一种微带滤波分支线耦合器

本发明涉及射频微波无源器件，更具体的来说，涉及一种微带滤波分支线耦合器。

背景技术：

1、随着无线通信技术的迅猛发展，现代通信系统正向高频、大带宽、小型化和多功能化的方向发展。尤其在5g通信、卫星通信、物联网以及雷达系统等领域，对射频和微波设备的性能要求不断提升。为了满足这些复杂系统的需求，微波无源器件(如耦合器、滤波器、功率分配器等)在实现信号处理的精度、降低插入损耗、提高隔离度和小型化方面均面临着巨大的挑战。分支线耦合器以其易于设计、结构简单且适用频率范围广的特点，成为多端口耦合、功率分配的常用器件。然而，随着对器件选择性和尺寸要求的增加，分支线耦合器逐渐暴露出一些局限性。

2、在分支线耦合器的设计中，通常无法直接抑制带外干扰信号，难以在保持良好阻抗匹配的同时实现带外抑制。对于现代通信设备来说，带外杂散信号和邻道干扰会显著影响系统性能，使得通信质量下降，并增加了对信号处理的复杂性。因此，在耦合器中集成滤波功能可以有效抑制带外干扰，使得耦合器在传输主频信号的同时，有效滤除不必要的杂波信号，从而提升通信链路的信噪比。

3、滤波分支线耦合器作为一种重要的微波组件，广泛应用于现代无线通信系统中，尤其是在信号分配、频谱整形和调制解调等关键任务中。其主要功能是将输入信号以设定的功率比例分配至多个输出端口，并保证实现各输出端口之间的相位差，同时确保输入端口和隔离端口之间的良好隔离。这种耦合器不仅需要具备低插入损耗和高隔离度，还需在特定频带内实现优异的滤波特性，从而优化系统的整体性能。

4、对于滤波分支线耦合器的研究，目前的设计方法主要是通过在耦合器的输入和输出端口级联滤波结构或者利用耦合拓扑网络来设计。但在设计滤波分支线耦合器的过程中发现，级联滤波结构的方法会导致插入损耗和结构尺寸相对较大，耦合拓扑网络的方法相对带宽较窄且滤波选择性可以进一步提高。

技术实现思路

1、为了解决上述技术问题，本发明提供了一种微带滤波分支线耦合器，采用在多分支宽带分支线耦合器结构上引入谐振电路的方法，旨在提供一种能够同时实现耦合与滤波功能的紧凑型微波无源器件，以满足现代通信系统对小型化、高选择性及带外抑制能力的要求。

2、本发明实施例采用以下技术方案实现：

3、本发明实施例提供一种微带滤波分支线耦合器，包括：输入端口、输出端口、耦合端口、隔离端口、半波长均匀阻抗谐振器、中间加载短截线的半波长均匀阻抗谐振器和高阻抗传输线部分。其中，本发明的实施采用六个谐振器来实现，六个谐振器之间分别通过缝隙相互进行耦合。由于中间两个谐振分别需要与三个谐振器进行耦合，因此采用中心加载短截线的半波长均匀阻抗谐振器来实现。边缘四个谐振器只需与两个谐振器相互耦合，采用半波长均匀阻抗谐振器进行设计即可。输入端口、输出端口、耦合端口和隔离端口均采用50欧姆阻抗的微带线连接，每个端口分别通过高阻抗传输线与半波长均匀阻抗谐振器相连。

4、本发明的有益效果有：本发明在多分支宽带分支线耦合器结构基础上引入谐振电路，并将其等效为新的耦合拓扑网络。多分支宽带分支线耦合器的四分之一传输线节点处引入谐振电路，将其节点等效为谐振器，四分之一波长传输线则等效为变换器。由于基于多分支宽带分支线耦合器结构进行设计，相比基于经典分支线耦合器结构能够增大其耦合带宽。此外，多分支宽带分支线耦合器传输线节点可以等效为多个谐振器，因此从输入端口到输出端口能够实现高阶滤波响应，以进一步提高滤波选择性。在本发明的实施例中只是对三分支宽带分支线耦合器进行了演示，但其不仅限于三分支耦合器的设计，基于本发明的设计方法，可以将其推广到更多分支的耦合器设计当中。随着分支的增加，其分支线耦合器的耦合带宽也会随着增加。

技术特征：

1.一种微带滤波分支线耦合器，其特征在于，包括：输入端口(1)、输出端口(2)、耦合端口(3)、隔离端口(4)、半波长均匀阻抗谐振器(5)(6)(7)(8)、带中心加载短截线的半波长均匀阻抗谐振器(9)(10)，以及高阻抗传输线(11)(12)(13)(14)，输入端口(1)通过高阻抗传输线(11)与谐振器(5)连接，输出端口(2)通过高阻抗传输线(12)与谐振器(6)连接，耦合端口(3)通过高阻抗传输线(13)与谐振器(7)连接，隔离端口(4)通过高阻抗传输线(14)与谐振器(8)连接。此外，上述所提到的所有元件(1)-(14)均是在上层电路平面(15)实现的，还包括中心介质层(16)和底部接地平面(17)。

2.根据权利要求1所述的微带滤波分支线耦合器，其特征在于，所述的滤波分支线耦合器实现方案是通过在多分支宽带分支线耦合器结构的四分之一波长传输线节点上引入谐振电路，并将其等效为耦合拓扑网络后利用谐振器实现的。边缘四个谐振器需要能够在两个方向实现耦合并与外部端口馈电连接，中间的谐振器需要能够在三个方向实现耦合。

3.根据权利要求1所述的微带滤波分支线耦合器，其特征在于，所述的两个完全相同的带中心加载短截线的半波长均匀阻抗谐振器(9)、(10)放置在耦合器中央。通过将加载在谐振器中心的短截线末端进行并联设计，半波长均匀阻抗谐振器两端进行折叠，使其能够在三个方向实现耦合。

4.根据权利要求1所述的微带滤波分支线耦合器，其特征在于，四个半波长均匀阻抗谐振器(5)、(6)、(7)、(8)具有相同的几何结构和电长度，并位于带中心加载短截线的半波长均匀阻抗谐振器(9)、(10)两侧上下的四个位置。将四个半波长均匀阻抗谐振器折叠弯曲，以进一步减小体积的同时在谐振器两端实现耦合。

5.根据权利要求1所述的微带滤波分支线耦合器，其特征在于，所述的四个半波长均匀阻抗谐振器(5)、(6)、(7)、(8)和两个中心加载短截线的半波长均匀阻抗谐振器(9)、(10)六个谐振器之间直接通过间隙进行耦合。

6.根据权利要求1所述的微带滤波分支线耦合器，其特征在于，所述的四个半波长均匀阻抗谐振器(5)、(6)、(7)、(8)和四个外部端口(1)、(2)、(3)、(4)是通过高阻抗传输线(11)、(12)、(13)、(14)进行连接的，通过调整阻抗值和长度优化，以确保良好的阻抗匹配并降低插入损耗。

7.根据权利要求1所述的微带滤波分支线耦合器，其特征在于，输入端口(1)、输出端口(2)、耦合端口(3)、隔离端口(4)使用阻抗为50ω的微带线连接。

8.根据权利要求1所述的微带滤波分支线耦合器，其特征在于，所述的包含(1)-(14)的上层电路平面(15)采用腐蚀法印刷在相对介电常数为3.5的高频介质基板(16)的上表面。底部接地平面(17)为完全覆铜的表面。

9.根据权利要求1所述的微带滤波分支线耦合器，其特征在于，在多分支宽带分支线耦合器结构基础上引入谐振电路，相比基于经典分支线耦合器结构能够增大其耦合带宽。多分支宽带分支线耦合器传输线节点等效为多个谐振器，从输入端口到输出端口能够实现高阶滤波响应，以提高滤波选择性。

技术总结
本发明属于射频微波无源器件领域，公开了一种微带滤波分支线耦合器，旨在提供一种能够同时实现耦合与滤波功能的紧凑型微波无源器件，以满足现代通信系统对小型化、高选择性及带外抑制能力的要求。本发明通过以下技术方案实现：本发明的各部分包含输入端口、输出端口、耦合端口和隔离端口四个端口，四个均匀阻抗半波长谐振器，两个中心加载短截线的均匀阻抗半波长谐振器，四个50Ω微带线端口与谐振器相连的四条高阻抗传输线。本发明在多分支宽带分支线耦合器四分之一波长传输线节点处引入谐振电路，等效为耦合拓扑网络。利用四个均匀阻抗的半波长谐振器和两个中心加载短截线的半波长谐振器来实现分支线耦合器的耦合功能，并为耦合器引入滤波特性。谐振器通过高阻抗传输线与端口相连，且各个谐振器间通过缝隙实现相互耦合。本发明公开的滤波分支线耦合器能够实现增加耦合带宽，并引入高阶滤波特性以提高滤波选择特性。

技术研发人员：陈哲,许永平,杨晋骁,唐润风,李韦霖
受保护的技术使用者：云南大学
技术研发日：
技术公布日：2025/1/6