实现相同的性能参数，所需体积大，在工程 应用上的具有很多劣势；并且，传统情况下采用的滤波器，不具有正交倒相功能，而是 通过外接正交器和巴伦实现的，结构复杂。

发明内容

本发明的目的在于提供一种由带状线结构和外接匹配负载定向耦合器实现体积小、 重量轻、可靠性高、电性能优异的微波毫米波有源外负载多正交倒相滤波器。

实现本发明目的的技术方案是：一种微波毫米波有源外负载多正交倒相滤波器，包 括低噪声放大器、外接匹配负载的定向耦合器、带状线结构的第一微波毫米波平衡滤波 器和第二微波毫米波平衡滤波器；所述低噪声放大器与定向耦合器相连，定向耦合器同 时与第一微波毫米波平衡滤波器和第二微波毫米波平衡滤波器相连；

低噪声放大器包括输入端口、输出端口和电源端口；定向耦合器包括表面贴装的第 一输入端口、第一匹配线、第一层双螺旋结构的宽边耦合带状线、第二匹配线、第一输 出电感、第二输出电感、第三匹配线、第二层双螺旋结构的宽边耦合带状线、第四匹配 线和表面贴装的隔离端口；

低噪声放大器的输出端口与定向耦合器的第一输入端口相连，第一输入端口与第一 匹配线相连；第一匹配线、第二层双螺旋结构的宽边耦合带状线和第二匹配线依次相连 且设置在同一平面，第二匹配线与第一输出电感连接；第三匹配线、第一层双螺旋结构 的宽边耦合带状线和第四匹配线依次相连且设置在同一平面，第三匹配线与第二输出电 感连接，第四匹配线与隔离端口的一端连接，隔离端口的另一端接地；

所述第一微波毫米波平衡滤波器包括第一输入电感、第一级并联谐振单元、第二级 并联谐振单元、第三级并联谐振单元、第四级并联谐振单元、第五级并联谐振单元、第 六级并联谐振单元、第三输出电感、第四输出电感、表面贴装的第一输出端口、表面贴 装的第二输出端口、第一Z形级间耦合带状线；各级并联谐振单元均为三层，三层之间 相互平行设置，且每层都在同一平面；

第一级并联谐振单元由第一层的第一带状线、第二层的第二带状线、第三层的第三 带状线以及第一微电容并联而成；

第二级并联谐振单元由第一层的第四带状线、第二层的第五带状线、第三层的第六 带状线以及第二微电容并联而成；

第三级并联谐振单元由第一层的第七带状线、第二层的第八带状线、第三层的第九 带状线以及第三微电容并联而成；

第四级并联谐振单元由第一层的第十带状线、第二层的第十一带状线、第三层的第 十二带状线以及第四微电容并联而成；

第五级并联谐振单元由第一层的第十三带状线、第二层的第十四带状线、第三层的 第十五带状线以及第五微电容并联而成；

第六级并联谐振单元由第一层的第十六带状线、第二层的第十七带状线、第三层的 第十八带状线以及第六微电容并联而成；

第一级并联谐振单元的第二层的第二带状线与第一输入电感连接，第六级并联谐振 单元的第二层的第十七带状线与第三输出电感连接，第三输出电感与表面贴装的第一输 出端口连接，第六级并联谐振单元的第一层的第十六带状线与第四输出电感连接，第四 输出电感与表面贴装的第二输出端口连接，第一Z形级间耦合带状线设置在六级并联谐 振单元的底部；

六级并联谐振单元分别接地，其中第一、三层所有带状线接地端相同，一端是微电 容接地，另一端开路；第二层带状线接地端相同，一端接地，另一端开路，且接地端方 向与第一、三层接地端相反，第一Z形级间耦合带状线两端均接地；

所述第二微波毫米波平衡滤波器包括第二输入电感、第七级并联谐振单元、第八级 并联谐振单元、第九级并联谐振单元、第十级并联谐振单元、第十一级并联谐振单元、 第十二级并联谐振单元、第五输出电感、第六输出电感、表面贴装的第三输出端口、表 面贴装的第四输出端口、第二Z形级间耦合带状线，各级并联谐振单元均为三层，三层 之间相互平行，且每层都在同一平面；

第七级并联谐振单元由第一层的第十九带状线、第二层的第二十带状线、第三层的 第二十一带状线以及第七微电容并联而成；

第八级并联谐振单元由第一层的第二十二带状线、第二层的第二十三带状线、第三 层的第二十四带状线以及第八微电容并联而成；

第九级并联谐振单元由第一层的第二十五带状线、第二层的第二十六带状线、第三 层的第二十七带状线以及第九微电容并联而成；

第十级并联谐振单元由第一层的第二十八带状线、第二层的第二十九带状线、第三 层的第三十带状线以及第十微电容并联而成；

第十一级并联谐振单元由第一层的第三十一带状线、第二层的第三十二带状线、第 三层的第三十三带状线以及第十一微电容并联而成；

第十二级并联谐振单元由第一层的第三十四带状线、第二层的第三十五带状线、第 三层的第三十六带状线以及第十二微电容并联而成；

第七级并联谐振单元的第二层的第二十带状线与第二输入电感连接，第十二级并联 谐振单元的第二层的第三十五带状线与第五输出电感连接，第五输出电感与表面贴装的 第三输出端口连接，第十二级并联谐振单元的第一层的第三十四带状线与第六输出电感 连接，第六输出电感与表面贴装的第四输出端口连接，第二Z形级间耦合带状线设置在 并联谐振单元的底部；

六级并联谐振单元分别接地，其中第一、三层所有带状线接地端相同，一端是微电 容接地，另一端开路，第二层带状线接地端相同，一端接地，另一端开路，且接地端方 向与第一、三层接地端相反，第二Z形级间耦合带状线两端均接地；

定向耦合器的第一输出电感与第一微波毫米波滤波器的第一输入电感连接，定向耦 合器的第二输出电感与第二微波毫米波滤波器的第二输入电感连接。

与现有技术相比，其显著优点为：(1)本发明采用束状线结构，通过宽边电容耦合， 实现通带特性平坦；(2)本发明通过定向耦合器实现相位翻转，并且通过两个带状线结 构的微波毫米波平衡滤波器的四个输出端口实现正交输出，可产生形状相同，相位相差 90度及180度的四种信号波形；(3)本发明体积小、重量轻、可靠性高；(4)本发明 带外抑制好，电性能优异；(5)本发明的电路实现结构简单，成本低，可实现大批量生 产；(6)本发明采用低温共烧陶瓷技术，具有散热性好，可靠性高、耐高温、体积小、 精度高等优点。

附图说明

图1(a)为本发明的微波毫米波有源外负载多正交倒相滤波器的结构示意图；图1 (b)是本发明的定向耦合器的结构示意图；图1(c)是本发明的第一微波毫米波平衡 滤波器的结构示意图；图1(d)是本发明的第二微波毫米波平衡滤波器的结构示意图。

图2是本发明的微波毫米波有源外负载多正交倒相滤波器的四个输出端口的幅频特 性曲线。

图3是本发明的微波毫米波有源外负载多正交倒相滤波器输入端口的驻波特性曲 线。

图4是本发明的微波毫米波有源外负载多正交倒相滤波器第一输出端口与第二输出 端口的相位差曲线。

图5是本发明的微波毫米波有源外负载多正交倒相滤波器第一输出端口与第三输出 端口的相位差曲线。

具体实施方式

下面结合附图对本发明作进一步详细描述。

结合图1(a)，一种微波毫米波有源外负载多正交倒相滤波器，包括低噪声放大器、 外接匹配负载的定向耦合器、带状线结构的第一微波毫米波平衡滤波器F1和第二微波 毫米波平衡滤波器F2；所述低噪声放大器与定向耦合器相连，定向耦合器同时与第一 微波毫米波平衡滤波器F1和第二微波毫米波平衡滤波器F2相连；

结合图1(b)，所述低噪声放大器包括输入端口In、输出端口Out和电源端口+5V； 所述定向耦合器包括表面贴装的第一输入端口P1、第一匹配线L1、第一层双螺旋结构 的宽边耦合带状线U1、第二匹配线L2、第一输出电感Lout1、第二输出电感Lout2、第 三匹配线L3、第二层双螺旋结构的宽边耦合带状线U2、第四匹配线L4和表面贴装的 隔离端口P4；

其中，低噪声放大器的输出端口Out与定向耦合器的第一输入端口P1相连，第一 输入端口P1与第一匹配线L1相连；第一匹配线L1、第二层双螺旋结构的宽边耦合带 状线U2和第二匹配线L2依次相连且设置在同一平面，第二匹配线L2与第一输出电感 Lout1连接；第三匹配线L3、第一层双螺旋结构的宽边耦合带状线U1和第四匹配线L4 依次相连且设置在同一平面，第三匹配线L3与第二输出电感Lout2连接，第四匹配线 L4与隔离端口P4的一端连接，隔离端口P4的另一端接地；

结合图1(c)，所述第一微波毫米波平衡滤波器F1包括第一输入电感Lin1、第一 级并联谐振单元、第二级并联谐振单元、第三级并联谐振单元、第四级并联谐振单元、 第五级并联谐振单元、第六级并联谐振单元、第三输出电感Lout3、第四输出电感Lout4、 表面贴装的第一输出端口P2、表面贴装的第二输出端口P3、第一Z形级间耦合带状线 Z1；各级并联谐振单元均为三层，三层之间相互平行设置，且每层都在同一平面，其中：

第一级并联谐振单元由第一层的第一带状线L11、第二层的第二带状线L21、第三 层的第三带状线L31以及第一微电容C1并联而成；

第二级并联谐振单元由第一层的第四带状线L12、第二层的第五带状线L22、第三 层的第六带状线L32以及第二微电容C2并联而成；

第三级并联谐振单元由第一层的第七带状线L13、第二层的第八带状线L23、第三 层的第九带状线L33以及第三微电容C3并联而成；

第四级并联谐振单元由第一层的第十带状线L14、第二层的第十一带状线L24、第 三层的第十二带状线L34以及第四微电容C4并联而成；

第五级并联谐振单元由第一层的第十三带状线L15、第二层的第十四带状线L25、 第三层的第十五带状线L35以及第五微电容C5并联而成；

第六级并联谐振单元由第一层的第十六带状线L16、第二层的第十七带状线L26、 第三层的第十八带状线L36以及第六微电容C6并联而成；

第一级并联谐振单元的第二层的第二带状线L21与第一输入电感Lin1连接，第六 级并联谐振单元的第二层的第十七带状线L26与第三输出电感Lout3连接，第三输出电 感Lout3与表面贴装的第一输出端口P2连接，第六级并联谐振单元的第一层的第十六 带状线L16与第四输出电感Lout4连接，第四输出电感Lout4与表面贴装的第二输出端 口P3连接，第一Z形级间耦合带状线Z1设置在六级并联谐振单元的底部；

六级并联谐振单元分别接地，其中第一、三层所有带状线接地端相同，一端是微电 容接地，另一端开路；第二层带状线接地端相同，一端接地，另一端开路，且接地端方 向与第一、三层接地端相反，第一Z形级间耦合带状线Z1两端均接地；

结合图1(d)，所述第二微波毫米波平衡滤波器F2包括第二输入电感Lin2、第七 级并联谐振单元、第八级并联谐振单元、第九级并联谐振单元、第十级并联谐振单元、 第十一级并联谐振单元、第十二级并联谐振单元、第五输出电感Lout5、第六输出电感 Lout6、表面贴装的第三输出端口P5、表面贴装的第四输出端口P6、第二Z形级间耦合 带状线Z2，各级并联谐振单元均为三层，三层之间相互平行，且每层都在同一平面， 其中：

第七级并联谐振单元由第一层的第十九带状线L41、第二层的第二十带状线L51、 第三层的第二十一带状线L61以及第七微电容C7并联而成；

第八级并联谐振单元由第一层的第二十二带状线L42、第二层的第二十三带状线 L52、第三层的第二十四带状线L62以及第八微电容C8并联而成；

第九级并联谐振单元由第一层的第二十五带状线L43、第二层的第二十六带状线 L53、第三层的第二十七带状线L63以及第九微电容C9并联而成；

第十级并联谐振单元由第一层的第二十八带状线L44、第二层的第二十九带状线 L54、第三层的第三十带状线L64以及第十微电容C10并联而成；

第十一级并联谐振单元由第一层的第三十一带状线L45、第二层的第三十二带状线 L55、第三层的第三十三带状线L65以及第十一微电容C11并联而成；

第十二级并联谐振单元由第一层的第三十四带状线L46、第二层的第三十五带状线 L56、第三层的第三十六带状线L66以及第十二微电容C12并联而成；

其中，第七级并联谐振单元的第二层的第二十带状线L51与第二输入电感Lin2连 接，第十二级并联谐振单元的第二层的第三十五带状线L56与第五输出电感Lout5连接， 第五输出电感Lout5与表面贴装的第三输出端口P5连接，第十二级并联谐振单元的第 一层的第三十四带状线L46与第六输出电感Lout6连接，第六输出电感Lout6与表面贴 装的第四输出端口P6连接，第二Z形级间耦合带状线Z2位于并联谐振单元的下面；

六级并联谐振单元分别接地，其中第一、三层所有带状线接地端相同，一端是微电 容接地，另一端开路，第二层带状线接地端相同，一端接地，另一端开路，且接地端方 向与第一、三层接地端相反，第二Z形级间耦合带状线Z2两端均接地；

定向耦合器的第一输出电感Lout1与第一微波毫米波滤波器F1的第一输入电感Lin1 连接，定向耦合器的第二输出电感Lout2与第二微波毫米波滤波器F2的第二输入电感 Lin2连接。

低噪声放大器的输入端口In、输出端口Out、第一输入端口P1、第一匹配线L1、第 一层双螺旋结构的宽边耦合带状线U1、第二匹配线L2、第一输出电感Lout1、第二输出 电感Lout2、第三匹配线L3、第二层双螺旋结构的宽边耦合带状线U2、第四匹配线L4、 表面贴装的隔离端口P4、第一输入电感Lin1、第二输入电感Lin2、十二级并联谐振单元、 第三输出电感Lout3、第四输出电感Lout4、表面贴装的第一输出端口P2、表面贴装的 第二输出端口P3、第一Z形级间耦合带状线Z1、第二Z形级间耦合带状线Z2和接地端 均采用多层低温共烧陶瓷工艺实现。

所述低噪声放大器型号为WFD022036—L12。

所述定向耦合器的第一输入端口P1的输入阻抗为50欧姆；所述隔离端口P4为50 欧姆隔离端口；所述第一微波毫米波平衡滤波器F1的第一输出端口P2和第二输出端口 P3均为50欧姆输出端口；所述第二微波毫米波平衡滤波器F2的第三输出端口P5和第 四输出端口P6均为50欧姆输出端口。

下面结合具体实施例对本发明做进一步说明。

实施例1

本发明微波毫米波有源外负载多正交倒相滤波器的尺寸仅为11mm×3.2mm× 1.5mm，其性能可从图2、图3看出，通带带宽为2.7GHz～2.9GHz，四个输出端口P2、 P3、P4、P5在通带内的输出波形基本一致，输入端口回波损耗优于16dB，在通带内， 第一输出端口P2与第二输出端口P3的相位差近似为180度，第一输出端口P2与第三 输出端口P5相位差近似为90度。

由图2可知，四个输出端口的带外抑制都能达到-30dBc；

由图3所示，输入驻波达到-15dB以下；

由图4可知，第一输出端口P2与第二输出端口P3的相位特性很好的符合相位倒相 要求；

由图5可知，第一输出端口P2与第三输出端口P5的相位特性符合相位正交要求。

本发明的微波毫米波有源外负载多正交倒相滤波器，由于采用多层低温共烧陶瓷工 艺实现，其低温共烧陶瓷材料和金属图形在大约900℃温度下烧结而成，具有非常高的 可靠性和温度稳定性，由于结构采用三维立体集成和多层折叠结构以及外表面金属屏蔽 实现接地和封装，体积大幅减小。