CN102832434B

CN102832434B - 集成带通滤波功能的等分功率分配器

Info

Publication number: CN102832434B
Application number: CN201210298383.6A
Authority: CN
Inventors: 章秀银; 李聪; 余枫林; 王凯旭; 胡斌杰
Original assignee: South China University of Technology SCUT
Current assignee: South China University of Technology SCUT
Priority date: 2012-08-21
Filing date: 2012-08-21
Publication date: 2014-10-08
Anticipated expiration: 2032-08-21
Also published as: CN102832434A

Abstract

本发明公开了集成带通滤波功能的等分功率分配器，包括上层微带结构,隔离元件，中间层介质基板和下层接地金属板。每一个集成带通滤波功能的等分功率分配器包括两个单频带通滤波电路以及连接在该两个单频带通滤波电路之间的隔离元件。集成带通滤波功能的等分功率分配器的输入阻抗与输出阻抗相同，每一个单频带通滤波电路的输入输出阻抗可通过改变谐振器之间的耦合强度和端口位置进行调节以进行功率分配并实现匹配。每一个单频带通滤波电路由三个四分之一波长的谐振器耦合组成。本发明可用于各类射频前端系统中，具有功率分配和频率选择的功能，相比于级联的滤波电路与功分器而言体积更小，有利于器件的集成化与小型化。

Description

集成带通滤波功能的等分功率分配器

技术领域

本发明涉及一种具有滤波功能的功率分配器，特别涉及可应用于射频前端电路的集成带通滤波功能的等分功率分配器。

背景技术

功率分配器是微波电路中一个基础的部分，因为其有分离和组合信号的功能，所以在很多天线阵列和平衡电路中都要用到。而带通滤波电路是无线通信系统中另一种不可缺少的部分，因其可以分离出需要的频带。这两种元件在许多微波系统中同时存在。

在过去的几十年，有大量关于功率分配器的研究。研究的焦点在于拓宽频带，减小面积，双频响应以及谐波抑制。与此同时，带通滤波电路也是无源电路设计中重要的研究领域。单通带和多通带滤波电路是两个不同的研究方向。研究的焦点在于减小体积、提高频率选择性、灵活控制多个通带的工作频率及带宽、增加传输零点等方面。

在很多的射频子系统中，功率分配器以及滤波电路通常需要连接在一起以实现分离和滤除信号的功能。然而，所有上面提到的功率分配器以及滤波电路的研究都只是注重他们本身的特性，很少有考虑两者结合的可能性。传统的系统中通常应用离散器件实现这两个功能。但是，这样尺寸会很大。具有双重功能的单一器件能同时具有两种功能，可以满足小型化的要求。同时有分离/组合功率信号以及频率选择的双功能器件已经有一些学者研究过。在K. J. Song, and Q. Xue, “Novel Ultra-Wideband (UWB) Multilayer Slotline Power Divider With Bandpass Response,” IEEE Microw. Wireless Compon. Lett., vol. 20, no. 1, pp. 13-15, Jan, 2010.中，作者完成了一个具有带通相应的超宽带功率分配器。多层微带开槽线耦合用于分离/组合信号以及阻隔无用频率带。此外，一种兼具带通响应和谐波抑制的威尔金森功率分配器设计在文献P. Cheong, K. Lai, and K. Tam, “Compact Wilkinson Power Divider with Simultaneous Bandpass Response and Harmonic Suppression,” in 2010 IEEE MTT-S International Microwave Symposium Digest, Snaheim, USA, 2010.中被提出，在这个设计中，交叉指阶梯阻抗耦合线被用于实现功能。另外，在文献X. Y. Tang, and K. Mouthaan, “Filter Integrated Wilkinson Power Dividers,” Microwave and Optical Technology Letters, vol. 52, no. 12, pp. 2830-2833, Dec, 2010.中提到，Π-型传输线可以被集成到功率分配器中，然而，文章中只是用Π-型传输线，其滤波功能有待提高。为了填补这一空白，本发明提出了一种新型的集成带通滤波功能的等分功率分配器。

发明内容

本发明的目的在于克服现有技术存在的上述不足，提出了集成带通滤波功能的等分功率分配器。本发明中中，单频带通滤波电路用作阻抗转换器以代替传统的四分之一波长传输线。电阻，电容或电感作为隔离元件连接于两个单频带通滤波电路的开路端以得到良好的隔离效果。因为隔离器件摆放的特殊位置，所提出的结构有较小的尺寸，能提高电路的集成度。因为功率分配器中集成了单频带通滤波电路，所以可以同时实现功率分配和频率选择的功能。

为实现本发明目的，本发明所采用的技术方案如下：

集成带通滤波功能的等分功率分配器，包括上层微带结构、隔离元件、中间层介质基板和下层接地金属板，上层微带结构附着在中间层介质板上表面，中间层介质板下表面为接地金属；其特征在于：上层微带结构包括两个单频带通滤波电路，两个单频带通滤波电路结构相同，排布成上下对称的结构，两个单频带通滤波电路共用一个输入端口作为集成带通滤波功能的等分功率分配器的输入端口I/P,两个单频带通滤波电路的输出端口作为集成带通滤波功能的等分功率分配器的第一输出端口O/P1和第二输出端口O/P2。

上述集成带通滤波功能的等分功率分配器，位于上方的单频带通滤波电路由三个四分之一波长谐振器耦合组成，分别为第一谐振器、第二谐振器和第三谐振器；其中第一谐振器为依次连接的第一微带线、第二微带线、第三微带线和第四微带线构成的始端开路，末端接地的微带线；第二谐振器为依次连接的第五微带线、第六微带线、第七微带线、第八微带线、第九微带线和第十微带线构成的始端接地，末端开路的微带线；第三谐振器为依次连接的第十一微带线、第十二微带线、第十三微带线和第十四微带线构成的始端接地，末端开路的微带线；其中第二微带线和第十三微带线耦合，第三微带线和第十二微带线耦合，第四微带线和第五微带线耦合，第五微带线的一端和第十一微带线的一端耦合；第一谐振器的开路端与输入端口I/P相连接，第三谐振器的十三微带线与第一输出端口O/P相连接；隔离元件的一端与位于上方的第二谐振器的开路端连接，另一端与位于下方的单频带通滤波电路相应谐振器的开路端连接。

上述集成带通滤波功能的等分功率分配器，四分之一波长谐振器的长度L为所述单频带通滤波电路的谐振频率f对应的波长λ的四分之一；其中，L为实际微带线长度。

上述集成带通滤波功能的等分功率分配器，单频带通滤波电路通带左右传输零点由谐振器间的交叉耦合产生。

上述集成带通滤波功能的等分功率分配器，集成带通滤波功能的等分功率分配器的输入阻抗与输出阻抗相同，每一个单频带通滤波电路的输入输出阻抗可通过改变谐振器之间的耦合强度和端口位置进行调节以实现匹配。

上述集成带通滤波功能的等分功率分配器，隔离元件为电阻、电容或电感。

相对于现有技术，本发明具有如下优点：

（1）在传统的功率分配器中集成了带通滤波功能，可以同时实现功率分配和过滤信号的功能，而且相比于级联的滤波电路与功分器而言尺寸更小有利于射频前端系统的集成化以及小型化。

（2）集成带通滤波功能的等分功率分配器有比传统的分立的功率分配器和滤波器组合而成的系统有更低的插入损耗。

附图说明

图1是集成带通滤波功能的等分功率分配器的结构图。

图2是单频带通滤波电路的传输特性曲线图。

图3是集成带通滤波功能的等分功率分配器的结构示意图。

图4a是集成带通滤波功能的等分功率分配器的传输特性曲线图。

图4b是集成带通滤波功能的等分功率分配器的输出回波损耗和隔离系数。

具体实方式

下面结合附图对本发明作进一步详细的说明，但本发明要求保护的范围并不局限于下例表述的范围。

如图1所示，集成带通滤波功能的等分功率分配器包括上层微带结构，隔离元件，中间层介质基板和下层接地金属板，上层微带结构附着在中间层介质板上表面，中间层介质板下表面为接地金属；其特征在于：上层微带结构包括两个单频带通滤波电路，两个单频带通滤波电路结构相同，排布成上下对称的结构，两个单频带通滤波电路共用一个输入端口作为集成带通滤波功能的等分功率分配器的输入端口I/P,两个单频带通滤波电路的输出端口作为集成带通滤波功能的等分功率分配器的第一输出端口O/P1和第二输出端口O/P2。隔离元件18的一端与位于上方的第二谐振器2的开路端连接，另一端与位于下方的单频带通滤波电路相应谐振器的开路端连接。其中，隔离元件18可以是电阻，电容或电感。

如图1所示，方框中的单频带通滤波电路由三个四分之一波长谐振器耦合组成，分别为第一谐振器1、第二谐振器2和第三谐振器3；其中第一谐振器1为依次连接的第一微带线4、第二微带线5、第三微带线6和第四微带线7构成的始端开路，末端接地的微带线；第二谐振器2为依次连接的第五微带线8、第六微带线9、第七微带线10、第八微带线11、第九微带线12和第十微带线13构成的始端接地，末端开路的微带线；第三谐振器3为依次连接的第十一微带线14、第十二微带线15、第十三微带线16和第十四微带线17构成的始端接地，末端开路的微带线；其中第二微带线5和第十三微带线16耦合，第三微带线6和第十二微带线15耦合，第四微带线7和第五微带线8耦合，第五微带线8的一端和第十一微带线14的一端耦合；第一谐振器1的开路端与输入端口I/P相连接，第三谐振器3的十三微带线16与第一输出端口O/P1相连接；四分之一波长谐振器的长度L为所述单频带通滤波电路的谐振频率f对应的波长λ的四分之一；其中，L为实际微带线长度。

每一个单频带通滤波电路的输入输出阻抗可通过改变谐振器之间的耦合强度和端口位置进行调节以达到匹配。如图1所示方框中的单频带通滤波电路，其输入阻抗为100欧姆，输出阻抗为50欧姆。图2是这个单频带通滤波电路的幅度仿真响应。集成带通滤波功能的等分功率分配器由两个结构相同的单频带通滤波电路组成，这两个单频带通滤波电路相当于并联，那么并联后的电路输入阻抗与50欧姆匹配。正是因为单频带通滤波电路的输入输出阻抗可通过改变谐振器之间的耦合强度和端口位置进行调节以实现匹配，因此可以用来代替传统功率分配器中用到的四分之一波长传输线，实现阻抗变换的功能，并且仅通过调节输入输出阻抗便可以达到匹配状态。所以，当集成带通滤波功能的等分功率分配器的输入阻抗与输出阻抗相同时，每一个单频带通滤波电路的输入阻抗为100欧姆，输出阻抗为50欧姆时，并在两个电路间并接一个隔离电阻，即构成一个典型的威尔金森功率分配器。

实施例

集成带通滤波功能的等分功率分配器的结构如图1所示，有关尺寸规格如下图3所示。介质基板的厚度为0.81mm，相对介电常数为3.38。连接在单频带通滤波电路之间的隔离元件18采用5.1k欧姆的电阻，以增强隔离度。如图3所示，单频带通滤波电路的各谐振器长度L为所述单频带通滤波电路的谐振频率f对应的波长λ的四分之一，L为L1，L2，L3和L4的总和。按照图3设计功率分配器，以获得所需的输入、输出阻抗特性、频带内传输特性和频带外衰减特性。

图4a是按照上述参数设计出来的一个集成带通滤波功能的等分功率分配器的传输特性的仿真结果；传输特性曲线图中的横轴表示频率，纵轴表示传输特性，其中S₁₁表示集成带通滤波功能的等分功率分配器的回波损耗，S₂₁表示从输入端口I/P到第一输出端口O/P1的插入损耗，S₃₁表示从输入端口I/P到第二输出端口O/P2的插入损耗；由仿真结果可见，实际测试的插入损耗曲线S₂₁和S₃₁基本重合，通带的中心频率在2GHz，在中心频点的插入损耗S₂₁和S₃₁为-4.0dB。由于集成了单频带通滤波电路的缘故，集成带通滤波功能的等分功率分配器的插入损耗要稍大于标准的功率分配器。在中心频点，集成带通滤波功能的等分功率分配器的回波损耗S₁₁为 -31dB，并且在通带两边各有一个传输零点，大大的改善了功率分配器中滤波功能的滚降特性。图4b是按照上述参数设计出来的一个集成带通滤波功能的等分功率分配器的输出回波损耗S₂₂和隔离系数S₂₃的仿真结果。在中心频点上的输出回波损耗S₂₂为-15dB，端口2与端口3的隔离系数S₂₃为-22dB。

实施例的仿真结果表明本发明器件有两个功能，不但可以平均分配输入能量，还可以筛选出所需要的频段。

以上所述仅为本发明的较佳实例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims

1.集成带通滤波功能的等分功率分配器，包括上层微带结构、隔离元件、中间层介质基板和下层接地金属板，上层微带结构附着在中间层介质板上表面，中间层介质板下表面为接地金属；其特征在于：上层微带结构包括两个单频带通滤波电路，两个单频带通滤波电路结构相同，排布成上下对称的结构，两个单频带通滤波电路共用一个输入端口作为集成带通滤波功能的等分功率分配器的输入端口(I/P),两个单频带通滤波电路的输出端口作为集成带通滤波功能的等分功率分配器的第一输出端口(O/P1)和第二输出端口(O/P2)；位于上方的单频带通滤波电路由三个四分之一波长谐振器耦合组成，分别为第一谐振器(1)、第二谐振器(2)和第三谐振器(3)；其中第一谐振器(1)为依次连接的第一微带线(4)、第二微带线(5)、第三微带线(6)和第四微带线(7)构成的始端开路，末端接地的微带线；第二谐振器(2)为依次连接的第五微带线(8)、第六微带线(9)、第七微带线(10)、第八微带线(11)、第九微带线(12)和第十微带线(13)构成的始端接地，末端开路的微带线；第三谐振器(3)为依次连接的第十一微带线(14)、第十二微带线(15)、第十三微带线(16)和第十四微带线(17)构成的始端接地，末端开路的微带线；其中第二微带线(5)和第十三微带线(16)耦合，第三微带线(6)和第十二微带线(15)耦合，第四微带线(7)和第五微带线(8)耦合，第五微带线(8)的一端和第十一微带线(14)的一端耦合；第一谐振器(1)的开路端与输入端口(I/P)相连接，第三谐振器(3)的十三微带线(16)与第一输出端口(O/P1)相连接；隔离元件(18)的一端与位于上方的第二谐振器(2)的开路端连接，另一端与位于下方的单频带通滤波电路相应谐振器的开路端连接。

2.根据权利要求1所述集成带通滤波功能的等分功率分配器，其特征在于四分之一波长谐振器的长度L为所述单频带通滤波电路的谐振频率f对应的波长λ的四分之一；其中，L为实际微带线长度。

3.根据权利要求1所述集成带通滤波功能的等分功率分配器，其特征在于单频带通滤波电路通带左右传输零点由谐振器间的交叉耦合产生。

4.根据权利要求1所述集成带通滤波功能的等分功率分配器，其特征在于集成带通滤波功能的等分功率分配器的输入阻抗与输出阻抗相同，每一个单频带通滤波电路的输入输出阻抗通过改变谐振器之间的耦合强度和端口位置进行调节以实现匹配。

5.根据权利要求1所述的集成带通滤波功能的等分功率分配器，其特征在于隔离元件(18)为电阻、电容或电感。