專利名稱：集成了雙頻帶通濾波器的功率分配器的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種具有濾波功能的功率分配器，特別涉及一種基于集成了雙頻帶通濾波器的功率分配器，可應(yīng)用于射頻前端電路的帶濾波功能的功率分配器。
背景技術(shù)：
功率分配器是微波電路中一個基礎(chǔ)的部分，因為其有分離和組合信號的功能，所以幾乎在所有天線陣列和平衡電路中都要用到。因為可以分離出需要的頻帶，帶通濾波器是無線通信系統(tǒng)中另一種不可缺少的器件。功率分配器和帶通濾波器這兩種器件在許多微波系統(tǒng)中同時存在。在過去的幾十年，有大量關(guān)于功率分配器的研究。研究的焦點在于拓寬頻帶，減小面積，雙頻響應(yīng)以及諧波抑制。另一方面，帶通濾波器也是無源電路設(shè)計中重要的研究領(lǐng)域。單通帶和多通帶濾波器是兩個不同的研究方向。一方面，超寬帶，諧波抑制以及可調(diào)濾波器是單通帶帶通濾波器設(shè)計要著重考慮的。另一方面，階梯阻抗濾波器廣泛應(yīng)用于多通帶帶通濾波器的設(shè)計。最近，又有研究表明多頻響應(yīng)可由開路支節(jié)加載到諧振器中心位置得到。在很多的系統(tǒng)中，功率分配器以及濾波器通常需要連接在一起以實現(xiàn)分離和濾除信號的功能。然而，所有上面提到的功率分配器以及濾波器的研究都只是注重他們本身的特性，很少有考慮兩者結(jié)合的可能性，傳統(tǒng)的系統(tǒng)中通常應(yīng)用離散器件實現(xiàn)這兩個功能。但是，用離散器件會使得模塊的尺寸很大。因此，為了減小尺寸，雙功能器件是有需求的。同時具有分離功率信號以及頻率選擇功能的雙功能器件已經(jīng)有一些學(xué)者研究過。在K. J. Song, and Q. Xuej "Novel Ultra-Wideband (UffB) Multilayer Slotline Power Divider With Bandpass Response, ” IEEE Microw. Wireless Compon. Lett.，vol. 20，no. 1， PP. 13-15，Jan, 2010.中，作者完成了一個具有帶通響應(yīng)的超寬帶功率分配器。多層微帶開槽線耦合用于分離信號以及阻隔無用頻率帶。此外，一種兼具帶通響應(yīng)和諧波抑制的威爾金森功率分配器設(shè)計在文獻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，在這個設(shè)計中，交叉指階梯阻抗耦合線被用于實現(xiàn)所需功能。另外，在文獻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-型傳輸線可以被集成到功率分配器中，然而，文章中只是提出可以用Π-型傳輸線而不是真正的濾波器用于實現(xiàn)特性。到目前為止，尚未出現(xiàn)真正濾波器集成到功率分配器中的器件，尤其是有雙頻帶通特性的集成了濾波器功能的功率分配器，為了填補這一空白， 本發(fā)明提出了一種新型的集成了雙頻帶通濾波器的功率分配器
發(fā)明內(nèi)容
在本發(fā)明中，提出了一種新型的集成了雙頻帶通濾波器的功率分配器。本設(shè)計中， 濾波器用作阻抗轉(zhuǎn)換器以代替?zhèn)鹘y(tǒng)的四分之一波長傳輸線。電阻，電容或電感作為隔離元件連接于兩個濾波器的開路端以得到良好的隔離效果。因為隔離元件擺放的特殊位置，所提出的結(jié)構(gòu)有較小的尺寸和增強的電路集成度。因為功率分配器中集成了雙頻帶通濾波器，所以可以同時實現(xiàn)功率分配和頻率選擇的功能。為實現(xiàn)本發(fā)明目的，本發(fā)明所采用的技術(shù)方案如下
集成了雙頻帶通濾波器的功率分配器。包括上層微帶結(jié)構(gòu)、隔離元件、中間層介質(zhì)基板和下層接地金屬板，上層微帶結(jié)構(gòu)和隔離元件附著在中間層介質(zhì)板上表面，中間層介質(zhì)板下表面為接地金屬；其特征在于上層微帶結(jié)構(gòu)包括兩個支節(jié)線中心加載帶通濾波器，兩個支節(jié)線中心加載帶通濾波器結(jié)構(gòu)相同，排布成上下對稱的結(jié)構(gòu)，兩個支節(jié)線中心加載帶通濾波器共用一個輸入端口作為集成了雙頻帶通濾波器的功率分配器的輸入端口，兩個支節(jié)線中心加載帶通濾波器的輸出端口作為集成了雙頻帶通濾波器的功率分配器的兩個輸出端口。上述集成了雙頻帶通濾波器的功率分配器，位于上方的支節(jié)線中心加載帶通濾波器由兩個開路支節(jié)線加載諧振器耦合組成，兩個開路支節(jié)線加載諧振器的結(jié)構(gòu)完全相同； 其中與輸入端口連接的開路支節(jié)線加載諧振器由第一微帶線、第二微帶線、第三微帶線和第四微帶線組成，其中第一微帶線、第二微帶線和第三微帶線依次連接，第四微帶線連接在第二微帶線的中心位置形成E型結(jié)構(gòu)，第二微帶線和第三微帶線的相交處連接到輸入端口 ；與第一輸出端口連接的開路支節(jié)線加載諧振器由第五微帶線、第六微帶線、第七微帶線和第八微帶線組成，其中第五微帶線、第六微帶線和第七微帶線依次連接，第八微帶線連接在第六微帶線的中心位置形成與E型結(jié)構(gòu)，第五微帶線和第六微帶線的相交處連接到第一輸出端口 ；隔離元件的一端與位于上方的支節(jié)線中心加載帶通濾波器第七微帶線的開路端連接，另一端與位于下方的支節(jié)線中心加載帶通濾波器相應(yīng)微帶線的開路端連接。上述集成了雙頻帶通濾波器的功率分配器，開路支節(jié)線加載諧振器包括一個普通的半波長諧振器以及一根加載在該普通的半波長諧振器中心位置的開路支節(jié)線，其中長度 L為所述普通的半波長諧振器的諧振頻率/對應(yīng)的波長2的二分之一；其中，Z為實際微帶線長度；實際微帶線長度Z為第一微帶線、第二微帶線、第三微帶線的長度之和。上述集成了雙頻帶通濾波器的功率分配器，每個支節(jié)線中心加載帶通濾波器有兩條耦合路徑，第一耦合路徑為第一微帶線和第五微帶線上下平行的耦合部分；第二耦合路徑為第三微帶線和第七微帶線上下平行的耦合部分。上述集成了雙頻帶通濾波器的功率分配器，當(dāng)開路支節(jié)線加載諧振器諧振時，支節(jié)線中心加載帶通濾波器的輸入端信號與輸出端信號有-90°的相位偏移。上述集成了雙頻帶通濾波器的功率分配器，集成了雙頻帶通濾波器的功率分配器的輸入阻抗與輸出阻抗相同，每一個支節(jié)線中心加載帶通濾波器的輸入輸出阻抗為集成了雙頻帶通濾波器的功率分配器的輸入阻抗或輸出阻抗的否倍。上述集成了雙頻帶通濾波器的功率分配器，隔離元件為電阻、電容或電感。相對于現(xiàn)有技術(shù)，本發(fā)明具有如下優(yōu)點(1)在傳統(tǒng)的功率分配器中集成了雙頻帶通濾波器，可以同時實現(xiàn)功率分配和過濾信號的功能，而且尺寸比由分立的的功率分配器和濾波器組成的模塊有較大的減小，有利于射頻前端系統(tǒng)的集成化以及小型化。(2)集成了雙頻帶通濾波器的功率分配器有比傳統(tǒng)的由分立的功率分配器和濾波器組成的模塊更低的插入損耗。(3)集成了雙頻帶通濾波器的功率分配器由于集成了支節(jié)線中心加載帶通濾波器，可以獲得雙頻帶通相應(yīng)。


圖1是集成了雙頻帶通濾波器的功率分配器的結(jié)構(gòu)圖； 圖2是集成了雙頻帶通濾波器的功率分配器的結(jié)構(gòu)示意圖3a是集成了雙頻帶通濾波器的功率分配器的傳輸特性曲線圖； 圖北是集成了雙頻帶通濾波器的功率分配器的輸出回波損耗和隔離系數(shù)曲線圖。
具體實施方案下面結(jié)合附圖對本發(fā)明作進一步詳細(xì)的說明，但本發(fā)明要求保護的范圍并不局限于下例表述的范圍。如圖1所示，包括上層微帶結(jié)構(gòu)，隔離元件，中間層介質(zhì)基板和下層接地金屬板， 上層微帶結(jié)構(gòu)和隔離元件附著在中間層介質(zhì)板上表面，中間層介質(zhì)板下表面為接地金屬； 其特征在于上層微帶結(jié)構(gòu)包括兩個支節(jié)線中心加載帶通濾波器，兩個支節(jié)線中心加載帶通濾波器結(jié)構(gòu)相同，排布成上下對稱的結(jié)構(gòu)，兩個支節(jié)線中心加載帶通濾波器共用一個輸入端口作為集成了雙頻帶通濾波器的功率分配器的輸入端口，兩個支節(jié)線中心加載帶通濾波器的輸出端口作為集成了雙頻帶通濾波器的功率分配器的兩個輸出端口 ；隔離元件的一端與位于上方的支節(jié)線中心加載帶通濾波器第七微帶線的開路端連接，另一端與位于下方的支節(jié)線中心加載帶通濾波器相應(yīng)微帶線的開路端連接以增強隔離度。其中，隔離元件可以是電阻，電容或電感。每個支節(jié)線中心加載帶通濾波器由兩個開路支節(jié)線加載諧振器耦合組成；每個開路支節(jié)線加載諧振器結(jié)構(gòu)相同，由微帶線連接構(gòu)成；其中與輸入端口連接的開路支節(jié)線加載諧振器由第一微帶線1、第二微帶線2、第三微帶線3和第四微帶線4 組成，其中第一微帶線1、第二微帶線2和第三微帶線3依次連接，第四微帶線4連接在第二微帶線2的中心位置形成E型結(jié)構(gòu)，第二微帶線2和第三微帶線3的相交處連接到輸入端口 ；與第一輸出端口連接的開路支節(jié)線加載諧振器由第五微帶線5、第六微帶線6、第七微帶線7和第八微帶線8組成，其中第五微帶線5、第六微帶線6和第七微帶線7依次連接， 第八微帶線8連接在第六微帶線6的中心位置形成與E型結(jié)構(gòu)，第五微帶線5和第六微帶線6的相交處連接到第一輸出端口 ；開路支節(jié)線加載諧振器包括一個普通的半波長諧振器以及一根加載在該普通半波長諧振器中心位置的開路支節(jié)線，其中長度Z為所述普通的半波長諧振器的諧振頻率/對應(yīng)的波長2的二分之一；其中，Z為實際微帶線長度；實際微帶線長度Z為第一微帶線1、第二微帶線2、第三微帶線3的長度之和；每個支節(jié)線中心加載帶通濾波器有兩條耦合路徑，其中第一耦合路徑為第一微帶線1和第五微帶線5上下平行的耦合部分；第二耦合路徑為第三微帶線3和第七微帶線7上下平行的耦合部分。
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集成了雙頻帶通濾波器的功率分配器在開路支節(jié)線加載諧振器諧振時，支節(jié)線中心加載帶通濾波器的輸入端信號與輸出端信號有大約-90°的相位偏移，可以用來代替?zhèn)鹘y(tǒng)功率分配器中用到的四分之一波長傳輸線，實現(xiàn)阻抗變換的功能。因此，只需要讓集成了雙頻帶通濾波器的功率分配器的輸入阻抗與輸出阻抗相同，則每一個支節(jié)線中心加載帶通濾波器的輸入輸出阻抗為集成了雙頻帶通濾波器的功率分配器的輸入阻抗或輸出阻抗的
Vl倍。即構(gòu)成一個典型的威爾金森功率分配器。
實施例集成了雙頻帶通濾波器的功率分配器的結(jié)構(gòu)如圖1所示，有關(guān)尺寸規(guī)格如下圖2 所示。介質(zhì)基板的厚度為0.63mm，相對介電常數(shù)為6. 15。連接在兩個支節(jié)線中心加載帶通濾波器開路端之間的隔離元件采用400歐姆的電阻，以增強隔離度。如圖2所示，濾波器的各微帶線尺寸參數(shù)如下第三微帶線3的電長度Q1STr，第三微帶線3與第七微帶線7 之間的耦合區(qū)間電長度92為42°，第三微帶線3的開路端與第六帶線6之間的間隔電長度93為觀°，第六微帶線6的電長度94為41°，第四微帶線4的電長度95為沈°。選擇這些微帶線各自的電長度，以獲得所需的輸入、輸出阻抗特性、頻帶內(nèi)傳輸特性和頻帶外衰減特性。圖3a是按照上述參數(shù)設(shè)計出來的一個集成了雙頻帶通濾波器的功率分配器的傳輸特性曲線的實際測量結(jié)果；傳輸特性曲線圖中的橫軸表示頻率，縱軸表示傳輸特性，其中 S11表示集成了雙頻帶通濾波器的功率分配器輸入端口的回波損耗，S21表示當(dāng)輸入端口匹配時，從第一輸出端口到輸入端口的插入損耗，S31表示當(dāng)輸入端口匹配時，從第二輸出端口到輸入端口的插入損耗；實際測量是使用E5071C網(wǎng)絡(luò)分析儀來完成的，由實際測量結(jié)果可見，實際測量得到的插入損耗曲線S21和S31基本重合，兩個通帶的中心頻率分別在1. 8GHz 和2. 96GHz上，測量到的IdB相對帶寬分別是8. 3%和5. 9% ；在1. 8GHz頻點上測量到的包含了 SMA連接器的插入損耗S21和S31均為-3. 8dB，在2. 96GHz頻點上測量到的包含了 SMA 連接器的插入損耗S21和S31均為-3. 9dB。由于集成了濾波器的緣故，集成了雙頻帶通濾波器的功率分配器的插入損耗要稍大于標(biāo)準(zhǔn)的功率分配器。在兩個通頻帶內(nèi)，實際測量到的集成了雙頻帶通濾波器的功率分配器輸入端口的回波損耗S11都高于-10dB。并且在每個通帶兩邊各有一個傳輸零點，大大的改善了功率分配器中濾波功能的滾降特性。圖北是按照上述參數(shù)設(shè)計出來的一個集成了雙頻帶通濾波器的功率分配器的傳輸特性曲線的實際測量結(jié)果；傳輸特性曲線圖中的橫軸表示頻率，縱軸表示傳輸特性，其中，S22表示第一輸出端口的回波損耗曲線，S23表示第一輸出端口與第二輸出端口的隔離系數(shù)。其中實際測量到的兩個通帶內(nèi)的第一輸出端口的回波損耗S22都高于-IOdB ；在1. 8GHz頻點上，測量到的第一輸出端口與第二輸出端口的隔離系數(shù)S23為46dB，在2. 96GHz頻點上，測量到的第一輸出端口與第二輸出端口的隔離系數(shù)S23為-20dB。實施例的仿真和實測結(jié)果表明本發(fā)明器件有兩個功能，不但可以平均分配輸入能量，還可以篩選出所需要的頻段。以上所述僅為本發(fā)明的較佳實例而已，并不用以限制本發(fā)明，凡在本發(fā)明的精神和原則之內(nèi)，所作的任何修改、等同替換、改進等，均應(yīng)包含在本發(fā)明的保護范圍之內(nèi)。
權(quán)利要求
1.集成了雙頻帶通濾波器的功率分配器，包括上層微帶結(jié)構(gòu)、隔離元件、中間層介質(zhì)基板和下層接地金屬板，上層微帶結(jié)構(gòu)和隔離元件附著在中間層介質(zhì)板上表面，中間層介質(zhì)板下表面為接地金屬；其特征在于上層微帶結(jié)構(gòu)包括兩個支節(jié)線中心加載帶通濾波器， 兩個支節(jié)線中心加載帶通濾波器結(jié)構(gòu)相同，排布成上下對稱的結(jié)構(gòu)，兩個支節(jié)線中心加載帶通濾波器共用一個輸入端口作為集成了雙頻帶通濾波器的功率分配器的輸入端口，兩個支節(jié)線中心加載帶通濾波器的輸出端口作為集成了雙頻帶通濾波器的功率分配器的兩個輸出端口。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述集成了雙頻帶通濾波器的功率分配器，其特征在于位于上方的支節(jié)線中心加載帶通濾波器由兩個開路支節(jié)線加載諧振器耦合組成，兩個開路支節(jié)線加載諧振器的結(jié)構(gòu)完全相同；其中與輸入端口連接的開路支節(jié)線加載諧振器由第一微帶線、第二微帶線、第三微帶線和第四微帶線組成，其中第一微帶線、第二微帶線和第三微帶線依次連接，第四微帶線連接在第二微帶線的中心位置形成E型結(jié)構(gòu)，第二微帶線和第三微帶線的相交處連接到輸入端口；與第一輸出端口連接的開路支節(jié)線加載諧振器由第五微帶線、 第六微帶線、第七微帶線和第八微帶線組成，其中第五微帶線、第六微帶線和第七微帶線依次連接，第八微帶線連接在第六微帶線的中心位置形成與E型結(jié)構(gòu)，第五微帶線和第六微帶線的相交處連接到第一輸出端口 ；隔離元件的一端與位于上方的支節(jié)線中心加載帶通濾波器的第七微帶線的開路端連接，另一端與位于下方的支節(jié)線中心加載帶通濾波器相應(yīng)微帶線的開路端連接。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述集成了雙頻帶通濾波器的功率分配器，其特征在于開路支節(jié)線加載諧振器包括一個普通的半波長諧振器以及一根加載在該普通的半波長諧振器中心位置的開路支節(jié)線，其中長度Z為所述普通的半波長諧振器的諧振頻率/對應(yīng)的波長2的二分之一；其中，L為實際微帶線長度；實際微帶線長度Z為第一微帶線、第二微帶線、第三微帶線的長度之和。
4.根據(jù)權(quán)利要求2所述集成了雙頻帶通濾波器的功率分配器，其特征在于每個支節(jié)線中心加載帶通濾波器有兩條耦合路徑，第一耦合路徑為第一微帶線和第五微帶線上下平行的耦合部分；第二耦合路徑為第三微帶線和第七微帶線上下平行的耦合部分。
5.根據(jù)權(quán)利要求2所述集成了雙頻帶通濾波器的功率分配器，其特征在于當(dāng)開路支節(jié)線加載諧振器諧振時，支節(jié)線中心加載帶通濾波器的輸入端信號與輸出端信號有-90°的相位偏移。
6.根據(jù)權(quán)利要求2所述集成了雙頻帶通濾波器的功率分配器，其特征在于集成了雙頻帶通濾波器的功率分配器的輸入阻抗與輸出阻抗相同，每一個支節(jié)線中心加載帶通濾波器的輸入輸出阻抗為集成了雙頻帶通濾波器的功率分配器的輸入阻抗或輸出阻抗的V2倍。
7.根據(jù)權(quán)利要求2所述的集成了雙頻帶通濾波器的功率分配器，其特征在于隔離元件為電阻、電容或電感。
全文摘要
本發(fā)明公開一種集成了雙頻帶通濾波器的功率分配器。包括上層微帶結(jié)構(gòu),隔離元件，中間層介質(zhì)基板和下層接地金屬板。每個集成了雙頻帶通濾波器的功率分配器包括兩個支節(jié)線中心加載帶通濾波器以及連接在該兩個支節(jié)線中心加載帶通濾波器之間的隔離元件。集成了雙頻帶通濾波器的功率分配器的輸入阻抗與輸出阻抗相同，支節(jié)線中心加載帶通濾波器的輸入輸出阻抗為集成了雙頻帶通濾波器的功率分配器的輸入阻抗或輸出阻抗的倍。每個支節(jié)線中心加載帶通濾波器由兩個結(jié)構(gòu)相同的開路支節(jié)線加載諧振器組成。隔離元件可以是電阻，電容或電感。本發(fā)明可用于各類射頻前端系統(tǒng)中，同時具有功率分配和頻率選擇的功能，有利于器件的集成化與小型化。
文檔編號H01P5/16GK102403562SQ20111034028
公開日2012年4月4日 申請日期2011年11月2日 優(yōu)先權(quán)日2011年11月2日
發(fā)明者章秀銀, 胡斌杰 申請人:華南理工大學(xué)