一种基于微带耦合线的三通带功分滤波器

1.本发明涉及微波无源器件技术领域，特别是一种基于微带耦合线的三通带功分滤波器。


背景技术：

2.功分器和滤波器是现代无线通信系统中不可缺少的两种无源器件。在系统中，它们通常是级联在一起的，这往往导致大的电路尺寸和高插入损耗。为了解决这一问题，将功分器和带通滤波器集成到一个组件中，即功分滤波器(filtering power diver,fpd)，同时实现指定的功率分配/组合和频率选择性的功能。此外，并且随着无线通信系统的不断发展，多标准通信变得愈发的重要，因此多频带功分滤波电路的研究也就变的愈发的重要。
3.文献1[k.j.song,m.y.fan,and f.zhang,“compact triple
‑
band power divider integrated bandpass
‑
filtering response using short
‑
circuited sirs,”ieee trans.compon.packag.manufact.technol.,vol.7,no.7,july.2017]通过利用耦合短路阶梯阻抗谐振器和半波长谐振器实现了三通带功分滤波响应，可以通过调节阻抗比和电长度来同时得到三个所需的通带。但是其端口隔离度较差，带外抑制不够理想等问题影响了该功分滤波器的进一步应用。
[0004]
文献2[c.
‑
f.chen,t.
‑
y.huang,and r.
‑
b.wu,“novel compact net
‑
type resonators and their applications to microstrip bandpass filters,”ieee trans.microw.theory techn.,vol.54,no.2,pp.755
‑
762,feb.2006]通过利用网形三模谐振器，在不显著增大电路尺寸的基础上，简单高效地实现了一种多通带微带滤波器，但是，由于设计参数自由度的限制，很难同时实现对所有通带的设计要求，加大了设计的实现难度。
[0005]
文献3[r.g
ó
mez
‑
garcia,r.loeches
‑
sanchez,d.psychogiou,and d.peroulis,“single/multi
‑
band wilkinson
‑
type power dividers with embedded transversal filtering sections and application to channelized filters,”ieee trans.circuits syst.i,reg.papers,vol.62,no.6,pp.1518
‑
1527,jun.2015.]提出了一种具有固有滤波能力的新型单/多通带威尔金森功分器，但其电路体积大，端口隔离度欠佳。
[0006]
在实现本发明过程中，发明人还发现现有技术中至少存在良好滤波效果，集成度不高，在实际加工中成本较高等问题。


技术实现要素：

[0007]
发明目的：本发明所要解决的技术问题是针对现有技术的不足，提供一种三通带功分滤波器。
[0008]
为了解决上述技术问题，本发明公开了一种基于微带耦合线的三通带功分滤波器，包括介质基板，所述介质基板底面设有金属接地板，顶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、第一耦合线、第二耦合线和第三耦合线，所述输入端口馈线的一端与介质基板的第一侧边连接，另一端与第一耦合线部分耦合连接，耦合间隙为s1；所述第一耦合线的一端连接有第一带阻谐振单元，另一端与第二耦合线部分耦合连接，耦合间隙为s2；所述第二耦合线的一端连接有第二带阻谐振单元，另一端与第三耦合线部分耦合连接，耦合间隙为s3；所述第三耦合线的一端连接有第三带阻谐振单元，另一端连接有三线耦合结构；所述三线耦合结构的一端分别与第一输出端口馈线和第二输出端口馈线连接，另一端设有隔离电阻；所述第一输出端口馈线远离三线耦合结构的一端与介质基板的第二侧边连接；所述第二输出端口馈线远离三线耦合结构的一端与介质基板的第二侧边连接；所述介质基板的第一侧边和第二侧边垂直。
[0009]
在一种实现方式中，所述输入端口馈线包括第一50欧姆微带线导带和输入耦合线，所述第一50欧姆微带线导带的一端延伸至介质基板的第一侧边，另一端与输入耦合线连接；所述输入耦合线与第一耦合线中间部分耦合连接；第一50欧姆微带线导带与介质基板的第一侧边连接处为输入端；
[0010]
所述输入耦合线宽度为w1，长度为l1。
[0011]
在一种实现方式中，所述第一输出端口馈线包括第二50欧姆微带线导带和第八微带线，所述第二50欧姆微带线导带的一端延伸至介质基板的第二侧边，另一端连接第八微带线的一端；第八微带线的另一端连接三线耦合结构；第二50欧姆微带线导带和介质基板的第二侧边连接处为第一输出端；
[0012]
第二输出端口馈线包括第三50欧姆微带线导带和第七微带线，所述第三50欧姆微带线导带的一端延伸至介质基板的第二侧边，另一端连接第七微带线的一端；第七微带线的另一端连接三线耦合结构；第三50欧姆微带线导带和介质基板的第二侧边的连接处为第二输出端。
[0013]
在一种实现方式中，所述三线耦合结构包括第七平行耦合线、第八平行耦合线和第九平行耦合线，所述第七平行耦合线的一端连接第八微带线，第九平行耦合线的一端连接第七微带线，第七平行耦合线的另一端和第九平行耦合线的另一端之间通过隔离电阻连接；所述第八平行耦合线位于第七平行耦合线和第九平行耦合线之间，一端与第三耦合线连接；
[0014]
所述第七平行耦合线、第八平行耦合线和第九平行耦合线的宽度均为w4，长度均为l4；第七平行耦合线与第八平行耦合线之间的耦合间隙为s4，第八平行耦合线与第九平行耦合线之间的耦合间隙为s4，隔离电阻的阻值为r。
[0015]
通过采用三线耦合结构，巧妙地将信号等幅同相的分配到第一输出端口和第二输出端口。
[0016]
在一种实现方式中，所述第一带阻谐振单元包括第一带阻谐振器和第二带阻谐振器，所述第一带阻谐振器包括第一微带线、第一平行耦合线和第一u形耦合线，所述第一微带线的一端与第一耦合线的一端连接，另一端连接第一平行耦合线，所述第一u形耦合线位于第一平行耦合线的一侧，与第一平行耦合线耦合连接；
[0017]
所述第二带阻谐振器包括第二微带线、第二平行耦合线和第二u形耦合线，所述第二微带线的一端与第一耦合线的一端连接，另一端连接第二平行耦合线，所述第二u形耦合线位于第二平行耦合线的一侧，与第二平行耦合线耦合连接；
[0018]
所述第一平行耦合线和第二平行耦合线平行，第一u形耦合线和第二u形耦合线分别位于第一平行耦合线和第二平行耦合线的相同一侧；
[0019]
所述第一微带线的宽度为wj1，长度为lj1；第一平行耦合线的宽度为ws
11
，长度为ls
11
；第一u形耦合线的宽度为ws1，长度为ls1；第一平行耦合线与第一u形耦合线之间的耦合间隙为s
11
；
[0020]
所述第二微带线的宽度为wj2，长度为lj2；第二平行耦合线的宽度为ws
12
，长度为ls
12
；第二u形耦合线的宽度为ws2，长度为ls2；第二平行耦合线与第一u形耦合线之间的耦合间隙为s
12
；
[0021]
第一耦合线与第一微带线连接一侧的长度为l
11
。
[0022]
通过采用一个带通谐振器级联两个带阻谐振器的形式，形成三通带功分滤波的效果。利用一段1/4波长微带线耦合一段1/2波长微带线，从而形成一个带阻谐振器。其中1/2波长微带线弯折成u形以减小整个电路的体积，实现更好的小型化。
[0023]
在一种实现方式中，所述第二带阻谐振单元包括第三带阻谐振器和第四带阻谐振器，所述第三带阻谐振器包括第三微带线、第三平行耦合线和第三u形耦合线，所述第三微带线的一端与第二耦合线的一端连接，另一端连接第三平行耦合线，所述第三u形耦合线位于第三平行耦合线的一侧，与第三平行耦合线耦合连接；
[0024]
所述第四带阻谐振器包括第四微带线、第四平行耦合线和第四u形耦合线，所述第四微带线的一端与第二耦合线的一端连接，另一端连接第四平行耦合线，所述第四u形耦合线位于第四平行耦合线的一侧，与第四平行耦合线耦合连接；
[0025]
所述第三平行耦合线和第四平行耦合线平行，第三u形耦合线和第四u形耦合线分别位于第三平行耦合线和第四平行耦合线的相同一侧；
[0026]
所述第三微带线的宽度为wj2，长度为lj2；第三平行耦合线的宽度为ws
12
，长度为ls
12
；第三u形耦合线的宽度为ws2，长度为ls2；第三平行耦合线与第三u形耦合线之间的耦合间隙为s
12
；
[0027]
所述第四微带线的宽度为wj1，长度为lj1；第四平行耦合线的宽度为ws
11
，长度为ls
11
；第四u形耦合线的宽度为ws1，长度为ls1；第四平行耦合线与第四u形耦合线之间的耦合间隙为s
11
；
[0028]
所述第二耦合线与第一耦合线耦合连接所在部分的宽度为w2，长度为l2；第二耦合线与第三耦合线耦合连接所在部分的宽度为w3，长度为l3；
[0029]
第二耦合线与第四微带线连接一侧的长度为l
11
。
[0030]
通过采用一个带通谐振器级联两个带阻谐振器的形式，形成三通带功分滤波的效果。利用一段1/4波长微带线耦合一段1/2波长微带线，从而形成一个带阻谐振器。其中1/2波长微带线弯折成u形以减小整个电路的体积，实现更好的小型化。
[0031]
在一种实现方式中，所述第三带阻谐振单元包括第五带阻谐振器和第六带阻谐振器，所述第五带阻谐振器包括第五微带线、第五平行耦合线和第五u形耦合线，所述第五微带线的一端连接第三耦合线的一端，另一端连接第五平行耦合线，所述第五u形耦合线位于第五平行耦合线的一侧，与第五平行耦合线耦合连接；
[0032]
所述第六带阻谐振器包括第六微带线、第六平行耦合线和第六u形耦合线，所述第六微带线的一端连接第三耦合线的一端，另一端连接第六平行耦合线，所述第六u形耦合线
位于第六平行耦合线的一侧，与第六平行耦合线耦合连接；
[0033]
所述第五平行耦合线和第六平行耦合线平行，第五u形耦合线和第六u形耦合线分别位于第五平行耦合线和第六平行耦合线的相同一侧；
[0034]
所述第五微带线的宽度为wj1，长度为lj1；第五平行耦合线的宽度为ws
12
，长度为ls
12
；第五u形耦合线的宽度为ws2，长度为ls2；第五平行耦合线与第五u形耦合线之间的耦合间隙为s
12
；
[0035]
所述第六微带线的宽度为wj2，长度为lj2；第六平行耦合线的宽度为ws
11
，长度为ls
11
；第六u形耦合线的宽度为ws1，长度为ls1；第六平行耦合线与第六u形耦合线之间的耦合间隙为s
11
；
[0036]
第三耦合线与第五微带线连接一侧的长度为l
11
。
[0037]
通过采用一个带通谐振器级联两个带阻谐振器的形式，形成三通带功分滤波的效果。利用一段1/4波长微带线耦合一段1/2波长微带线，从而形成一个带阻谐振器。其中1/2波长微带线弯折成u形以减小整个电路的体积，实现更好的小型化。
[0038]
在一种实现方式中，所述第一输出端口馈线和第二输出端口馈线关于第八平行耦合线对称，所述第二50欧姆微带线导带与第三50欧姆微带线导带平行。
[0039]
对称设置能够使得信号等幅同相的耦合分配到两个输出端口，形成良好的等功分滤波效果。
[0040]
有益效果：
[0041]
本技术的一种基于微带耦合线的三通带功分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。同时，本技术利用通带平行耦合线和阻带平行耦合线级联的形式，获得良好的三通带功率分配滤波特性，并通过巧妙的在三线耦合结构的前端加载隔离电阻，获得了良好的端口隔离特性。另一方面本产品尺寸小，易于加工且生产成本低，非常适用于现代无线通信系统。
附图说明
[0042]
下面结合附图和具体实施方式对本发明做更进一步的具体说明，本发明的上述或其他方面的优点将会变得更加清楚。
[0043]
图1是本发明一种基于微带耦合线的三通带功分滤波器的立体结构示意图。
[0044]
图2是图1的俯视图。
[0045]
图3是实施例1的结构尺寸示意图。
[0046]
图4是实施例1的s参数仿真图。
[0047]
图5是实施例1的两个功率输出端口隔离特性的s参数仿真图。
[0048]
图6是实施例1的两个功率输出端口匹配特性的s参数仿真图。
[0049]
图7是实施例1的加工实物图。
具体实施方式
[0050]
下面将结合附图，对本发明的实施例进行描述。
[0051]
本发明实施例公开了一种基于微带耦合线的三通带功分滤波器，适用于sub
‑
6g以
下的天线馈电网络中。
[0052]
实施例1：
[0053]
如图1、图2所示，本实施例提供了一种基于微带耦合线的三通带功分滤波器，包括介质基板9，所述介质基板9底面设有金属接地板8，介质基板9顶面设有输入端口馈线1、第一输出端口馈线2、第二输出端口馈线3、第一耦合线46、第二耦合线47和第三耦合线65，所述输入端口馈线1的一端与介质基板9的第一侧边91连接，另一端与第一耦合线46部分耦合连接，耦合间隙为s1；所述第一耦合线46的一端连接有第一带阻谐振单元，另一端与第二耦合线47部分耦合连接，耦合间隙为s2；所述第二耦合线47的一端连接有第二带阻谐振单元，另一端与第三耦合线65部分耦合连接，耦合间隙为s3；所述第三耦合线65的一端连接有第三带阻谐振单元，另一端连接有三线耦合结构7；所述三线耦合结构7的一端分别与第一输出端口馈线2和第二输出端口馈线3连接，另一端设有隔离电阻10；所述第一输出端口馈线2远离三线耦合结构7的一端与介质基板9的第二侧边92连接；所述第二输出端口馈线3远离三线耦合结构7的一端与介质基板9的第二侧边92连接；所述介质基板9的第一侧边91和第二侧边92垂直。
[0054]
本实施例中，所述输入端口馈线1包括第一50欧姆微带线导带11和输入耦合线41，所述第一50欧姆微带线导带11的一端延伸至介质基板9的第一侧边91，另一端与输入耦合线41连接；所述输入耦合线41与第一耦合线46中间部分耦合连接；第一50欧姆微带线导带11与介质基板9的第一侧边91连接处为输入端；
[0055]
所述输入耦合线41宽度为w1，长度为l1。
[0056]
本实施例中，所述第一输出端口馈线2包括第二50欧姆微带线导带21和第八微带线58，所述第二50欧姆微带线导带21的一端延伸至介质基板9的第二侧边92，另一端连接第八微带线58的一端；第八微带线58的另一端连接三线耦合结构7；第二50欧姆微带线导带21和介质基板9的第二侧边92连接处为第一输出端；
[0057]
第二输出端口馈线3包括第三50欧姆微带线导带31和第七微带线57，所述第三50欧姆微带线导带31的一端延伸至介质基板9的第二侧边92，另一端连接第七微带线57的一端；第七微带线57的另一端连接三线耦合结构7；第三50欧姆微带线导带31和介质基板9的第二侧边92的连接处为第二输出端。
[0058]
本实施例中，所述三线耦合结构7包括第七平行耦合线71、第八平行耦合线72和第九平行耦合线73，所述第七平行耦合线71的一端连接第八微带线58，第九平行耦合线73的一端连接第七微带线57，第七平行耦合线71的另一端和第九平行耦合线73的另一端之间通过隔离电阻10连接；所述第八平行耦合线72位于第七平行耦合线71和第九平行耦合线73之间，一端与第三耦合线65连接；
[0059]
所述第七平行耦合线71、第八平行耦合线72和第九平行耦合线73的宽度均为w4，长度均为l4；第七平行耦合线71与第八平行耦合线72之间的耦合间隙为s4，第八平行耦合线72与第九平行耦合线73之间的耦合间隙为s4，隔离电阻10的阻值为r。
[0060]
本实施例中，所述第一带阻谐振单元包括第一带阻谐振器和第二带阻谐振器，所述第一带阻谐振器包括第一微带线53、第一平行耦合线44和第一u形耦合线63，所述第一微带线53的一端与第一耦合线46的一端连接，另一端连接第一平行耦合线44，所述第一u形耦合线63位于第一平行耦合线44的一侧，与第一平行耦合线44耦合连接；
[0061]
所述第二带阻谐振器包括第二微带线54、第二平行耦合线45和第二u形耦合线64，所述第二微带线54的一端与第一耦合线46的一端连接，另一端连接第二平行耦合线45，所述第二u形耦合线64位于第二平行耦合线45的一侧，与第二平行耦合线45耦合连接；
[0062]
所述第一平行耦合线44和第二平行耦合线45平行，第一u形耦合线63和第二u形耦合线64分别位于第一平行耦合线44和第二平行耦合线45的相同一侧；
[0063]
所述第一微带线53的宽度为wj1，长度为lj1；第一平行耦合线44的宽度为ws
11
，长度为ls
11
；第一u形耦合线63的宽度为ws1，长度为ls1；第一平行耦合线44与第一u形耦合线63之间的耦合间隙为s
11
；
[0064]
所述第二微带线54的宽度为wj2，长度为lj2；第二平行耦合线45的宽度为ws
12
，长度为ls
12
；第二u形耦合线64的宽度为ws2，长度为ls2；第二平行耦合线45与第一u形耦合线63之间的耦合间隙为s
12
；
[0065]
第一耦合线46与第一微带线53连接一侧的长度为l
11
。
[0066]
本实施例中，所述第二带阻谐振单元包括第三带阻谐振器和第四带阻谐振器，所述第三带阻谐振器包括第三微带线51、第三平行耦合线42和第三u形耦合线61，所述第三微带线51的一端与第二耦合线47的一端连接，另一端连接第三平行耦合线42，所述第三u形耦合线61位于第三平行耦合线42的一侧，与第三平行耦合线42耦合连接；
[0067]
所述第四带阻谐振器包括第四微带线52、第四平行耦合线43和第四u形耦合线62，所述第四微带线52的一端与第二耦合线47的一端连接，另一端连接第四平行耦合线43，所述第四u形耦合线62位于第四平行耦合线43的一侧，与第四平行耦合线43耦合连接；
[0068]
所述第三平行耦合线42和第四平行耦合线43平行，第三u形耦合线61和第四u形耦合线62分别位于第三平行耦合线42和第四平行耦合线43的相同一侧；
[0069]
所述第三微带线51的宽度为wj2，长度为lj2；第三平行耦合线42的宽度为ws
12
，长度为ls
12
；第三u形耦合线61的宽度为ws2，长度为ls2；第三平行耦合线42与第三u形耦合线61之间的耦合间隙为s
12
；
[0070]
所述第四微带线52的宽度为wj1，长度为lj1；第四平行耦合线43的宽度为ws
11
，长度为ls
11
；第四u形耦合线62的宽度为ws1，长度为ls1；第四平行耦合线43与第四u形耦合线62之间的耦合间隙为s
11
；
[0071]
所述第二耦合线47与第一耦合线46耦合连接所在部分的宽度为w2，长度为l2；第二耦合线47与第三耦合线65耦合连接所在部分的宽度为w3，长度为l3；
[0072]
第二耦合线47与第四微带线52连接一侧的长度为l
11
。
[0073]
本实施例中，所述第三带阻谐振单元包括第五带阻谐振器和第六带阻谐振器，所述第三带阻谐振单元的摆放方向包括但不限于如图1～3和图7所示的摆放方向，所述第五带阻谐振器包括第五微带线55、第五平行耦合线48和第五u形耦合线66，所述第五微带线55的一端连接第三耦合线65的一端，另一端连接第五平行耦合线48，所述第五u形耦合线66位于第五平行耦合线48的一侧，与第五平行耦合线48耦合连接；
[0074]
所述第六带阻谐振器包括第六微带线56、第六平行耦合线49和第六u形耦合线67，所述第六微带线56的一端连接第三耦合线65的一端，另一端连接第六平行耦合线49，所述第六u形耦合线67位于第六平行耦合线49的一侧，与第六平行耦合线49耦合连接；
[0075]
所述第五平行耦合线48和第六平行耦合线49平行，第五u形耦合线66和第六u形耦
合线67分别位于第五平行耦合线48和第六平行耦合线49的相同一侧；
[0076]
所述第五微带线55的宽度为wj1，长度为lj1；第五平行耦合线48的宽度为ws
12
，长度为ls
12
；第五u形耦合线66的宽度为ws2，长度为ls2；第五平行耦合线48与第五u形耦合线66之间的耦合间隙为s
12
；
[0077]
所述第六微带线56的宽度为wj2，长度为lj2；第六平行耦合线49的宽度为ws
11
，长度为ls
11
；第六u形耦合线67的宽度为ws1，长度为ls1；第六平行耦合线49与第六u形耦合线67之间的耦合间隙为s
11
；
[0078]
第三耦合线65与第五微带线55连接一侧的长度为l
11
。
[0079]
本实施例中，所述第一输出端口馈线2和第二输出端口馈线3关于第八平行耦合线72对称，所述第二50欧姆微带线导带21与第三50欧姆微带线导带31平行。
[0080]
本实施例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。同时，本发明利用通带平行耦合线和阻带平行耦合线级联的形式，获得良好的功率分配特性和滤波特性，通过巧妙的在三线耦合结构之间接隔离电阻，获得了良好的端口隔离特性。本发明利用平行耦合线得到三通带功分滤波器，具有较好的中心频率和功分的效果，以及良好的端口隔离度和匹配度，适用于sub
‑
6g以下的天线馈电网络中，另一方面本产品尺寸小，生产成本低。下面对本发明作进一步详细描述。
[0081]
实施例1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，加工实物图如图7所示，图1～3和图7中不限定所述第三带阻谐振单元的摆放方向，只限定连接关系。所采用的介质基板9相对介电常数为2.2，厚度为0.5mm，损耗角正切为0.0007。结合图3，三通带功分滤波器的各尺寸参数如下：l1＝21.6,l2＝23.8,l3＝20.7,l4＝24.4,l
11
＝2.5,l
12
＝1.0,ls1＝21.2,ls2＝23.9,lj1＝23.1,lj2＝23.1,ls
11
＝22.17,ls
12
＝22.43,w1＝0.76,w2＝0.89,w3＝0.97,w4＝0.91,wj1＝0.55,wj2＝0.55,ws
11
＝1.18,ws
12
＝1.18,ws1＝1.18,ws2＝1.18,s1＝0.1,s2＝0.5,s3＝0.51,s4＝0.11,s
11
＝0.35,s
12
＝0.35(unit:mm),r＝100ω.。整个设计的总面积为0.83λ
g
×
0.88λ
g
,其中λ
g
为中心频率的波导长度。本实例三通带功分滤波器是在电磁仿真软件hfss.18.0中建模仿真的。图4是本实例中功分滤波器的s参数仿真图，从图中可以看出，该三通带功分滤波器三个通带的中心频率为2.32ghz,2.4ghz,2.51ghz，对应的3db相对带宽分别为1.8％、1.6％、2％，通带内回波损耗低于18db，最小插入损耗为1.2db。图5是本实例中三通带功分滤波器的两个功率输出端口隔离特性的s参数仿真图，从图中可以看出通带内隔离均小于19db。图6是本实例中三通带功分滤波器的两个功率输出端口匹配特性的s参数仿真图，从图中可以看出通带内输出端口回波损耗均小于17db。
[0082]
综上所述，本实施例的一种基于微带耦合线的三通带功分滤波器，结合通带平行耦合线级联阻带平行耦合线的综合设计方法，获得了指定响应指标的三通带功分滤波效果。并通过在三线耦合结构谐振器前端加载隔离电阻，获得了良好的隔离和匹配特性，实现了一种结构紧凑、损耗低、隔离度好、匹配度高的三通带功分滤波器，因此该三通带功分滤波器非常适用于sub
‑
6g以下的天线馈电网络中。
[0083]
本发明提供了一种三通带功分滤波器的思路及方法，具体实现该技术方案的方法和途径很多，以上所述仅是本发明的优选实施方式，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。本实施例中未明确的各组成部分均可用现有技术加以实现。