基于信号干扰技术的高选择性平衡滤波器

摘要

本发明公开了一种新型的高选择性平衡滤波器，包括四对开路/短路耦合线，四对开路耦合线，两条开路线，七条微带传输线和四个金属化过孔。左右对称的非平衡滤波器通过半波长微带传输线相连形成四端口的平衡滤波器。通过调节开路耦合线间距、线宽等参量可以有效地控制耦合量的大小，从而灵活地控制带宽。利用信号干扰技术和加载的半波长开路分支线的传输特性，可以产生多个传输零点，有效地提高了差模信号的通带选择性和共模信号的抑制度。该平衡滤波器在两条传输路径信号的共同作用下，实现了差模信号良好的通带特性和带外的多个带外零点，共模信号的抑制频段达到了三个倍频，结构设计简单，电性能好，易于实现电路集成与系统封装。

说明书

技术领域

本发明涉及微波平衡电路技术领域，特别是一种基于信号干扰技术的高选择性平衡 滤波器。

背景技术

平衡电路在无线通信系统中有着非常重要的作用，可以提高接收机的信噪比、改善 发射机的效率，从而有效的抑制环境噪声和器件噪声的影响。而在各种平衡电路器件中， 平衡带通滤波器发挥着至关重要的作用。平衡带通滤波器的作用是保持较好的差模信号 响应，同时在给定的频率范围内抑制共模信号。为了更好的抑制共模噪声，平衡带通滤 波器还应该具备良好的带外抑制和高的频率选择性。为了提高滤波器的频率选择性，级 联带阻滤波器是常用的方法之一，缺点在于大大增加了整体滤波器的体积；通过加载枝 节引入传输零点也是提高选择性的方法，但是滤波器的损耗会不可避免的增加，近年来， 许多学者都在致力于研究具有良好的共模抑制、高频率选择性和宽阻带的平衡滤波器， 如文献1(“X.H.Wang,Q.Xue,W.W.Choi,ANovelUltra-WidebandDifferentialFilter BasedonDouble-SidedParallel-StripLine,IEEEMicrow.WirelessCompon.Lett.,vol.20, no.8,pp.471–473,Oct.2010”)，以及文献2(“L.L.Qiu,Q.X.Chu,Balancedbandpassfilter usingstub-loadedringresonatorandloadedcoupledfeed-line,IEEEMicrow.Wireless Compon.Lett.,vol.25,no.10,pp.654-656,Oct.2015”)中都比较详细地介绍了几种平衡 滤波器的结构，以往设计的平衡滤波器结构存在的缺点有：(1)电路复杂，体积较大； (2)差模带外性能差，共模抑制带宽窄；(3)带外传输零点少，共模抑制度低。

发明内容

本发明的目的在于提供一种基于信号干扰技术的高选择性平衡滤波器。

实现本发明目的的技术解决方案为：一种基于信号干扰技术的高选择性平衡滤波 器，该平衡滤波器整体为左右对称结构，其中第一端口、第二端口、第三端口、第四端 口都位于介质基板的上层，四条50欧姆的微带线分别与对应的四个端口相连，该四条 50欧姆的微带线分别为第一微带线、第二微带线、第三微带线、第四微带线；其中第一 端口和第二端口位于介质基板的一侧，第三端口和第四端口位于介质基板对称的另外一 侧，第一端口和第二端口关于中心面对称，第三端口和第四端口也关于中心面对称。

第一端口通过第一微带线与第一开路耦合线的一端相连，所述第一开路耦合线的另 一端与开路传输线的一端相连，所述开路传输线的另一端开路，第三端口通过第三微带 线与第二开路耦合线的一端相连，所述第二开路耦合线的另一端与第一传输线的一端相 连，所述第一传输线的另一端通过第三开路耦合线与第四微带线相连，第一开路耦合线 和第二开路耦合线通过第二传输线相连，开路传输线采用S形环绕方式，第一传输线为 “几”形；第一开路/短路耦合线的一端与第三传输线的一端相连，所述第三传输线的另 一端与第一微带线相连，第二开路/短路耦合线的一端与第四传输线的一端相连，所述第 四传输线的另一端与第一微带线相连，第一开路/短路耦合线和第二开路/短路耦合线通 过第五传输线相连，四条开路/短路耦合线的远离电路中心的四个末端均设置一个短路接 地通孔，所述四个短路接地通孔的一端连接介质基板上层，四个短路接地通孔的另一端 连接介质基板底层的金属板。

与现有的技术相比，其显著优点为：(1)本发明基于四分之一波长耦合线，通过调 节耦合线长度、宽度、耦合间距等参量可以方便地调节耦合系数，外部品质因数以及滤 波器差模响应带宽，从而获得所需的平衡滤波器响应；(2)本发明在得到差模高选择性 带通响应的同时，利用信号干扰技术带外可以产生多个传输零点，带外谐波抑制频段达 到三个倍频，并且共模响应也有多个传输零点，全频抑制频段也能达到三个倍频。

下面结合附图对本发明作进一步详细描述。

附图说明

图1为本发明基于信号干扰技术的高选择性平衡滤波器的三维结构示意图。

图2为本发明基于信号干扰技术的高选择性平衡滤波器的上层结构示意图。

图3为本发明基于信号干扰技术的高选择性平衡滤波器的差模响应的结果图。

图4为本发明基于信号干扰技术的高选择性平衡滤波器的共模响应的结果图

具体实施方式

本发明公开了一种基于信号干扰技术的高选择性平衡滤波器，该平衡滤波器整体为 左右对称结构，其中第一端口P1、第二端口P2、第三端口P3、第四端口P4都位于介 质基板的上层，四条50欧姆的微带线分别与对应的四个端口相连，该四条50欧姆的微 带线分别为第一微带线11、第二微带线12、第三微带线13、第四微带线14；其中第一 端口P1和第二端口P2位于介质基板的一侧，第三端口P3和第四端口P4位于介质基板 对称的另外一侧，第一端口P1和第二端口P2关于中心面A对称，第三端口P3和第四 端口P4也关于中心面A对称。

第一端口P1通过第一微带线11与第一开路耦合线1的一端相连，所述第一开路耦 合线1的另一端与开路传输线9的一端相连，所述开路传输线9的另一端开路，第三端 口P3通过第三微带线13与第二开路耦合线2的一端相连，所述第二开路耦合线2的另 一端与第一传输线10的一端相连，所述第一传输线10的另一端通过第三开路耦合线17 与第四微带线14相连，第一开路耦合线1和第二开路耦合线2通过第二传输线5相连， 开路传输线9采用S形环绕方式，第一传输线10为“几”形；第一开路/短路耦合线3 的一端与第三传输线6的一端相连，所述第三传输线6的另一端与第一微带线11相连， 第二开路/短路耦合线4的一端与第四传输线7的一端相连，所述第四传输线7的另一端 与第一微带线13相连，第一开路/短路耦合线3和第二开路/短路耦合线4通过第五传输 线8相连，四条开路/短路耦合线的远离电路中心的四个末端均设置一个短路接地通孔 15，所述四个短路接地通孔15的一端连接介质基板上层，四个短路接地通孔15的另一 端连接介质基板底层的金属板16；

第一开路耦合线1包含第一窄传输线1-1和第二窄传输线1-2，第一窄传输线1-1 和第二窄传输线1-2相互平行，第一窄传输线1-1的一端与第一微带线11相连，第一窄 传输线1-1的另一端与开路线9相连，第二窄传输线1-2的一端与第二传输线5的一端 相连，第二窄传输线1-2的另一端开路。

第二开路耦合线2包含第三窄传输线2-1和第四窄传输线2-2，第三窄传输线2-1 和第四窄传输线2-2相互平行，第三窄传输线2-1的一端与第三微带线13相连，第三窄 传输线2-1的另一端与第一传输线10相连，第四窄传输线2-2的一端与第二传输线5的 另一端相连，第四窄传输线2-2的另一端开路，且第二窄传输线1-2、第四窄传输线2-2 和第二传输线5在一条直线上；

第一开路/短路耦合线3包含第五窄传输线3-1和第六窄传输线3-2，第五窄传输线 3-1和第六窄传输线3-2相互平行，第五窄传输线3-1的一端开路，第五窄传输线3-1的 另一端通过短路接地通孔15与金属板16相连，第六窄传输线3-2的一端与第三传输线 6相连，第六窄传输线3-2的另一端与第五传输线8的一端相连；

第二开路/短路耦合线4包含第七窄传输线4-1和第八窄传输线4-2，第七窄传输线 4-1和第八窄传输线4-2相互平行，第七窄传输线4-1的一端开路，第七窄传输线4-1的 另一端与第四传输线7相连，第八窄传输线4-2的一端通过短路接地通孔15与金属板 16相连，第八窄传输线4-2的另一端与第五传输线8的另一端相连，且第六窄传输线 3-2、第八窄传输线4-2和第五传输线8在一条直线上。

四条50欧姆的微带线具有同等的长度和宽度，四个短路接地通孔15具有相等的直 径和高度，第三传输线6和第四传输线7的宽度相等。

第一传输线10左右对称分布，第一端口P1与第二端口P2左右对称分布，对应的 第一微带线11与第二微带线12左右对称分布，第三端口P3与第四端口P4左右对称分 布，对应的第三微带线13与第四微带线14左右对称分布。

第一开路耦合线1和第二开路耦合线2具有相同的长度、宽度和耦合间距，所述第 一开路/短路耦合线3和第二开路/短路耦合线4具有相同的长度、宽度和耦合间距。

第一开路耦合线1、第二开路耦合线2、第一开路/短路耦合线3、第二开路/短路耦 合线4、第三传输线6和第四传输线7的长度均为该平衡滤波器通带中心频率波长的四 分之一，开路传输线9和第一传输线10的长度均为该平衡滤波器通带中心频率波长的 二分之一，所述第一开路耦合线1、第二开路耦合线2、第一开路/短路耦合线3、第二 开路/短路耦合线4、开路传输线9、第一传输线10、第二传输线5、第三传输线6、第 四传输线7和第五传输线8的宽度均为0.15-2mm，所述第一开路耦合线1、第二开路耦 合线2、第一开路/短路耦合线3和第二开路/短路耦合线4的耦合间距均为0.15-0.6mm。

第一开路耦合线1、第二开路耦合线2和第二传输线5的宽度均为0.3mm，所述第 一开路/短路耦合线3、第二开路/短路耦合线4和第五传输线8的宽度均为0.2mm，所 述第三传输线6和第四传输线7的宽度均为0.76mm，所述开路传输线9的宽度为 0.45mm，所述第一传输线10的宽度为1.34mm，所述第一开路耦合线1、第二开路耦合 线2、第一开路/短路耦合线3和第二开路/短路耦合线4的耦合间距均为0.2mm。

介质基板的介电常数为2～16，介质基板的高度为0.1～4mm。

下面结合实施例对本发明作进一步详细的描述。

实施例1

由于上述高选择性平衡滤波器电路模型是左右对称电路结构，所以可以很方便的运 用差/共模理论进行分析。对于中间的“几”形传输线而言，差模激励时表现为短路特性， 偶模激励时表现为开路特性。根据平衡滤波器差模电路模型，从端口P1到端口P3有两 条不同的传输路径(开路耦合线的奇/偶模特性阻抗为Z_oo1和Z_oe1，开路/短路耦合线的奇/ 偶模特性阻抗为Z_oo2和Z_oe2)，两对开路/短路耦合线和连接的两条传输线形成了传输路 径1；两对开路耦合线与加载的一条短路线和一条开路线形成了传输路径2。

随着开路耦合线各自之间耦合系数k₁(k₁＝(Z_oe1-Z_oo1)/(Z_oe1+Z_oo1))的增大,该宽带滤 波器的带宽不断增加。由于传输路径1和传输路径2中的耦合线的奇偶模值可以通过耦 合间距与耦合线宽来调节，因此可以很方便的通过调节耦合线之间的耦合系数来控制该 滤波器的带宽。利用开路/短路耦合线和开路耦合线本身的谐振特性，很容易在该滤波器 通带外产生两个传输零点，分别位于0和2f₀(f₀为通带的中心频率)处。利用半波长开 路线的带阻传输特可以产生另外两个传输零点，分别位于0.5f₀和1.5f₀处，其余靠近通 带两端的四个传输零点主要是由于传输路径1和传输路径2信号的叠加而产生的，由于 这八个传输零点的存在，改善了该滤波器结构的差模边缘选择特性和谐波抑制特性。

图1采用的介质基板的相对介电常数为2.65，损耗角正切为0.003，整个介质基板 的尺寸是65mm*54mm*0.5mm。四个金属化过孔的直径均为0.6mm，开路耦合线1、2 的宽度设置为0.3mm，长度为17mm，耦合间距为0.2mm，开路/短路耦合线3、4的宽 度设置为0.2mm，长度为13mm，耦合间距为0.2mm，开路线9的宽度设置为0.45mm， 长度为37.4mm，传输线6、7的宽度设置为0.76mm，长度为17mm，传输线10的宽度 设置为1.34mm，长度为36.3mm，传输线5的宽度设置为0.3mm，长度为1mm，传输 线8的宽度设置为0.2mm，长度为8.74mm。

图3是图1中高选择性宽带多阶带通滤波器的差模仿真结果。该滤波器的中心频率 为3GHz，差模响应带内有3个极点，相对带宽为29％，带内回波损耗优于13dB，插 入损耗为0.6dB，带外抑制达到了2.98f₀(|S_dd21|<-20dB)。此外带外有6个传输零点， 分别位于1.44GHz、2.29GHz、3.63GHz、4.1GHz、4.87GHz和5.8GHz，这些传输零 点极大地提升了滤波器的带外谐波抑制特性。

图4是图1中高选择性宽带多阶带通滤波器的共模仿真结果，共模抑制从0GHz延 伸到8.92GHz(|S_cc21|<-15dB)。

由上可知，本发明提出的高选择性平衡滤波器，通过调节金属线长度、宽度、耦合 间距等参量可以方便地调节差模带宽，通过信号干扰技术产生多个传输零点，从而获得 所需的滤波器响应，方面在差模响应情况下实现了较高的频率选择性，带外产生了多了 传输零点，谐波抑制特性大大提高；另一方面，共模响应也产生了多个传输零点，更好 的抑制了共模噪声。

实施例2

一种基于信号干扰技术的高选择性平衡滤波器，该平衡滤波器整体为左右对称结 构，关于中心面A对称，其中第一端口P1、第二端口P2、第三端口P3、第四端口P4 都位于介质基板的上层，四条50欧姆的微带线分别与对应的四个端口相连，该四条50 欧姆的微带线分别为第一微带线11、第二微带线12、第三微带线13、第四微带线14； 其中第一端口P1和第二端口P2位于介质基板的一侧，第三端口P3和第四端口P4位于 介质基板对称的另外一侧，第一端口P1和第二端口P2关于中心面A对称，第三端口 P3和第四端口P4也关于中心面A对称；

第一端口P1通过第一微带线11与第一开路耦合线1的一端相连，所述第一开路耦 合线1的另一端与开路传输线9的一端相连，所述开路传输线9的另一端开路，第三端 口P3通过第三微带线13与第二开路耦合线2的一端相连，所述第二开路耦合线2的另 一端与第一传输线10的一端相连，所述第一传输线10的另一端通过第三开路耦合线17 与第四微带线14相连，第一开路耦合线1和第二开路耦合线2通过第二传输线5相连， 开路传输线9采用S形环绕方式，第一传输线10为“几”形；第一开路/短路耦合线3 的一端与第三传输线6的一端相连，所述第三传输线6的另一端与第一微带线11相连， 第二开路/短路耦合线4的一端与第四传输线7的一端相连，所述第四传输线7的另一端 与第一微带线13相连，第一开路/短路耦合线3和第二开路/短路耦合线4通过第五传输 线8相连，四条开路/短路耦合线的远离电路中心的四个末端均设置一个短路接地通孔 15，所述四个短路接地通孔15的一端连接介质基板上层，四个短路接地通孔15的另一 端连接介质基板底层的金属板16。

第一开路耦合线1包含第一窄传输线1-1和第二窄传输线1-2，第一窄传输线1-1 和第二窄传输线1-2相互平行，第一窄传输线1-1的一端与第一微带线11相连，第一窄 传输线1-1的另一端与开路线9相连，第二窄传输线1-2的一端与第二传输线5的一端 相连，第二窄传输线1-2的另一端开路；

第二开路耦合线2包含第三窄传输线2-1和第四窄传输线2-2，第三窄传输线2-1 和第四窄传输线2-2相互平行，第三窄传输线2-1的一端与第三微带线13相连，第三窄 传输线2-1的另一端与第一传输线10相连，第四窄传输线2-2的一端与第二传输线5的 另一端相连，第四窄传输线2-2的另一端开路，且第二窄传输线1-2、第四窄传输线2-2 和第二传输线5在一条直线上；

第一开路/短路耦合线3包含第五窄传输线3-1和第六窄传输线3-2，第五窄传输线 3-1和第六窄传输线3-2相互平行，第五窄传输线3-1的一端开路，第五窄传输线3-1的 另一端通过短路接地通孔15与金属板16相连，第六窄传输线3-2的一端与第三传输线 6相连，第六窄传输线3-2的另一端与第五传输线8的一端相连；

第二开路/短路耦合线4包含第七窄传输线4-1和第八窄传输线4-2，第七窄传输线 4-1和第八窄传输线4-2相互平行，第七窄传输线4-1的一端开路，第七窄传输线4-1的 另一端与第四传输线7相连，第八窄传输线4-2的一端通过短路接地通孔15与金属板 16相连，第八窄传输线4-2的另一端与第五传输线8的另一端相连，且第六窄传输线 3-2、第八窄传输线4-2和第五传输线8在一条直线上。

四条50欧姆的微带线具有同等的长度和宽度，四个短路接地通孔15具有相等的直 径和高度，第三传输线6和第四传输线7的宽度相等。

第一传输线10左右对称分布，第一端口P1与第二端口P2左右对称分布，对应的 第一微带线11与第二微带线12左右对称分布，第三端口P3与第四端口P4左右对称分 布，对应的第三微带线13与第四微带线14左右对称分布。

所述第一开路耦合线1和第二开路耦合线2具有相同的长度、宽度和耦合间距，所 述第一开路/短路耦合线3和第二开路/短路耦合线4具有相同的长度、宽度和耦合间距。

第一开路耦合线1、第二开路耦合线2、第一开路/短路耦合线3、第二开路/短路耦 合线4、第三传输线6和第四传输线7的长度均为该平衡滤波器通带中心频率波长的四 分之一，开路传输线9和第一传输线10的长度均为该平衡滤波器通带中心频率波长的 二分之一，所述第一开路耦合线1、第二开路耦合线2、第一开路/短路耦合线3、第二 开路/短路耦合线4、开路传输线9、第一传输线10、第二传输线5、第三传输线6、第 四传输线7和第五传输线8的宽度均为0.15-2mm，所述第一开路耦合线1、第二开路耦 合线2、第一开路/短路耦合线3和第二开路/短路耦合线4的耦合间距均为0.15-0.6mm。

第一开路耦合线1、第二开路耦合线2和第二传输线5的宽度均为0.3mm，所述 第一开路/短路耦合线3、第二开路/短路耦合线4和第五传输线8的宽度均为0.2mm， 所述第三传输线6和第四传输线7的宽度均为0.76mm，所述开路传输线9的宽度为 0.45mm，所述第一传输线10的宽度为1.34mm，所述第一开路耦合线1、第二开路耦合 线2、第一开路/短路耦合线3和第二开路/短路耦合线4的耦合间距均为0.2mm。

介质基板的介电常数为2～16，介质基板的高度为0.1～4mm。

本发明的平衡滤波器在两条传输路径信号的共同作用下，实现了差模信号良好的通 带特性和带外的多个带外零点，共模信号的抑制频段达到了三个倍频，结构设计简单， 电性能好，易于实现电路集成与系统封装。