基于非对称耦合线的三模巴伦带通滤波器

摘要

本发明公开一种基于非对称耦合线的三模巴伦带通滤波器，包括矩形介质基板(7)，其下表面满贴金属接地板(6)，其上表面设有输入端口馈线(1)、第一、二输出端口馈线(2、3)，输入端口馈线(1)与介质基板(7)宽边平行，其输入端位于介质基板(7)的一个窄边中点，第一、二输出端口馈线(2、3)的输出端分别位于矩形介质基板(7)的两个宽边的中点，在第一输出端口馈线(2)与输入端口馈线(1)之间设有第一多模谐振器(4)，在第二输出端口馈线(3)与输入端口馈线(1)之间设有第二多模谐振器(5)。本发明的巴伦带通滤波器，结构简单、损耗低、选择性和端口匹配特性好。

说明书

技术领域

本发明涉及微波无源器件技术领域，特别是一种基于非对称耦合线的三模巴伦带通滤波器。

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 MicrowaveIntegrated Circuit,MMIC)的发展，低成本、高度集成、小型化是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。

巴伦滤波器是一个独立的微波无源器件，它在功能上实现了射频电路中滤波器和巴伦的有效结合，也就是说巴伦滤波器兼备了信号的滤波以及功率的等幅反向分配的功能。因此，高性能的巴伦滤波器不仅能够有效减小系统的尺寸，而且能够简化系统设计的复杂度，从而进一步实现无线通信系统的低成本、高性能、小型化设计。

文献1(Lap Kun Yeung and Ke-Li Wu,A Dual-Band Coupled-Line Balun Filter,IEEE Transaction on Microwave Theory Technique,2007,55,(11)：2406–2411)中提出在 Marchand巴伦的理论基础上结合阶梯阻抗谐振器的谐振特性来实现巴伦滤波器的设计方法。这种设计方法虽然设计理论较为简单，但是由于该结构引入了阶梯阻抗谐振器，使得所设计的巴伦滤波器的带宽较窄。此外，由于该电路涉及到三线耦合，使得必须采用锯齿形的耦合形式来增强阶梯阻抗谐振器和主传输线间的耦合强度，因此该巴伦滤波器的结构较复杂，电路尺寸也较大。

文献2(Wenjie Feng and Wenquan Che,Novel wideband differential bandpass filters based on T-sharped structure,IEEE Transaction on Microwave Theory Technique,2012,60, (6)：1560–1568)中提出基于加载开路枝节与短路枝节的T型结构的谐振器来实现信号的平衡输出以及双模的带通特性，这种设计方法虽然结构较为简单，但是共模抑制效果仅为14.5dB，且其差模带外抑制较差。

文献3(Vicente González-Posadas,Carlos Martín-Pascual,JoséLuis Jiménez-Martín, and Daniel Segovia-Vargas,Lumped-Element Balun for UHF UWB Printed Balanced Antennas,IEEE Transactions on Antennas and Propagation,2008,1,(56)：2101–2107)提出通过低通和高通滤波器之间的相互搭配来设计巴伦滤波器的方法。虽然这种设计方法设计的巴伦在低频段具有体积小的优点，但是由于集总元件的相关特性，它也有损耗大、带宽较窄以及振幅和相位吻合度不高的缺点。

总之，现有技术存在的问题是：巴伦滤波器结构复杂、损耗高、选择性差、端口匹配特性不佳。

发明内容

本发明的目的在于提供一种基于非对称耦合线的三模巴伦带通滤波器，结构简单、损耗低、选择性好、具有较好的端口匹配性能。

实现本发明目的的技术解决方案为：

一种基于非对称耦合线的三模巴伦带通滤波器，包括下表面满贴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、第一输出端口馈线和第二输出端口馈线；所述输入端口馈线与介质基板宽边平行，其输入端位于介质基板的一个窄边中点，所述第一输出端口馈线的输出端位于矩形介质基板的一个宽边的中点，所述第二输出端口馈线的输出端位于矩形介质基板的另一个宽边的中点；在所述第一输出端口馈线与输入端口馈线之间设有第一多模谐振器，在所述第二输出端口馈线与输入端口馈线之间设有第二多模谐振器。

本发明与现有技术相比，其显著优点为：

1、结构简单：本发明由两个多模谐振器和三个输入输出馈线组成，结构简单；

2、损耗低：本发明的插入损耗小于0.6dB；

3、选择性好：本发明在通带两侧有两个传输零点，选择性好；

4、端口匹配特性好：本发明带内回波损耗小于15dB，端口匹配特性好。

下面结合附图和具体实施例对本发明作进一步详细描述。

附图说明

图1是本发明基于非对称耦合线的三模巴伦带通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是实例1中巴伦滤波器的两个输出端口幅度差与相位差图。

具体实施方式

结合图1、2，本发明基于非对称耦合线的三模巴伦带通滤波器，包括下表面满贴金属接地板6的矩形介质基板7，在所述矩形介质基板7的上表面设有输入端口馈线1、第一输出端口馈线2和第二输出端口馈线3；

所述输入端口馈线1与介质基板7宽边平行，其输入端位于介质基板7的一个窄边中点，所述第一输出端口馈线2的输出端位于矩形介质基板7的一个宽边的中点，所述第二输出端口馈线3的输出端位于矩形介质基板7的另一个宽边的中点；

在所述第一输出端口馈线2与输入端口馈线1之间设有第一多模谐振器4，在所述第二输出端口馈线3与输入端口馈线1之间设有第二多模谐振器5。

优选地，

所述输入端口馈线1包括50欧姆线导带11和二分之一波长主传输线12，所述50 欧姆线导带11的一端位于介质基板7的一个窄边中点，其另一端与二分之一波长主传输线12相连。

优选地，

所述第一输出端口馈线2包括与介质基板7宽边垂直的第一50欧姆微带线导带21 和与介质基板7宽边平行的第一四分之一波长耦合线22，所述第一50欧姆微带线导带 21的一端位于矩形介质基板7一个宽边的中点，其另一端与第一四分之一波长耦合线 22的一端相连，所述第一四分之一波长耦合线22的另一端指向输入端口馈线1输入端所在的介质基板7的一个窄边。

优选地，

所述第二输出端口馈线3包括与介质基板7宽边垂直的第二50欧姆微带线导带31 和与介质基板7宽边平行的第二四分之一波长耦合线32，所述第二50欧姆微带线导带 31的一端位于矩形介质基板7另一个宽边的中点，其另一端与第二四分之一波长耦合线 32的一端相连，所述第二四分之一波长耦合线32的另一端指向与输入端口馈线1输入端所在介质基板7窄边相反的另一窄边。

优选地，

所述第一多模谐振器4与第二多模谐振器5形状相同，关于介质基板7上表面几何中心成中心对称排列，第一多模谐振器4和第二多模谐振器5的开口均朝向介质基板7 上表面的长边中线。

所述第一多模谐振器4、第二多模谐振器5为内嵌环形对称面枝节加载的多模谐振器。

优选地，

所述第一多模模谐振器4包括第一短路柱41、第一二分之一波长谐振器42、第一对称面枝节加载单元43、第一环形加载单元44，所述第一短路柱41加载于第一二分之一波长谐振器42的中心，所述第一二分之一波长谐振器42成C型直角弯折，开口方向与二分之一波长主传输线12平行，所述第一对称面枝节加载单元43加载于第一二分之一波长谐振器42的中心，并与二分之一波长主传输线12平行，所述第一环形加载单元 44以第一对称面枝节加载单元43的中轴线为轴对称地加载于第一二分之一波长谐振器 42上，相对的另一边与第一对称面枝节加载单元43垂直，并与第一对称面枝节加载单元43远离第一二分之一波长谐振器42的端面相接。

由于第一多模谐振器4与第二多模谐振器5形状相同，且关于介质基板7上表面几何中心成中心对称排列，故所述第二多模模谐振器5包括第二短路柱51、第二二分之一波长谐振器52、第二对称面枝节加载单元53、第二环形加载单元54，所述第二短路柱 51加载于第二二分之一波长谐振器52的中心，所述第二二分之一波长谐振器52成C 型直角弯折，开口方向与二分之一波长主传输线12平行，所述第二对称面枝节加载单元53加载于第二二分之一波长谐振器52的中心，并与二分之一波长主传输线12平行，所述第二环形加载单元54以第二对称面枝节加载单元53的中轴线为轴对称地加载于第二二分之一波长谐振器52上，相对的另一边与第二对称面枝节加载单元53垂直，并与第二对称面枝节加载单元53远离第二二分之一波长谐振器52的端面相接。

所述二分之一波长主传输线12与第一二分之一波长谐振器42之间形成非对称耦合，所述二分之一波长主传输线12与第二二分之一波长谐振器52之间形成非对称耦合。

本发明中基于非对称耦合线的三模巴伦带通滤波器中，第一多模谐振器4和第二多模谐振器5的第一二分之一波长谐振器42和第二二分之一波长谐振器52的长度和宽度决定了奇模谐振频率，由此确定中心频率位置，第一多模谐振器4和第二多模谐振器5 的第一环形加载单元44和第一环形加载单元54在二分之一波长主传输线12垂线方向的开口距离决定了偶模谐振频率的位置，据此可以粗略估计滤波器的工作带宽，二分之一波长主传输线12与第一二分之一波长谐振器42和第二二分之一波长谐振器52之间的耦合间距以及二分之一波长主传输线的宽度对耦合强度影响较大，间距越小、宽度越窄耦合强度越大，两个输出端口的幅度和相位吻合度越高。

本发明基于非对称耦合线的三模巴伦带通滤波器，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。由于本发明的滤波器选择性好、插入损耗小，适用于现代无线通信系统。

下面结合具体实施例对本发明作进一步详细描述。

实施例1

抽头式馈电的双模巴伦带通滤波器的结构如图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7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，巴伦滤波器的各尺寸参数如下：W＝1.13mm，W₁＝0.8mm，>2＝0.4mm，W₄＝0.8mm，L₁＝35.1mm，L₂＝16mm，L₃＝6mm，L₄＝4mm，L₅＝1.4mm，>2，对应的导波长尺寸为0.21λ_g×0.45λ_g，其中λ_g为通带中心频率对应的导波波长。

本实例巴伦滤波器是在电磁仿真软件HFSS.13.0中建模仿真的。图4是本实例中巴伦滤波器的S参数仿真图，从图中可以看出，该巴伦滤波器的通带中心频率为2.4GHz，相对带宽为19.2％，通带内回波损耗低通带内最大插损0.6dB，回波损耗低于15dB。通带内有三个谐振点，通带外有三个传输零点，使得该实例巴伦滤波器具有高带宽与很好的选择性。

图5是本实例中巴伦滤波器的两个输出端口幅度差与相位差，从图中可以看出，该实例巴伦滤波器通带内的两个输出端口幅度差在0.3dB以内。该实例巴伦滤波器通带内的两个输出端口相位差在180±5度以内。

综上所述，本发明基于非对称耦合线的三模巴伦带通滤波器，结合三模谐振器和非对称耦合结构的特性实现了一种结构简单、损耗低、选择性好、具有较好的端口匹配性能的三模巴伦带通滤波器，该巴伦滤波器非常适用于现代无线通信系统。