一种单端到差分的小型化滤波功分器

1.本发明属于微波和射频技术领域，涉及一种滤波功分器，具体涉及一种单端到差分的小型化滤波功分器，可应用于无线通信系统射频前端。


背景技术：

2.近些年来，随着通信技术的飞速发展，通信系统的多功能化、低成本化要求越来越高，在无线通信系统射频前端电路中，滤波器与功分器往往是同时使用的，传统单功能器件的使用导致系统体积变大、成本增加，因此具有滤波特性的功率分配器得到了广泛的研究。为了进一步满足当前日益紧张的设计空间，对滤波功分器的小型化也提出了更高的要求。现代无线系统面临着日益复杂的电磁环境，这就对射频前端的抗干扰能力提出了更高的要求。差分结构凭借其在抗环境噪声，提高系统动态范围方面的明显优势而得到了广泛的关注与应用。滤波功分器根据端口配置可分为单端到单端滤波功分器、差分到单端滤波功分器、差分到差分滤波功分器和单端到差分滤波功分器，其中单端到差分滤波功分器的基本结构为单端信号输入微带线、两个谐振器和两个差分信号输出微带线，如何提高通带选择性和共模抑制性能，并实现小型化是设计单端到差分滤波功分器的重点。
3.研究单端到差分的小型化滤波功分器具有深远的意义，因此受到了国内外众多学者越来越多的关注。例如，2020年he zhu等学者在ieee transactions on microwave theory and techniques期刊(volume.68,no.4,april 2020)上发表的论文“single-ended-to-balanced power divider with extended common-mode suppression and its application to differential 2
×
4butler matrices”中，基于单层介质板结构，提出了一种高共模抑制的单端到差分滤波功分器，其主要由输入微带线、两个谐振器、两个u型输出微带线组成。其通过采用基于单层介质板结构的微带转缝隙差分输出结构，实现了较高的共模抑制特性，在整个工作频带内抑制共模。同时通过采用均匀阻抗缝隙谐振器，产生了一个滤波功分器通带。但是该单端到差分滤波功分器采用的基于单层板结构的微带转缝隙差分输出结构和均匀阻抗缝隙谐振器较大，导致整个设计具有较大的尺寸。同时由于采用的均匀阻抗缝隙谐振器本身不具有传输零点，导致通带选择性较差。
4.采用多层介质板技术将降低单端到差分滤波功分器的尺寸，多个传输零点的引入将提高通带的选择性，差分输出结构的采用将提高单端到差分滤波功分器的共模抑制性能。


技术实现要素：

5.本发明的目的在于针对上述现有技术的不足，提出了一种单端到差分的小型化滤波功分器，旨在保证单端到差分滤波功分器具有较高的共模抑制特性的同时，降低单端到差分滤波功分器的整体尺寸，并提高通带选择性能。
6.为实现上述目的，本发明采取的技术方案为：
7.一种单端到差分的小型化滤波功分器，包括印制在介质基板上的输入微带线、两
个谐振器和两个u型输出微带线，所述介质基板包括上下层叠的第一矩形介质基板1和第二矩形介质基板2；
8.所述输入微带线采用t型输入微带线3结构，该t型输入微带线3印制在第一矩形介质基板1上表面一组对边中点的连线aa'位置，其纵向臂的自由端作为单端信号输入端口，所述t型输入微带线3纵向臂的两侧印制有关于该纵向臂镜像对称的两个阶梯阻抗微带线4，所述阶梯阻抗微带线4包括靠近t型输入微带线3纵向臂的矩形微带结构和与其长边连接的直线型微带线；谐振器采用“币”型谐振器5结构，两个“币”型谐振器5关于t型输入微带线3的纵向臂镜像对称且e字型开口相对，印制在t型输入微带线3的横向臂与两个阶梯阻抗微带线4之间所形成的空间区域；
9.所述第一矩形介质基板1的下表面印制有金属地板6，该金属地板6上蚀刻有由第一矩形缝隙与第一直线型缝隙连接而成的第一阶梯阻抗缝隙线61，所述第一矩形缝隙的下边缘与t型输入微带线3横向臂上边缘的投影重合，第一直线型缝隙位于t型输入微带线3的投影位置，在第一矩形缝隙与第一直线型缝隙的连接处跨接有隔离电阻62；所述两个阶梯阻抗微带线4的投影位置各蚀刻有一个由第二矩形缝隙与第二直线型缝隙连接而成的第二阶梯阻抗缝隙线63，所述第二阶梯阻抗缝隙线63中的第二矩形缝隙靠近t型输入微带线3输入端的一侧；
10.所述两个u型输出微带线7，印制在第二矩形介质基板2下表面位于两个第二阶梯阻抗缝隙线63的投影位置，且关于aa'镜像对称，所述u型输出微带线7的开口方向指向t型输入微带线3横向臂的一侧，其两个臂的自由端作为差分信号输出端口。
11.作为优选，所述t型输入微带线3，其纵向臂采用50ω阻抗线宽，横向臂的宽度尺寸小于纵向臂的宽度尺寸。
12.作为优选，所述阶梯阻抗微带线4，其中的直线型微带线与t型输入微带线3的横向臂平行。
13.作为优选，所述“币”型谐振器5，由e字型微带结构和t字型微带结构连接而成，其中的t字型微带结构的横向臂与t型输入微带线3的纵向臂平行，e字型微带结构的两个侧臂分别与t型输入微带线3的横向臂和阶梯阻抗微带线4的直线型微带线形成耦合。
14.作为优选，所述第一阶梯阻抗缝隙线61，其中的第一直线型缝隙的中线位于aa'上。
15.作为优选，所述第一阶梯阻抗缝隙线61，其中第一矩形缝隙与第一直线型缝隙连接处跨接的隔离电阻62用于调节两个差分信号输出端口之间的隔离度。
16.作为优选，所述第二阶梯阻抗缝隙线63，其中的第二直线型缝隙与t型输入微带线3的纵向臂平行，且第二矩形缝隙与第二直线型缝隙的连接处位于与其对应位置的阶梯阻抗微带线4中矩形微带结构与直线型微带线连接处的投影位置，用于实现其与阶梯阻抗微带线4的耦合。
17.作为优选，所述u型输出微带线7，其两条50ω阻抗线宽的纵向臂与t型输入微带线3的纵向臂平行，该u型输出微带线7的矩形横向底的中点位于与其对应位置的第二阶梯阻抗缝隙线63中第二矩形缝隙与第二直线型缝隙连接处的投影位置，用于实现u型输出微带线7与第二阶梯阻抗缝隙线63的耦合。
18.本发明与现有技术相比，具有以下优点：
19.(1)本发明由于第一矩形介质基板上表面印制的两个阶梯阻抗微带线，以及下表面的金属地板上位于轴线aa'的两侧蚀刻的关于轴线aa'对称的两个第二阶梯阻抗缝隙线，第二矩形介质基板下表面印制的关于轴线aa'对称的平行放置的两个u型输出微带线，实现了滤波功分器的单端到差分特性，避免了现有技术因采用单层介质板结构导致的尺寸过大的缺陷，从而降低了单端到差分滤波功分器的整体尺寸，且由于采用了两个第二阶梯阻抗缝隙线，阶梯状的缝隙线加强了关于轴线aa'对称的两个阶梯阻抗微带线和两个第二阶梯阻抗缝隙线之间的耦合能力以及两个第二阶梯阻抗缝隙线和两个u型输出微带线之间的耦合能力，保证了滤波功分器具有较高的共模抑制特性。
20.(2)本发明由于采用了两个关于轴线aa'对称的“币”型谐振器作为微带谐振器，能够产生由三个谐振点和三个传输零点所形成的滤波功分器通带，且通带位置灵活可控，避免了因谐振器本身不具有传输零点所导致的通带选择性较差的缺陷，提高了通带的选择性。
附图说明
21.图1为本发明的整体结构示意图；
22.图2为本发明第一矩形介质基板1上表面各结构的位置尺寸图；
23.图3为本发明第一矩形介质基板1下表面各结构的位置尺寸图；
24.图4为本发明第二矩形介质基板2下表面各结构的位置尺寸图；
25.图5为本发明第一矩形介质基板1和第二矩形介质基板2的上下表面各结构的相互关系图；
26.图6为本发明的单端回波损耗、一端口到二端口的单端到差模的插入损耗的s参数仿真图；
27.图7为本发明的一端口到三端口的单端到差模的插入损耗和两个差分信号输出端口隔离度的s参数仿真图；
28.图8为本发明的共模回波损耗和单端到共模的插入损耗的s参数仿真图；
29.图9为本发明的幅度平衡度与相位平衡度的仿真图。
具体实施方式
30.下面结合附图和具体实施例，对本发明作进一步详细描述。
31.参照图1，本发明包括上下层叠的第一矩形介质基板1和第二矩形介质基板2，所述第一矩形介质基板1和第二矩形介质基板2均采用相对介电常数为2.2，大小为30mm
×
75mm，厚度为0.8mm的f4bm-2材料。
32.所述第一矩形介质基板1的上表面印制有t型输入微带线3、两个阶梯阻抗微带线4以及两个“币”型谐振器5，其具体尺寸和相互之间的关系如图2所示。所述t型输入微带线3由位于第一矩形介质基板1上表面一组对边中点的连线aa'处的纵向臂和与第一矩形介质基板1上表面另一组对边中点的连线bb'平行的横向臂连接而成。该t型输入微带线3关于aa'对称，其纵向臂的自由端与第一矩形介质基板1的下边缘对齐，以实现单端信号的输入，横向臂关于纵向臂对称且垂直于纵向臂，以实现单端输入信号功率的平均分配。所述t型输入微带线3的纵向臂采用50ω阻抗线宽，以实现良好的单端信号传输，横向臂的宽度尺寸小
于纵向臂的宽度尺寸，以实现良好的差分信号输出端口隔离。该t型输入微带线3纵向臂的宽度为w
3_1
＝2.4mm，长度为l
3_1
＝20mm，横向臂的宽度为w
3_2
＝1.2mm，长度为l
3_2
＝56mm。该t型输入微带线3纵向臂的两侧印制有关于该纵向臂镜像对称的两个阶梯阻抗微带线4，所述两个阶梯阻抗微带线4均由矩形微带结构和与其长边连接的直线型微带线组成，其中的直线型微带线与t型输入微带线3的横向臂平行，且矩形微带结构靠近t型输入微带线3的纵向臂。两个阶梯阻抗微带线4中直线型微带线的宽度均为w
4_1
＝0.8mm，长度均为l
4_1
＝14.8mm，矩形微带结构的宽度均为w
4_2
＝4mm，长度均为l
4_2
＝7mm。在t型输入微带线3的横向臂与两个阶梯阻抗微带线4中直线型微带线之间所形成的两个空间区域内，印制有关于t型输入微带线3纵向臂镜像对称的两个“币”型谐振器5，所述两个“币”型谐振器5均由e字型微带结构和t字型微带结构连接而成，其e字型微带结构的e字型开口相对，且t字型微带结构的横向臂与t型输入微带线3的纵向臂平行，该e字型微带结构的两个侧臂分别与t型输入微带线3的横向臂和阶梯阻抗微带线4的直线型微带线形成耦合，以实现单端输入信号平均分配后产生的两路信号的耦合传输与高选择性通带的产生。两个“币”型谐振器5中e字型微带结构中间臂的宽度均为w
5_1
＝2.4mm，长度均为l
5_1
＝14.7mm，e字型微带结构两个侧臂的宽度均为w
5_2
＝1.2mm，长度均为l
5_2
＝14.8mm。两个“币”型谐振器5中t字型微带结构纵向臂的宽度均为w
5_3
＝1mm，长度均为l
5_3
＝5.1mm，t字型微带结构横向臂的宽度均为w
5_4
＝1mm，长度均为l
5_4
＝20.3mm。两个“币”型谐振器5中e字型微带结构的一个侧臂与t型输入微带线3横向臂的耦合间隙均为g1＝0.1mm，耦合长度均为l
5_5
＝11.2mm，e字型微带结构另一个侧臂与阶梯阻抗微带线4直线型微带线的耦合间隙均为g2＝0.2mm，耦合长度均为l
5_6
＝10mm。
33.所述第一矩形介质基板1的下表面印制有金属地板6，该金属地板6上蚀刻有由第一矩形缝隙与第一直线型缝隙连接而成的第一阶梯阻抗缝隙线61和两个由第二矩形缝隙与第二直线型缝隙连接而成的第二阶梯阻抗缝隙线63，第一阶梯阻抗缝隙线61中在第一矩形缝隙与第一直线型缝隙的连接处跨接有隔离电阻62，其具体尺寸和相互之间的关系如图3所示。所述第一阶梯阻抗缝隙线61中第一矩形缝隙的宽度为w
61_1
＝12mm，长度为l
61_1
＝8mm，第一直线型缝隙的宽度为w
61_2
＝0.5mm，长度为l
61_2
＝16mm。跨接于第一阶梯阻抗缝隙线61中第一矩形缝隙与第一直线型缝隙连接处的隔离电阻62，用于调节两个差分信号输出端口之间的隔离度，隔离电阻62的电阻值为r＝400ohm。所述两个第二阶梯阻抗缝隙线63位于第一阶梯阻抗缝隙线61的两侧且关于aa'对称，其中的第二矩形缝隙均靠近t型输入微带线3输入端的一侧，第二直线型缝隙均与aa'平行。该两个第二阶梯阻抗缝隙线63中第二矩形缝隙的宽度均为w
63_1
＝9mm，长度均为l
63_1
＝4mm，第二直线型缝隙的宽度均为w
63_2
＝0.8mm，长度均为l
63_2
＝12mm。
34.所述第二矩形介质基板2的下表面印制有关于aa'镜像对称的两个u型输出微带线7，其具体尺寸和相互之间的关系如图4所示。该两个u型输出微带线7均由平行于aa'的两条纵向臂和平行于bb'的矩形横向底连接而成，其开口方向均指向t型输入微带线3横向臂的一侧，所述两个u型输出微带线7的两条纵向臂的自由端均与第二矩形介质基板2的上边缘对齐，以实现两路差分信号的输出，两条纵向臂均采用50ω阻抗线宽，以实现良好的差分信号传输。所述两个u型输出微带线7中两条纵向臂的宽度均为w
7_1
＝2.4mm，长度均为l
7_1
＝25.2mm，矩形横向底的宽度为w
7_2
＝3.2mm，长度为l
7_2
＝12mm。
35.本发明第一矩形介质基板1的上表面、第一矩形介质基板1的下表面以及第二矩形
介质基板2的下表面三层中各结构之间的耦合对应关系如图5所示。所述第一阶梯阻抗缝隙线61中的第一矩形缝隙的下边缘与t型输入微带线3横向臂上边缘的投影重合，第一直线型缝隙位于t型输入微带线3的投影位置且其中线位于aa'上，以实现良好的差分信号输出端口隔离。因此，第一阶梯阻抗缝隙线61的位置得以确定。所述两个第二阶梯阻抗缝隙线63分别位于两个阶梯阻抗微带线4的投影位置，其第二直线型缝隙与阶梯阻抗微带线4中的直线型微带线在空间上垂直交叉，且第二矩形缝隙与第二直线型缝隙的连接处位于与其对应位置的阶梯阻抗微带线4中矩形微带结构与直线型微带线连接处的投影位置，以实现单端输入信号平均分配后产生的两路信号从阶梯阻抗微带线4到第二阶梯阻抗缝隙线63的耦合传输。因此，两个第二阶梯阻抗缝隙线63的位置得以确定。所述两个u型输出微带线7分别位于两个第二阶梯阻抗缝隙线63的投影位置，其矩形横向底的中点均位于与其对应位置的第二阶梯阻抗缝隙线63中第二矩形缝隙与第二直线型缝隙连接处的投影位置，以实现单端输入信号平均分配后产生的两路信号从第二阶梯阻抗缝隙线63到u型输出微带线7的耦合传输。因此，两个u型输出微带线7的位置得以确定。
36.本发明的工作原理是：单端信号由t型输入微带线3输入后，将被t型输入微带线3的横向臂分为两路信号，两路信号分别通过t型输入微带线3的横向臂耦合传输至两个“币”型谐振器5，“币”型谐振器5的多模谐振特性用于形成一个通带，并在带外产生三个传输零点，完成了高选择性通带的产生。之后两路信号将分别耦合传输至t型输入微带线3纵向臂两侧关于轴线aa'对称的两个阶梯阻抗微带线4，再从两个阶梯阻抗微带线4分别耦合传输至两个第二阶梯阻抗缝隙线63，最后两路信号会从两个第二阶梯阻抗缝隙线63分别耦合传输至第二矩形介质基板2下表面印制的关于轴线aa'对称的平行放置的两个u型输出微带线7。当两路信号分别由两个u型输出微带线7输出时，其中的微带差模信号电场被上方的第二阶梯阻抗缝隙线63激励，而微带共模信号电场无法被上方的第二阶梯阻抗缝隙线63激励，这样只有两路差模信号通过两个u型输出微带线7输出，进而保证了较高的共模抑制特性。由于采用了多层介质板结构，将两个u型输出微带线7印制于第二矩形介质基板2的下表面，避免了因采用单层介质板结构所导致的尺寸过大问题，从而降低了单端到差分滤波功分器的整体尺寸。第一阶梯阻抗缝隙线61中第一矩形缝隙与第一直线型缝隙的连接处跨接有隔离电阻62，用于调节两个差分信号输出端口之间的隔离度。
37.下面结合仿真结果，对本发明的技术效果作进一步说明：
38.1.实验条件和内容：
39.使用三维结构电磁场仿真软件ansys electronics desktop v.18.2对本发明的相关性能指标进行仿真：
40.实验一，对本发明的单端回波损耗和一端口到二端口的单端到差模的插入损耗进行仿真，其结果见图6；
41.实验二，对本发明的一端口到三端口的单端到差模的插入损耗和两个差分信号输出端口的隔离度进行仿真，其结果见图7；
42.实验三，对本发明的共模回波损耗和单端到共模的插入损耗进行仿真，其
结果见图8；
43.实验四，对本发明的幅度平衡度与相位平衡度进行仿真，其结果见图9。
44.2.实验结果分析：
45.参照图6，本实施例中单端到差模的高选择性通带的中心频率为3.26ghz，通带中的最大单端回波损耗为48.9db，一端口到二端口的最小单端到差模的插入损耗为0.43db，在单端到差模的通带左侧存在两个传输零点，分别位于2.92ghz和2.62ghz处，在单端到差模的通带右侧也存在一个传输零点，位于3.70ghz处，从图6可以看出，该三个传输零点显著提高了通带选择性。
46.图7为一种单端到差分的小型化滤波功分器的一端口到三端口的单端到差模的插入损耗和两个差分信号输出端口的隔离度的s参数仿真图，本实施例中，一端口到三端口的最小单端到差模的插入损耗为0.44db，两个差分信号输出端口之间的最大隔离度为20.6db，从图7可以看出，该单端到差分的小型化滤波功分器实现了良好的输出端口隔离特性。
47.图8为一种单端到差分的小型化滤波功分器的共模回波损耗和单端到共模的插入损耗的s参数仿真图，本实施例中，共模回波损耗在工作频段范围内小于等于0.4db，单端到共模的插入损耗大于等于30.0db，从图8可以看出，该单端到差分的小型化滤波功分器实现了较高的共模抑制特性。
48.图9为一种单端到差分的小型化滤波功分器的幅度平衡度与相位平衡度的仿真图，本实施例中，两个差分信号输出端口的幅度差小于0.2db，两个差分信号输出端口的相位差介于180
°±4°
之间，从图9可以看出，该单端到差分的小型化滤波功分器实现了良好的反相功率分配特性。